【導讀】一代又一代，科幻類小說總以各種方式讓機器人融入社會，比如從讓我們的生活變得更輕鬆、更美好的“幫手型”善良仆人，到試圖消滅我們的殘酷
、沒有靈魂的霸主。不論哪種情況，故事一開始都是機器人取代人類完成重複性的危險而又粗重的任務，而隨著AI的興起，它們甚至能超越訓練有素的人類。

圖源：ART STOCK CREATIVE/stock.adobe.com

從小型掃地機器人到送貨機器人和無人機，機器人的使用已是司空見慣。尤其是當機器人變得自主、親近甚至有自我意識時
，社會也接納機器人融入我們的生活。

幾十年來
，汽車製造廠
、化(hua)工(gong)廠(chang)和(he)工(gong)廠(chang)中(zhong)的(de)苦(ku)力(li)機(ji)器(qi)人(ren)已(yi)經(jing)取(qu)代(dai)了(le)許(xu)多(duo)人(ren)力(li)，成(cheng)本(ben)效(xiao)益(yi)凸(tu)顯(xian)
，生(sheng)產(chan)效(xiao)率(lv)和(he)精(jing)度(du)得(de)以(yi)提(ti)高(gao)，因(yin)為(wei)製(zhi)造(zao)業(ye)和(he)工(gong)業(ye)應(ying)用(yong)一(yi)直(zhi)是(shi)機(ji)器(qi)人(ren)進(jin)步(bu)的(de)驅(qu)動(dong)力(li)。

雖然機器人的采購、編程以及投入使用的初始投資仍然很高，但它們對製造公司也助益頗多。

隨(sui)著(zhe)人(ren)們(men)對(dui)製(zhi)造(zao)業(ye)回(hui)歸(gui)本(ben)國(guo)的(de)願(yuan)望(wang)越(yue)來(lai)越(yue)強(qiang)烈(lie)，競(jing)爭(zheng)壓(ya)力(li)意(yi)味(wei)著(zhe)隻(zhi)有(you)機(ji)器(qi)人(ren)才(cai)能(neng)以(yi)低(di)成(cheng)本(ben)保(bao)持(chi)高(gao)生(sheng)產(chan)率(lv)。它(ta)們(men)可(ke)以(yi)一(yi)天(tian)二(er)十(shi)四(si)小(xiao)時(shi)不(bu)間(jian)斷(duan)地(di)工(gong)作(zuo)。它(ta)們(men)不(bu)需(xu)要(yao)休(xiu)假(jia)或(huo)放(fang)假(jia)。它(ta)們(men)也(ye)不(bu)請(qing)病(bing)假(jia)（但確實偶爾也會崩潰）。

關鍵是使用機器人的製造企業不用支付社保、失業保險、工傷賠償、醫療保險、退休金等各種費用。

隨著隻在固定工位工作以及執行固定功能的機器人被可移動、能自主的多功能學習型機器所取代，能力
、安全性和成本敏感性也變得更加重要。機器人設計師現在麵臨著構建機器人和機器人工作環境的選擇。

五公斤的機器人裝有十公斤的芯片

傳感器是所有機器人設計的關鍵所在。它們為機器提供有關外部世界的信息。雖然老一代固定工位的機器人不需要導航、感知障礙物、知道它們在哪裏並尋找替代路線
，但新一代機器人卻需要。因此，必須實現
、監控
、解jie釋shi和he使shi用yong多duo種zhong類lei型xing的de傳chuan感gan器qi並bing設she定ding其qi優you先xian級ji來lai確que定ding行xing動dong。當dang今jin設she計ji師shi麵mian臨lin的de問wen題ti是shi如ru何he分fen配pei傳chuan感gan器qi，同tong時shi保bao持chi合he理li的de尺chi寸cun和he重zhong量liang。所suo有you傳chuan感gan器qi都dou安an裝zhuang在zai機ji器qi人ren內nei部bu嗎ma？ 或者機器人是否從設施、無線控製器或雲端獲取傳感數據和指令？

