用机器人硬件驱动创新

industry 4.0 robotic hardware innovation

与 100 年前引入的装配生产线相比,如今的工业环境早已今非昔比,随后在 50 年之后首次引入了计算机和自动化。

与下一代机器人技术、人工智能和机器对机器通信所带来的智能和灵活的设施相比,工业革命中的这些早期生产流程似乎已经过时了。软件和数据一直是第四次工业革命的最明显的驱动力,但解决一些重大硬件的挑战现在正处于中心位置。这些硬件挑战之一是围绕着创造出更节能、更精确、反应更灵敏和更自主的机器人和机器人系统而演变。

能源效率

机器人的物理控制不仅取决于数据和智能,还取决于驱动它们的电机和电机驱动器(利用和控制发送到电机的电能)的能力。众所周知,工业电机的能源效率很低,会浪费最初消耗能量的10-30%。鉴于电机在工业环境中的无处不在,当今世界上有超过3亿台电机,很容易就能看出,小的改变可以很快就能在商业底线和能源工业对全球污染的影响方面产生大的效果。

采用氮化镓(GaN)技术的新型功率半导体将电机和电机驱动的能量转换效率从93%(硅解决方案)提高到98%。这就意味着转化为热能而不是用作动力的能量损失减少了50%以上。

新型物理设计的可能性

机械臂的功率转换和电机驱动元件通常非常大,以至于它们位于不同的位置,在装配线上与机械臂保持着相当大的距离。这需要很长的、笨重的和昂贵的电缆来覆盖这个距离。由于GaN可以影响对电源系统的尺寸和转换效率,因此可以设计并创造出更小(缩小40-60%)的电机驱动器,能够直接集成到机械臂本身——省去了电缆的需求。对于那些仍然需要外部电缆的应用,GaN技术允许使用更长的(如果需要的话)、更便宜的非屏蔽电缆。无论是哪种情况,机器人设计都可以针对工业4.0的需求进行优化——尤其是围绕着更灵活地利用设施空间方面。

精度与性能

随着对能够独立处理更复杂任务的机器人需求的增长,电机和电机驱动装置的变化将伴随着软件和数据所提供的计算机视觉、AI和机器学习能力的变化。以下是三个重要的硬件性能:

  • 从发现故障到采取行动的响应时间更快
  • 实时操作过程中更高精度的定位和控制,具有广泛的自由度和灵活性
  • 多台电机同时工作,需要高度协调和控制,这就需要改进电机驱动控制方式

氮化镓(GaN)技术可以再次找到解决方案。使用氮化镓技术创建的电机驱动器可以在更高的工作频率和快速的开关速度下运行,可以提供更高的电机带宽,从而使机器人或机器人系统中的控制更加精确。

通过无线充电提高自主性

为了使移动机器人能够高效、灵活、不间断地工作——它们需要实现比现在更大的自主性。高速、高功率的无线充电是这种所需演变进程的重要组成部分。无线充电涉及到移动机器人停放在充电板上方或旁边的充电桩上。在复杂的对接机制中,移动机器人不需要人类操作员进行物理连接。由于无线充电站外形小巧,因此可以有策略地放置在设施周围,除了提高机器人的自主性外,还可以实现最大限度的正常运行时间。

无线充电的另一个好处是,其可以在无法使用电线或使用电线不安全的工业环境(水下或采矿作业)中,以及环境中充满粉尘和碎屑,会影响到接触式或有线充电系统的性能从而易导致发生故障的情况下使用。

在机器人无线充电中使用氮化镓( GaN )技术,与目前的硅基系统相比,它的优势非常明显。事实上,硅的局限性使其在设计高性能工业无线充电应用时几乎毫无用处。氮化镓( GaN )技术可以有效地提供高功率(1000W)无线充电,并具有显著的空间自由度——这意味着能够减少机器人和操作台之间的距离来提供电力。

第四次工业革命中的机器人和机器人技术的未来发展方向

为了实现工业4.0的全部潜力,必须以创新的方式解决机器人和机器人技术中的能源效率、设计限制、性能和自主性等硬件挑战。今天,这些挑战正在通过使用氮化镓(GaN)技术的新型电源系统来解决。