虹科方案丨IO-Link Wireless技術(shù)用于機(jī)器人和協(xié)作機(jī)器人

背景

機(jī)器人是一種能夠半自主或全自主工作的智能機(jī)器。中國電子學(xué)會(huì)組織發(fā)布的《中國機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展報(bào)告（2022年）顯示，近些年，我國機(jī)器人市場規(guī)模持續(xù)快速增長，“機(jī)器人+”應(yīng)用不斷拓展深入，預(yù)計(jì)五年年均增長率達(dá)到22%。而機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展，則離不開強(qiáng)化核心技術(shù)研發(fā)，加快突破機(jī)器人系統(tǒng)開發(fā)、操作系統(tǒng)、輕量化設(shè)計(jì)、多機(jī)器人協(xié)作等共性技術(shù)。

機(jī)械臂可以更精確、更快速、更高效地執(zhí)行以往由人工完成的復(fù)雜操作，從而在現(xiàn)代工廠中發(fā)揮著關(guān)鍵的作用。機(jī)械臂既可以單獨(dú)行動(dòng)（機(jī)器人），也可以在協(xié)作環(huán)境中與人類操作員一起行動(dòng)（協(xié)作機(jī)器人）。但無論是執(zhí)行裝配任務(wù)、拾取和投放還是處理危險(xiǎn)材料，機(jī)器人和協(xié)作機(jī)器人都需要在機(jī)械臂末端安裝傳感器和執(zhí)行器，即通常所說的末端執(zhí)行器。

困難與挑戰(zhàn)

難點(diǎn)1：監(jiān)控自由度

對(duì)于末端執(zhí)行器的操作，除了動(dòng)力之外，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化還需要控制和監(jiān)測(cè)的連接性。然而，機(jī)器人技術(shù)的關(guān)鍵要求是運(yùn)動(dòng)、旋轉(zhuǎn)和拐彎的自由度和靈活性。這就意味著，能夠到達(dá)末端執(zhí)行器的布線必須設(shè)計(jì)得不會(huì)限制機(jī)械臂的實(shí)際操作。這對(duì)許多設(shè)計(jì)來說都是一項(xiàng)極具挑戰(zhàn)性的任務(wù)，也是連接性和靈活性之間的一項(xiàng)重要工程權(quán)衡。

難點(diǎn)2：模塊化

機(jī)器人和協(xié)作機(jī)器人通常被設(shè)計(jì)成一個(gè)平臺(tái)，其關(guān)鍵功能是運(yùn)動(dòng)、旋轉(zhuǎn)和彎曲。因此，用于提升或抓取的機(jī)械臂與用于焊接或擰螺絲的機(jī)器人具有相同的機(jī)械結(jié)構(gòu)。唯一的區(qū)別在于后期根據(jù)生產(chǎn)設(shè)施的實(shí)際部署和自動(dòng)化任務(wù)來選擇的末端執(zhí)行器。末端執(zhí)行器制造商與機(jī)器人制造商往往是不同的實(shí)體，需要獨(dú)立的通信渠道。此外，高級(jí)應(yīng)用可能需要部署多個(gè)傳感器和執(zhí)行器，這就需要不同的帶寬和連接規(guī)格。

難點(diǎn)3：改造與協(xié)作

在機(jī)械臂末端安裝特定或額外末端執(zhí)行器的一種解決方案是使用安裝配件進(jìn)行外部布線。雖然這種解決方案可以解決連接性和模塊化方面的限制，但成本高且繁瑣，還會(huì)對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)和功能造成額外的限制。對(duì)于人與機(jī)械臂連接的協(xié)作機(jī)器人來說，外部布線構(gòu)成了更大的障礙，使協(xié)作變得更加復(fù)雜。

無線解決方案

由于機(jī)械臂末端執(zhí)行器方面的限制，許多應(yīng)用都需要無線連接。無線連接使設(shè)計(jì)和外形尺寸更合理，而且無需考慮電纜，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)旋轉(zhuǎn)、更大的操作范圍以及傳感器和執(zhí)行器的模塊化部署等功能。它還能降低部署成本、維護(hù)成本（由于電纜磨損）和意外停機(jī)時(shí)間。