機器人的功能越多
，尺寸越大。機器人越重，需要的電池電量也越大。這就限製了運行時間、速度和性能，而且，機器人充電或更換電池時需停止使用

，因此還會提高成本。

空間總是有限的，重量是個大麻煩。因此，機器人所處環境越智能，需要嵌入機器人的元件越少。更小、更快、更長的運行時間、更低的成本。雙贏對吧
？ 不過，僅目前如此。

即(ji)使(shi)在(zai)智(zhi)能(neng)環(huan)境(jing)中(zhong)，每(mei)個(ge)機(ji)器(qi)人(ren)也(ye)必(bi)須(xu)嵌(qian)入(ru)智(zhi)能(neng)元(yuan)件(jian)和(he)傳(chuan)感(gan)器(qi)。容(rong)錯(cuo)意(yi)味(wei)著(zhe)在(zai)發(fa)生(sheng)通(tong)信(xin)故(gu)障(zhang)時(shi)安(an)全(quan)性(xing)不(bu)受(shou)影(ying)響(xiang)。因(yin)此(ci)，可(ke)使(shi)用(yong)諸(zhu)如(ru)換(huan)能(neng)器(qi)、攝像頭
、溫度和電池電壓傳感器等輕型板載傳感器。即使是目前的2D Lidar激光雷達技術也可以集成到低成本、高效率的機器人中。

應ying優you先xian考kao慮lv用yong於yu感gan知zhi接jie近jin或huo電dian源yuan問wen題ti等deng的de故gu障zhang安an全quan傳chuan感gan器qi。例li如ru，機ji器qi人ren可ke能neng不bu知zhi道dao它ta被bei障zhang礙ai物wu卡ka在zai某mou個ge位wei置zhi，但dan驅qu動dong電dian機ji上shang的de電dian流liu傳chuan感gan器qi可ke快kuai速su檢jian測ce到dao故gu障zhang並bing立li即ji切qie斷duan電dian機ji驅qu動dong器qi的de電dian源yuan。中zhong心xin設she施shi計ji算suan機ji或huo雲yun控kong製zhi器qi無wu法fa迅xun速su做zuo出chu反fan應ying以yi防fang止zhi可ke能neng發fa生sheng的de火huo災zai。

在(zai)工(gong)廠(chang)或(huo)工(gong)業(ye)環(huan)境(jing)中(zhong)
，無(wu)線(xian)通(tong)信(xin)可(ke)能(neng)是(shi)一(yi)項(xiang)挑(tiao)戰(zhan)。製(zhi)造(zao)車(che)間(jian)是(shi)一(yi)個(ge)充(chong)滿(man)電(dian)子(zi)噪(zao)聲(sheng)的(de)環(huan)境(jing)。如(ru)果(guo)發(fa)生(sheng)錯(cuo)誤(wu)和(he)重(zhong)試(shi)，機(ji)器(qi)人(ren)可(ke)能(neng)無(wu)法(fa)及(ji)時(shi)獲(huo)得(de)保(bao)持(chi)安(an)全(quan)所(suo)需(xu)的(de)信(xin)號(hao)。這(zhe)也(ye)可(ke)能(neng)意(yi)味(wei)著(zhe)無(wu)線(xian)鏈(lian)路(lu)傳(chuan)輸(shu)更(geng)高(gao)的(de)功(gong)率(lv)以(yi)獲(huo)得(de)可(ke)靠(kao)的(de)通(tong)信(xin)。

開放的世界，封閉的樓層
；分布式通信選項

keyijiejueqizhongxuduowentideyizhongdutefangfashishiyongfengbidefenbushiwangluoduichuanganqijinxingzhenliebushu，yijishiyonglaizijiqirendefanxiangtongdaoxinxi。shiyongfensanzaizhizaochejianzhouweidetongxinjiediankeyichuangjianyigebihuanfankuijizhi，qizhongsheshikongzhiqikeyiduijiqirencaiqudemeiyibucaozuojinxinggaojiyanzheng。

