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

背景

機器人是一種能夠半自主或全自主工作的智能機器。中國電子學會組織發(fā)布的《中國機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展報告（2022年）顯示，近些年，我國機器人市場規(guī)模持續(xù)快速增長，“機器人+”應(yīng)用不斷拓展深入，預計五年年均增長率達到22%。而機器人產(chǎn)業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展，則離不開強化核心技術(shù)研發(fā)，加快突破機器人系統(tǒng)開發(fā)、操作系統(tǒng)、輕量化設(shè)計、多機器人協(xié)作等共性技術(shù)。

機械臂可以更精確、更快速、更高效地執(zhí)行以往由人工完成的復雜操作，從而在現(xiàn)代工廠中發(fā)揮著關(guān)鍵的作用。機械臂既可以單獨行動（機器人），也可以在協(xié)作環(huán)境中與人類操作員一起行動（協(xié)作機器人）。但無論是執(zhí)行裝配任務(wù)、拾取和投放還是處理危險材料，機器人和協(xié)作機器人都需要在機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1：監(jiān)控自由度

對于末端執(zhí)行器的操作，除了動力之外，實現(xiàn)自動化還需要控制和監(jiān)測的連接性。然而，機器人技術(shù)的關(guān)鍵要求是運動、旋轉(zhuǎn)和拐彎的自由度和靈活性。這就意味著，能夠到達末端執(zhí)行器的布線必須設(shè)計得不會限制機械臂的實際操作。這對許多設(shè)計來說都是一項極具挑戰(zhàn)性的任務(wù)，也是連接性和靈活性之間的一項重要工程權(quán)衡。

難點2：模塊化

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

難點3：改造與協(xié)作

在機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，還會對機器人的運動和功能造成額外的限制。對于人與機械臂連接的協(xié)作機器人來說，外部布線構(gòu)成了更大的障礙，使協(xié)作變得更加復雜。

無線解決方案

由于機械臂末端執(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)計和外形尺寸更合理，而且無需考慮電纜，可實現(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、維護成本（由于電纜磨損）和意外停機時間。

然而，傳統(tǒng)的無線技術(shù)并不適合機器人和協(xié)作機器人提出的工業(yè)操作要求。在工業(yè)自動化中操作執(zhí)行器和監(jiān)控傳感器需要極低的延遲和響應(yīng)時間，以及高可靠性和抗干擾性。Wi-Fi、藍牙和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)）和工廠自動化應(yīng)用（如機器人技術(shù)）而設(shè)計的標準。作為IO-Link標準的擴展，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化。通過內(nèi)置的抗噪功能，它的PER（數(shù)據(jù)包錯誤率）極低，僅為1e-9，比其他無線系統(tǒng)可靠6個數(shù)量級（一百萬倍）。因此，IO-Link Wireless能夠使機器人和協(xié)作機器人末端執(zhí)行器的無線連接成為現(xiàn)實，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臺設(shè)備。TigoMaster既可以安裝在機器人上，也可以安裝在生產(chǎn)線的控制箱中，用于控制多個機器人的末端執(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)與自動化PLC進行實時數(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 平臺發(fā)送監(jiān)控數(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，并實現(xiàn)了前所未有的應(yīng)用。其中一種設(shè)計是用于模塊化部署的機械臂末端支架，目前可支持頂級制造商生產(chǎn)的各種型號的真空泵和機械手。配備了這種IO-Link Wireless支架的機械臂平臺可以完全獨立于布線，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器人/協(xié)作機器人平臺上，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)計或預先集成。TigoBridge是帶IP67防護等級外殼的獨立裝置，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)議已擴展到無線使用以實現(xiàn)各種解決方案，例如運輸軌道和輸送系統(tǒng)，無線機器人，智能機床，旋轉(zhuǎn)臺和旋轉(zhuǎn)木馬以及狀態(tài)監(jiān)測和機器改造的解決方案。

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