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　　高效率和佛氏狀機器人微波爐探究

　　國際金屬加工網

　　一流制造 ◇ 系列技術講座

　　1月11日13:30-17:00 2023 Ansys中國機器人行業典型研討會

　　和佛氏狀的Roomba Discovery機器人微波爐是美國iRobot公司Roomba系列機器人中的高端產品,在任務完成或電力不足時能手動返回電池組底座電池組。該產品附帶兩個無線遙控器,可遠在20英尺(約6米)以外掌控操作。

在保潔各方面,這款Discovery機器人主要依賴兩個平底鍋桿(beater bar)和螺絲設計以及一圈淡黑螺絲,可徹底保潔墻邊角落。它選用無紙袋會量箱來搜集所有的垃圾。盡管沒有傳統的高吸力,在我們非常有限的Hartwig中,Discovery的會量工作完成十分出色。

在開放性各方面,則選用雙輪驅動力機制,并另附有兩個炮身。這三個車輪都具有基本上的彈簧懸掛器(可展開手動高度控制)。此種驅動力輪結構提供更多了開放性,并只需單純的直流電機即可,但滾輪掌控不是單純的開或關這么單純。在炮身器里有兩個用以檢驗車輪轉動速度的截純量(optical chopper),透過計算發射裝置/檢驗器光電出口處炮身葉片的中斷來監視車輪的速度。此種監視還能提供更多掌控轉為(透過使兩個炮身轉動速度快于另兩個來實現轉為)所需要的反饋,從而建立一類外部基本上“映射”,反映出房間的哪些區域已被潔凈,還有哪些地方性仍需注意。透過此種跟蹤探測,Discovery能確保手動吸塵中不會漫無目的地亂走一氣。

　　關鍵性基本功所處

　　要讓制作的機器人微波爐具有實用性,關鍵性基本功在于對周圍環境的了解。當Roomba遇到障礙物或物體邊沿時,由兩個邊沿檢驗器展開“減震”并打開炮身記號(wheels flag)。更重要的是,該器在機體四周使用了五個紅外線(IR)發射裝置/檢驗器接收器,這五個接收器不斷檢驗是否有像樓梯這樣的會使Roomba滑落的邊沿,以防止滑落損壞。當器立足處是實實在在的天花板時,發射裝置發出的紅外線信號將散射回檢驗器。但若某一發射裝置下是一塊空地,將無紅外線信號散射回來,表明可能有危險,于是就讓Roomba倒退或停止以保護自己。整個器操作單純、具智能性并價格低廉。

此外,“污垢檢驗”機能也是智能性的一類表現。由于天花板上總有一些地方性特別臟,Roomba會加長對該地方性的潔凈時間。一旦此種地方性得到充分潔凈后,該檢驗機能會通知Roomba可以繼續前進了。

　　上面提到的感測器化解方案是一類極棒的低端方案。Discovery整合了一對基本上磁性麥克風,讓這兩個價格低廉的磁性盤式揚聲器(和玩具及會說話的明信片中選用的相同)彼此相反。磁性器件的表面向外進入設備底部的潔凈腔,以便于“聆聽”塵屑的聲音,當遇到污垢和碎屑時,產生小電流。若這些硬幣大小的塵屑撿拾器及其相關運算放大器在潔凈區域生成兩個記號,意味著需要更大的潔凈力度。一切歸于寧靜時,Discovery推斷所有塵屑已被搜集完畢,然后繼續前進。

圖:Roomba Discovery機器人微波爐的外部Ramanathapuram

　　高集成度的掌控管理

　　該電子設備令人驚異地把設計中所需的所有感應器監視、電機驅動力、演算法處理和常規掌控集于一體,透過兩個一流的飛思卡爾16位微掌控器MC9S12E128CPV來展開掌控管理。除了CPU內核外,這一部件還包涵128kb的SSD,8kb的RAM,以及大量外設組件,比如計時器、D/A放大器、多通道A/D放大器和若干串行接口。該MCU的外部數字電源電流(2.5V)由兩個片上開關電源產生。在22.5mm×5cm的掌控器板上,除了幾個信號控制運放組件和用于電機驅動力的眾多功率晶體管之外,就只有分立式元件。

這款Discovery產品還內含兩個包涵了紅外線(IR)發射裝置的電池組底座。該發射裝置作為Roomba的信標,讓它可以手動尋找電池組底座所處的地方性,時間到了就回家電池組。Discovery中還有兩個電池組供電的可創建虛擬墻的器,能限制保潔范圍,防止微波爐進入禁止地帶。

　　所有這些外設都包涵有自己的利用高效率芯片細線裝配的小型電路板器。電池組底座還包括兩個額外的電路,用以化解微波爐的14.4V NiMH電池組組件的電池組掌控問題,這個電池組組件為整個系統提供更多能源,占了Discovery重量的很大比例。

Discovery設計的復雜程度有很大部分是機電各方面的,尤其是感應器、開關、電機及其相關聯絡人的集成。不客氣地說,聯絡人的復雜程度大得可怕。要保證最終產品的成本效益,唯一的辦法是選用高效率人力展開生產(該設備在中國生產)。

　　Roomba Discovery把一類主要演算法增值引入到了電機驅動力、障礙檢驗和除塵機能的基本上構架中。價格低廉的感應器化解方案,機能多樣化的MCU和高效率人力的最終裝配,這三者的結合創建出了一類非常實用的低于300美元的家庭機器人。

Roomba在互連各方面非常復雜。雖然半導體各方面的復雜程度主要集中在飛思卡爾的多外設掌控器上,但大量的感應器及附加電路板需要插頭連接器以連接回中央電路板,這就意味著需要大量的電纜線束。由于這些電纜中大部分都是用于驅動力和微波爐電機的?D而它們都是在主電路板上展開能量驅動力的?D因而必須化解大電流噪聲管理問題,選用兩個Samxon的電解濾波器電容就可以消除噪聲。

　　在污垢檢驗板上,磁性式塵屑拾取器的低電平信號必須保持純凈,故在這里噪聲管理也十分重要。設計中選用了一對比較昂貴的但更有效的AVX鉭電容,以防止對污垢檢驗的不良影響?？偠灾?此種強有力的混合信號特性在整個設計中產生了對其它無源器件的大量需求。

　　:David Carey

　　總裁

　　Portelligent公司

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