傳感器和通信節點可放置在具體的戰略規劃位置。5G、Wi-Fi®或藍牙信號在10英尺處比在50英尺處更可靠。因此，能夠立即以低成本實現可靠的主要和/或備用通信方案。即使是成本最低的窄帶AM或FM數據鏈路也可以與高級通信同時運行。例如，移動機器人經過固定工位機器人時可以收集其安全數據並傳遞出去。

經過這些數字檢查點的機器人可報告電池電量、內部溫度
、振動水平
、壓力和可承載負載應變，以及其中央處理器、視覺係統的運行狀況和整體狀態。射頻識別（RFID）jishushenzhikeyongyuzaijiqirenjingguodangewenjianjianzhadianshiduiqijinxingyanzheng。zhengrunisuojian，jishizaizhezhongfangfazhongjuyougaodudezizhuxing，jiqirenyebiandexiangzhizaochejiandewaiweishebei。

分布式串行架構：拓撲和優勢

串chuan行xing通tong信xin非fei常chang適shi合he圍wei繞rao局ju部bu或huo廣guang大da地di區qu進jin行xing分fen布bu式shi通tong信xin。係xi統tong與yu設she施shi設she計ji人ren員yuan和he管guan理li人ren員yuan對dui於yu可ke以yi輕qing鬆song實shi現xian的de串chuan行xing網wang絡luo的de技ji術shu和he類lei型xing有you多duo種zhong選xuan擇ze和he選xuan項xiang。

以太網是一種可以使用的串行網絡技術。它可以在單根電纜中使用Cat5和/或Cat 6leixingdeduoshuangjiaoxianjinxingjiexian。meigedianduidianyitaiwanglianjiexuyaobagendianxian，zhehuizengjiachengbenbingjiangdikekaoxing。yitaiwangqueshinengtigongkuaisutongxinhejibaiyingchidefugainengli，bingqiekeyiyongzuoquyuzhongchuanxingwangluodejixianqi。dantayiranwufayizhizaoshenghuojingdianfangdian（ESD），yinciduiyujiqiweizhieryan，tabingbushiyigehaodexuanze。ciwai
，yitaiwangshangdemeigejiediandouxuyaogengduodechuliqiziyuanhedaikuan。buguo
，keyishiyongchengbenjiaodidetongyongyibujieshouqi/發送器（UART）幀異步數據包幀串行數據鏈路。

基於UART的串行鏈接可能最直接

、最可靠。即使在最高電磁幹擾（EMI）噪聲和最惡劣的ESD環境中，無線串行鏈路依然穩定可靠。還有各種驅動器和接收器
，即便移動數百甚至數千英尺

，仍能將數據速率保持在一定範圍內。

在架構上，分布式串行傳感器陣列可以通過中心位置、分(fen)布(bu)式(shi)或(huo)遠(yuan)程(cheng)訪(fang)問(wen)來(lai)控(kong)製(zhi)和(he)監(jian)控(kong)。這(zhe)些(xie)都(dou)不(bu)相(xiang)互(hu)排(pai)斥(chi)。例(li)如(ru)
，中(zhong)央(yang)計(ji)算(suan)機(ji)始(shi)終(zhong)可(ke)以(yi)總(zong)攬(lan)大(da)局(ju)，而(er)備(bei)用(yong)係(xi)統(tong)則(ze)負(fu)責(ze)監(jian)控(kong)，並(bing)在(zai)主(zhu)係(xi)統(tong)出(chu)現(xian)故(gu)障(zhang)時(shi)啟(qi)動(dong)。