然而，傳統(tǒng)的無線技術(shù)并不適合機(jī)器人和協(xié)作機(jī)器人提出的工業(yè)操作要求。在工業(yè)自動(dòng)化中操作執(zhí)行器和監(jiān)控傳感器需要極低的延遲和響應(yīng)時(shí)間，以及高可靠性和抗干擾性。Wi-Fi、藍(lán)牙和Zigbee等技術(shù)在此類應(yīng)用中既不可靠，速度也不夠快。

IO-Link Wireless

傳統(tǒng)的無線技術(shù)是為IT（信息技術(shù)）和一般連接而設(shè)計(jì)的，而IO-Link Wireless則不同，它是為工業(yè) OT（操作技術(shù)）和工廠自動(dòng)化應(yīng)用（如機(jī)器人技術(shù)）而設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)。作為IO-Link標(biāo)準(zhǔn)的擴(kuò)展，IO-Link Wireless是一種確定性無線協(xié)議，可確保5毫秒的低延遲操作自動(dòng)化。通過內(nèi)置的抗噪功能，它的PER（數(shù)據(jù)包錯(cuò)誤率）極低，僅為1e-9，比其他無線系統(tǒng)可靠6個(gè)數(shù)量級(jí)（一百萬倍）。因此，IO-Link Wireless能夠使機(jī)器人和協(xié)作機(jī)器人末端執(zhí)行器的無線連接成為現(xiàn)實(shí)，其可靠性不亞于有線通信，而且不受約束。

架構(gòu)部署

為了實(shí)現(xiàn)這一解決方案，虹科TigoAir系列無線設(shè)備連接SOM（系統(tǒng)模塊）可集成在機(jī)械臂末端，允許通過IO-Link wireless連接到末端執(zhí)行器。它可無線連接到TigoMaster，后者最多可控制16臺(tái)設(shè)備。TigoMaster既可以安裝在機(jī)器人上，也可以安裝在生產(chǎn)線的控制箱中，用于控制多個(gè)機(jī)器人的末端執(zhí)行器。虹科Tigomaster能夠通過已有的工業(yè)通訊協(xié)議（如EtherNet/IP, EtherCAT,PROFINET或OPC UA)與自動(dòng)化PLC進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸和控制，在工業(yè)以太網(wǎng)并行系統(tǒng)中還可通過 MQTT 和 OPC UA 等協(xié)議向 IIoT 平臺(tái)發(fā)送監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。

應(yīng)用

虹科TigoAir SOM模塊已被領(lǐng)先的末端執(zhí)行器供應(yīng)商采用，并實(shí)現(xiàn)了前所未有的應(yīng)用。其中一種設(shè)計(jì)是用于模塊化部署的機(jī)械臂末端支架，目前可支持頂級(jí)制造商生產(chǎn)的各種型號(hào)的真空泵和機(jī)械手。配備了這種IO-Link Wireless支架的機(jī)械臂平臺(tái)可以完全獨(dú)立于布線，并根據(jù)需要配備所需的執(zhí)行器。因此，它仍能像有線連接一樣執(zhí)行所有要求的任務(wù)，而且不受電纜的限制。

其他末端執(zhí)行器可作為改裝件安裝在任何機(jī)器人/協(xié)作機(jī)器人平臺(tái)上，使用虹科TigoBridge可將任何IO-Link設(shè)備無縫轉(zhuǎn)換為IO-Link Wireless設(shè)備，無需專門設(shè)計(jì)或預(yù)先集成。TigoBridge是帶IP67防護(hù)等級(jí)外殼的獨(dú)立裝置，開箱即可使用，無需集成，也可作為SOM供設(shè)備制造商快速、低成本地集成到現(xiàn)有設(shè)備中。

虹科致力于為工業(yè)應(yīng)用提供領(lǐng)先的通信解決方案，IO-Link wireless技術(shù)可實(shí)現(xiàn)傳感器和執(zhí)行器之間的無線通信，為智能工廠和生產(chǎn)線提供強(qiáng)大、可靠和安全的通信解決方案。我們提供的IO-Link解決方案基于開放代碼的IO-Link協(xié)議，該協(xié)議已擴(kuò)展到無線使用以實(shí)現(xiàn)各種解決方案，例如運(yùn)輸軌道和輸送系統(tǒng)，無線機(jī)器人，智能機(jī)床，旋轉(zhuǎn)臺(tái)和旋轉(zhuǎn)木馬以及狀態(tài)監(jiān)測(cè)和機(jī)器改造的解決方案。

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