Aplicar los avances en dispositivos de detección, conectividad y control de movimiento a robots fijos más inteligentes

Los sistemas robóticos montados (fijos en el lugar), a menudo denominados robots multieje, están diseñados para proporcionar movimientos de alta precisión y alto rendimiento dentro de un espacio de trabajo definido. Estos sistemas constituyen la columna vertebral de las modernas células de fabricación y automatización, donde la repetibilidad, la velocidad y la capacidad de carga son fundamentales.

Algunos ejemplos comunes son los robots colaborativos (cobots), los brazos robóticos articulados, los brazos robóticos articulados de cumplimiento selectivo (SCARA) y los mecanismos delta (de enlace paralelo), así como las máquinas de control numérico por computadora (CNC) y de tipo pórtico. En función de los requisitos de la aplicación, estos robots pueden montarse en rieles, paredes, techos, suelos o integrarse directamente en la maquinaria de producción, lo que permite una implementación flexible para los procesos de montaje, manipulación de materiales, embalaje, inspección y mecanizado.

Mediante la combinación de electrónica de accionamiento avanzada, sensores de precisión y arquitecturas de control en tiempo real, estas plataformas robóticas montadas proporcionan la fiabilidad, versatilidad, funcionalidad y precisión esenciales para los entornos de fabricación inteligentes y conectados. Sin embargo, para maximizar las ventajas y el rendimiento de estos sistemas, los diseñadores deben conocer y aplicar los últimos avances en detección de movimiento, detección de posición y área, control de movimiento y conectividad.

Este artículo examina brevemente los requisitos de diseño de los robots avanzados. A continuación, presenta soluciones de ejemplo y kits de evaluación relacionados de Analog Devices que los diseñadores pueden utilizar para implementar estos sistemas.

Requisitos de diseño de los robots avanzados

Los robots montados avanzados (Figura 1) se distinguen de los robots móviles en dos aspectos: operan en un entorno general relativamente estático y conocido, y no están limitados por la energía de las baterías. Sin embargo, se espera que funcionen con rapidez, precisión, repetibilidad y exactitud a pesar de las circunstancias cambiantes. Por ejemplo, pueden tener que recoger paquetes de distintos tamaños, formas, pesos, orientaciones y posiciones, y colocarlos en un lugar preciso de una cinta en movimiento. Para ello, estos robots deben evaluar la situación de forma autónoma y adaptarse dinámicamente a ella, sin perder de vista su entorno.

Figura 1: El muy conocido y visto robot fijo en el lugar ofrece ahora una precisión, flexibilidad y adaptabilidad extremas. (Fuente de la imagen: Analog Devices Inc.)

Estos requisitos exigen una cuidadosa integración de un control preciso del movimiento de los efectores finales, imágenes en tiempo de vuelo (ToF) para conocer el entorno, unidades de medición inercial (IMU) para detectar el movimiento y un enlace serie multimedia Gigabit (GMSL) para una comunicación fiable y de alta velocidad.

1: Control de movimiento para pinzas de efector final: Las pinzas robóticas funcionan como manos o pinzas, abriéndose y cerrándose a demanda. Deben utilizar la cantidad de fuerza adecuada para mantener un agarre firme sin dañar la carga útil. Para ello, el accionamiento del motor debe modularlo cuidadosamente para que funcione con precisión, uniformidad y suavidad. El accionamiento también debe tener poca masa y ser compacto debido a las limitaciones de peso y espacio.

Una solución adecuada para un controlador de este tipo es el servoaccionamiento de un eje TMCM-1617 (Figura 2). Con un peso de 24 g y unas dimensiones de 36.8 mm × 26.8 mm × 11.1 mm, este accionamiento de motor trifásico de corriente continua sin escobillas (BLDC) puede suministrar hasta 18 A RMS y funciona con una alimentación de 8 V a 24 V.

Figura 2: El servoaccionamiento TMCM-1617 ligero y compacto proporciona un control completo de motores BLDC de 8 V a 24 V y 18 A. (Fuente de la imagen: Analog Devices Inc.)

El TMCM-1617 admite encoders incrementales y sensores digitales de efecto Hall para la realimentación de posición, lo que mejora su precisión y repetibilidad bajo cargas variables. Para la conectividad, cuenta con opciones de bus CAN, RS-485 y EtherCAT.

Para evaluar y ajustar rápidamente el TMCM-1617 y sus algoritmos, Analog Devices ofrece el diseño de referencia de pinza TMCM-1617-GRIP-REF. Este diseño de referencia de hardware de código abierto está pensado para el control preciso de motores BLDC de 24 V utilizados en pinzas robóticas. Proporciona un control preciso orientado al campo (FOC), garantizando una ondulación mínima del par y permitiendo un control eficaz y de alto rendimiento del motor. La pila de software preconfigurado agiliza el proceso de configuración inicial, reduciendo el tiempo de comercialización.