串行網絡還自帶點對點靈活性。最簡單、最可靠的架構就是點對點直連（圖1A）。這是最快、最直接的鏈路。硬件和/或軟件握手可以確保可靠的數據傳輸。

可以配置一串菊花鏈設備，其中單個數據鏈路與許多分布式傳感器或執行器通信（圖1B）。數shu據ju經jing過guo每mei個ge節jie點dian並bing通tong過guo充chong當dang傳chuan遞di緩huan衝chong區qu的de線xian路lu接jie收shou器qi和he驅qu動dong器qi路lu由you回hui起qi始shi點dian。例li如ru，每mei個ge節jie點dian都dou可ke以yi單dan獨du尋xun址zhi，也ye可ke以yi同tong時shi訪fang問wen所suo有you節jie點dian，例li如ru“緊急關機”命令。

如ru果guo將jiang設she備bei配pei置zhi在zai一yi個ge回hui路lu中zhong
，就jiu可ke以yi不bu使shi用yong傳chuan遞di驅qu動dong器qi，所suo有you數shu據ju返fan回hui到dao起qi始shi點dian。對dui於yu串chuan行xing或huo環huan路lu架jia構gou網wang絡luo，數shu據ju速su率lv通tong常chang設she置zhi為wei單dan一yi波bo特te率lv。如ru果guo使shi用yong多duo端duan口kou串chuan行xing控kong製zhi台tai控kong製zhi器qi，也ye可ke采cai用yong樹shu形xing配pei置zhi（圖1C）。ruguolaizizhujideshujusulvkuaidaonengweisuoyoujiaodidianpinggongdian，zeyunxuzaichuanxingyuzhongjianliduogechuanganqihuochuanganqiquyu。ruguomeiyou，nameyitaiwanglianjiekeyongzuodingjikongzhitaifuwuqi。ruguochuanganqiquyushiyongjubuquyudingyide

，zhekenengshiyizhongyouyongdejiagou。

圖1：（A）點對點直連

（B）鏈接設備的回路或菊花鏈、（C）樹形配置

（圖源：貿澤電子）

除了遠程分配傳感器和執行器外
，分布式節點還可包括用於安全控製的專用射頻鏈路或RFID掃(sao)描(miao)儀(yi)
，以(yi)便(bian)工(gong)廠(chang)內(nei)的(de)機(ji)器(qi)人(ren)經(jing)過(guo)特(te)定(ding)關(guan)鍵(jian)位(wei)置(zhi)時(shi)讀(du)取(qu)和(he)寫(xie)入(ru)數(shu)據(ju)。任(ren)何(he)時(shi)候(hou)都(dou)可(ke)在(zai)幾(ji)乎(hu)不(bu)增(zeng)加(jia)額(e)外(wai)成(cheng)本(ben)的(de)情(qing)況(kuang)下(xia)設(she)計(ji)安(an)全(quan)冗(rong)餘(yu)，利(li)用(yong)該(gai)安(an)全(quan)冗(rong)餘(yu)是(shi)明(ming)智(zhi)的(de)。

串行鏈路層協議的類型

RS-232

RS-232是我們大多數人都熟悉的老牌產品。這種單端物理層方案使用不歸零（NRZ）信令協議，將邏輯0表示為正電壓，邏輯1表示為負電壓。信號線永遠不依賴地線。因此，RS-232相對穩健，可以很好地抑製噪聲和脈衝毛刺。由於未連接的電線不顯示電壓，因此故障檢測更容易。

S-232

S-232可以覆蓋幾百英尺，而RS-422可以覆蓋幾千英尺。RS-422對(dui)每(mei)個(ge)信(xin)號(hao)使(shi)用(yong)一(yi)對(dui)差(cha)分(fen)線(xian)。這(zhe)使(shi)其(qi)可(ke)以(yi)不(bu)受(shou)嘈(cao)雜(za)工(gong)廠(chang)環(huan)境(jing)中(zhong)可(ke)能(neng)存(cun)在(zai)的(de)共(gong)模(mo)噪(zao)聲(sheng)的(de)影(ying)響(xiang)。它(ta)需(xu)要(yao)兩(liang)倍(bei)的(de)電(dian)線(xian)數(shu)量(liang)
，並(bing)且(qie)不(bu)像(xiang)過(guo)去(qu)用(yong)於(yu)大(da)多(duo)數(shu)計(ji)算(suan)機(ji)外(wai)圍(wei)設(she)備(bei)和(he)調(tiao)製(zhi)解(jie)調(tiao)器(qi)的(de)RS-232那樣常見。