2: Sensores ToF: Los diseñadores tienen dos opciones básicas para asegurarse de que el robot es plenamente consciente de su entorno y de cualquier objeto en su zona de operación: utilizar una disposición de detección ToF o utilizar una o más cámaras de video. Cada uno de ellos ofrece ventajas e inconvenientes relativos.

En general, las cámaras ToF son las preferidas para la detección de profundidad y ofrecen una medición de distancias de gran precisión. Sin embargo, suelen tener menor resolución espacial que las cámaras de video convencionales y pueden verse afectadas por la luz ambiental y las superficies reflectantes. Por otro lado, las cámaras de video estándar proporcionan imágenes de alta resolución y son versátiles para diversas aplicaciones, pero la extracción de información de profundidad requiere un procesamiento más complejo y varias cámaras.

Para muchas aplicaciones robóticas, las ventajas de las imágenes basadas en ToF son significativas. Sin embargo, un subsistema de detección basado en ToF requiere una cuidadosa integración de muchos componentes electroópticos, como una fuente de luz LED adaptada, lentes, filtros ópticos y un generador de imágenes. Seleccionar y montar estos componentes requiere amplios conocimientos eléctricos, mecánicos y ópticos.

Para minimizar estas dificultades, Analog Devices ofrece el módulo ToF ADTF3175 (Figura 3). Esta unidad completa cuenta con un generador de imágenes ToF indirecto CMOS de 1 megapíxel (MP). También integra una lente y un filtro óptico de paso de banda de 940 nm para el generador de imágenes, una fuente de iluminación infrarroja con óptica, un diodo láser, un controlador de diodo láser y fotodetector, memoria flash y reguladores de potencia para generar tensiones de alimentación locales.

Figura 3: El módulo ADTF3175 incluye todos los elementos electrónicos, mecánicos y ópticos necesarios para un subsistema ToF completo. (Fuente de la imagen: Analog Devices Inc.)

La salida de datos de la nube de imágenes del sensor ADTF3175 de 1024 × 1024 píxeles (con un campo de visión (FOV) de 75° × 75°) se envía al sistema anfitrión a través de una interfaz en serie para cámaras 2 (CSI-2) de cuatro líneas Mobile Industry Processor Interface (MIPI) que funciona a 1.5 gigabits por segundo (Gbits/s) por línea. La programación y el funcionamiento del módulo se controlan a través de una interfaz periférica serie de cuatro hilos (SPI) y una interfaz I²C. El rango de profundidad es de 0.4 a 4 metros (m) con una precisión de profundidad de ±5 mm en todo el rango de profundidad.

Un procesador de señal de imagen de profundidad ADSD3500 asociado convierte los datos sin procesar de resolución megapíxel del ADTF3175 para producir marcos de datos finales de profundidad radial, brillo activo (AB) y confianza. Esto garantiza una baja latencia con altas frecuencias de cuadro, lo que permite a la cámara captar con precisión objetos en rápido movimiento y al robot tomar decisiones a tiempo y proporcionar análisis precisos en entornos industriales que cambian dinámicamente.

Para facilitar la configuración e implementación del módulo, Analog Devices ofrece el kit de evaluación del sensor ToF 3D EVAL-ADTF3175D-NXZ (Figura 4). Este kit de código abierto incluye el módulo ADTF3175, una unidad de procesamiento numérico de terceros para aplicaciones integradas de inteligencia artificial (IA) y aprendizaje automático (ML), una placa de interfaz de cámara, una placa adaptadora de intercalador y un trípode.

Figura 4: El kit de evaluación EVAL-ADTF3175D-NXZ proporciona el procesamiento, los conectores y el trípode necesarios para facilitar el diseño del sensor ToF ADTF3175. (Fuente de la imagen: Analog Devices Inc.)

3: IMU: Como el efector final del robot (agarre) es libre de moverse en cualquier lugar dentro de su zona tridimensional prescrita, es fundamental conocer tanto su ubicación como su orientación en ese espacio. Una forma de hacerlo es utilizar codificadores en cada articulación y combinar sus resultados mediante transformaciones de coordenadas y ecuaciones matriciales. Sin embargo, esto requiere múltiples codificadores multieje y aporta complejidad computacional.

Una alternativa atractiva es utilizar una IMU de seis grados de libertad (6 DoF) que combine un acelerómetro de tres ejes (triaxial) y un giroscopio de tres ejes. La IMU de sistemas microelectromecánicos (MEMS) en miniatura ADIS16500 (Figura 5, izquierda) ofrece esta capacidad en un diminuto encapsulado de 15 × 15 × 5 mm con salida SPI. La placa de evaluación ADIS16500/PCBZ asociada (Figura 5, derecha) mide 33.25 mm × 30.75 mm. Esta placa sirve principalmente como placa de interconexión para facilitar las conexiones de cableado a través de un conector de 16 patillas (2 × 8) y 2 mm de paso al completo sistema de evaluación EVAL-ADIS2Z.