RS-485

RS-485是一種差分介質，但也是一種共享介質。所有RS-485設備都連接到相同的物理線對。這意味著RS-485設備隻能在半雙工模式下運行，而RS-232和RS-422可以在全雙工模式下運行。所有RS-485設備通常具有相同的通信特性，例如波特率、奇偶校驗和停止位。

如果實施得當，RS-485還可以覆蓋數千英尺
，並且通常用於工廠和工業環境中。任何情況下，半導體製造商都為所有這些環境提供具有成本效益、設計精良
、具有競爭力的線路驅動器和接收器，並內置ESD和噪聲防護。

請注意，UART幀異步數據包格式（如RS-232、RS-422和RS-485）也用於汽車領域的控製器局域網（CAN）和OBDII控製和傳感器總線。

傳統但比較流行的Midi接口也采用基於UART的(de)數(shu)據(ju)包(bao)協(xie)議(yi)。工(gong)具(ju)和(he)開(kai)發(fa)固(gu)件(jian)很(hen)好(hao)地(di)理(li)解(jie)並(bing)支(zhi)持(chi)這(zhe)些(xie)信(xin)令(ling)技(ji)術(shu)。它(ta)們(men)是(shi)工(gong)業(ye)環(huan)境(jing)中(zhong)分(fen)布(bu)式(shi)傳(chuan)感(gan)器(qi)和(he)執(zhi)行(xing)器(qi)的(de)理(li)想(xiang)選(xuan)擇(ze)
，尤(you)其(qi)是(shi)在(zai)可(ke)以(yi)使(shi)用(yong)多(duo)端(duan)口(kou)服(fu)務(wu)器(qi)的(de)情(qing)況(kuang)下(xia)。

媒體服務器解決方案

多端口控製台提供可通過IP訪問的多個單獨串行端口，例如以太網和TCP/IP接入點。采用8或16端口RS-232配置，這些端口可用作RS-485或RS-422，並帶有適當的接口。

兩個10/100/1000以太網端口可支持單個串行端口高達921.6Kbits/sec數據速率的總帶寬
，並允許連接到本地計算機資源以及遠程和分布式全球計算機和基於雲的服務。

標準的1U機架安裝配置可輕鬆集成到幾乎任何設施中。此外，每個串口保護方案都內置有15KV ESD保護。這些控製台服務器充當理想接口，連接TCP/IP網絡與PLC
、CNC機器、磅秤
、掃描儀和幾乎任何類型基於傳感器的係統。許多可以由原始設備製造商（OEM）提ti供gong的de易yi於yu使shi用yong的de傳chuan感gan器qi係xi統tong支zhi持chi這zhe些xie串chuan行xing標biao準zhun
，並bing且qie控kong製zhi台tai服fu務wu器qi允yun許xu單dan獨du連lian接jie到dao這zhe些xie傳chuan感gan器qi。請qing注zhu意yi，每mei個ge設she備bei都dou可ke以yi有you自zi己ji的de波bo特te率lv、奇偶校驗和停止位配置，從而簡化設置和使用
，並最大化帶寬，因為最慢的設備並不會限製更快的設備。