Figura 5: El diagrama de bloques de alto nivel del ADIS16500 (izquierda) sólo da una idea de la integración interna y la sofisticación de esta IMU de 6 DoF; la placa de conexión ADIS16500/PCBZ asociada (derecha) sirve principalmente como interfaz de conexión física con el sistema de evaluación EVAL-ADIS2Z. (Fuente de la imagen: Analog Devices Inc.)

Los giroscopios digitales presentan un rango dinámico de ±2,000° por segundo (˚/s), mientras que los acelerómetros digitales ofrecen un rango dinámico de ±392 m/s². Cada sensor inercial del ADIS16500 se combina con el acondicionamiento de señal que optimiza el rendimiento dinámico.

Además, como los giroscopios y los acelerómetros tienen fuentes de error inherentes únicas, la calibración de fábrica se utiliza para caracterizar cada sensor en términos de sensibilidad, sesgo, alineación, aceleración lineal (sesgo del giroscopio) y punto de percusión (ubicación del acelerómetro). Como resultado, cada sensor tiene fórmulas de compensación dinámica que proporcionan mediciones sumamente precisas del sensor en un amplio conjunto de condiciones.

4: GMSL: A la hora de fusionar todos estos bloques funcionales en un brazo robótico, hay que tener en cuenta una serie de consideraciones importantes: deben estar conectados entre sí y, sobre todo el módulo ToF, generan una gran cantidad de datos en los que el tiempo es un factor crítico. La interfaz GMSL resuelve estas situaciones. Desarrollado originalmente para automoción, el GMSL ha sido adoptado por aplicaciones como la robótica, ya que admite las altas velocidades de transmisión de datos necesarias en un solo cable.

Por ejemplo, el deserializador MAX96724, en un paquete TQFN de 8 × 8 mm, convierte cuatro entradas GMSL 2/1 en 1, 2 ó 4 vías MIPI D-PHY o C-PHY (Figura 6). Este dispositivo de 6 Gbit/s, cuatro entradas y dos salidas permite transmisiones bidireccionales de transmisión simultánea a través de cables coaxiales de 50 ohm (Ω) o de par trenzado apantallado (STP) de 100 Ω. El dispositivo admite hasta cuatro sensores situados a distancia.

Figura 6: El deserializador MAX96724 convierte cuatro entradas GMSL 2/1 en 1, 2 ó 4 rutas MIPI D-PHY o C-PHY. (Fuente de la imagen: Analog Devices Inc.)

Cada enlace serie GMSL2 funciona a una velocidad fija de 3 Gbps o 6 Gbps en sentido de avance y 187.5 Mbits/s en sentido inverso. El enlace también puede adaptar automáticamente las características del receptor de trayectoria directa para compensar las pérdidas de inserción y de retorno del canal; estas pérdidas vienen determinadas en gran medida por los cables, los conectores, los efectos de la temperatura y las propiedades de la placa de circuito impreso (placa CI). El MAX96724 admite tanto la agregación como la replicación de datos de video, lo que permite combinar secuencias procedentes de varios sensores situados a distancia.

Son dispositivos complicados de configurar y utilizar. Analog Devices facilitó la tarea con el kit de evaluación MAX96724-BAK-EVK# (Figura 7). Este kit proporciona un diseño probado y una plataforma fiable para evaluar los dispositivos MAX96724 utilizando cables coaxiales FAKRA estándar (un conjunto de cable/conector resistente utilizado en automoción y otras aplicaciones) o un cable MATE-AX (una versión miniaturizada de los cables FAKRA).

Figura 7: El kit de evaluación MAX96724-BAK-EVK# es una valiosa herramienta para implementar un diseño basado en el altamente sofisticado MAX96724. (Fuente de la imagen: Analog Devices Inc.)

El kit EV incluye una interfaz gráfica de usuario (GUI) fácil de usar compatible con Windows 10® o superior para ejercitar las características del dispositivo.

Conclusión

Los sistemas robóticos montados de última generación requieren una cuidadosa integración de múltiples tecnologías para funcionar con la velocidad, la precisión y la flexibilidad necesarias. Al usar diversas tecnologías, como el servocontrol avanzado, las imágenes ToF y las IMU, todas ellas conectadas mediante un GMSL, pueden implementar e integrar la funcionalidad necesaria. Analog Devices ofrece los componentes necesarios junto con unidades de evaluación para acelerar el proceso de diseño y minimizar el riesgo y la incertidumbre.

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1. Seminario web: "Robótica con GMSL™: Visión y percepción de alta velocidad en tiempo real"
2. Analog Devices, "Diseño del sistema de tiempo de vuelo—Parte 1: Visión general del sistema"