通過Windows實用程序、Web瀏覽器、Telenet和各種控製台進行控製
，使操作員和程序員可以輕鬆設置、操作和監控。SNMP MIB-II等(deng)網(wang)絡(luo)管(guan)理(li)工(gong)具(ju)還(hai)允(yun)許(xu)使(shi)用(yong)標(biao)準(zhun)工(gong)具(ju)集(ji)進(jin)行(xing)操(cao)作(zuo)和(he)監(jian)控(kong)。後(hou)部(bu)安(an)裝(zhuang)的(de)接(jie)線(xian)使(shi)係(xi)統(tong)保(bao)持(chi)清(qing)潔(jie)和(he)可(ke)維(wei)修(xiu)，以(yi)便(bian)於(yu)擴(kuo)展(zhan)或(huo)更(geng)新(xin)。使(shi)用(yong)內(nei)置(zhi)以(yi)太(tai)網(wang)連(lian)接(jie)可(ke)以(yi)實(shi)現(xian)各(ge)種(zhong)拓(tuo)撲(pu)
，以(yi)創(chuang)建(jian)簡(jian)單(dan)、低成本
、有效的分布式傳感器陣列。

工廠和分布式機器人傳感器示例：

liru，womenkeyijiangzhongyangjisuanjixitongshiweizhuji，tatongguoyitaiwangjiaohuanjilianjiedaochuanxingkongzhitaifuwuqi。zheyangkeyiweimeigequyutigonggaosudaikuan，qizhongdekongzhitaikongzhiqichongdanggechuanganqidehuliansheshi。

圖2中zhong，示shi例li拓tuo撲pu使shi用yong冗rong餘yu控kong製zhi鏈lian路lu，通tong過guo高gao速su以yi太tai網wang交jiao換huan機ji路lu由you到dao局ju部bu區qu域yu。每mei個ge局ju部bu區qu域yu都dou可ke以yi利li用yong串chuan行xing控kong製zhi台tai服fu務wu器qi建jian立li直zhi連lian鏈lian路lu，與yu機ji器qi人ren將jiang經jing過guo的de每mei個ge傳chuan感gan器qi、射頻鏈路或執行器相連。

即使主控製器出現故障
，也可以建立遠程或冗餘鏈路作為備份、看門狗或故障保護措施。這可以是本地冗餘控製器，也可以是遠程或基於雲的監控係統。

圖2：示例拓撲

（圖源：貿澤電子）

結語

zaijiqirenhuanjingzhongjieheqianrushihefenbushichuanganqikenengshishishigongchanghuogongyehuanjingzuianquanqiezuikekaodefangshi，keyijiangzidonghuatishengdaoxindeshuiping。keyishezhiduogequyu


，bingjiankongrongyuanquanjizhi
，yiquebaosuoyouxitongzhengchangyunxing。

串行端口仍然是分配傳感器和執行器最具成本效益的方式。

幾乎每個微控製器都支持基於UART的通信，並且OEM傳(chuan)感(gan)器(qi)和(he)設(she)計(ji)的(de)傳(chuan)感(gan)器(qi)可(ke)以(yi)輕(qing)鬆(song)集(ji)成(cheng)到(dao)這(zhe)類(lei)網(wang)絡(luo)中(zhong)。這(zhe)也(ye)使(shi)機(ji)器(qi)人(ren)能(neng)夠(gou)簡(jian)化(hua)並(bing)降(jiang)低(di)複(fu)雜(za)性(xing)，因(yin)為(wei)它(ta)們(men)的(de)許(xu)多(duo)職(zhi)責(ze)可(ke)以(yi)轉(zhuan)移(yi)到(dao)更(geng)智(zhi)能(neng)的(de)設(she)施(shi)上(shang)。

來源： 貿澤電子

推薦閱讀：

TDK推出SmartSound係列多模式PDM數字MEMS麥克風T583x及開發平台

Bourns推出四款符合AEC-Q200標準的大功率厚膜芯片電阻

大聯大品佳推出基於Infineon產品的智能門鎖方案

東芝推出采用新型高散熱封裝的車載40V N溝道功率MOSFET

倍加福推出全新F99係列慣性測量單元