作者：Aharon Etengoff

投稿人：DigiKey 北美編輯

現代工業(yè)機器人系統(tǒng)依賴于日益復雜的基礎設施，以支撐持續(xù)演進的人工智能 (AI) 和機器學習 (ML) 功能、無縫互聯(lián)以及在工廠范圍內的可擴展部署。這些系統(tǒng)需要傳感器、安全硬件、電路保護和控制組件，以滿足高帶寬、實時響應和嚴格功能安全標準的要求。

本文探討了支撐工業(yè) 4.0 機器人技術的基礎技術，重點介紹 SICK 傳感器、安全解決方案以及 Eaton 的工業(yè)控制組件如何助力實現安全運動控制、自適應系統(tǒng)行為和決定性決策的制定。具體的探討主題包括彈性智能自動化的關鍵推動因素，如感知架構、機器安全合規(guī)性、容錯控制策略以及分布式邊緣自動化網絡的集成。

用于工廠動態(tài)環(huán)境的先進傳感系統(tǒng)

工業(yè) 4.0 機器人通過先進的傳感器實現了在工廠車間內的安全高效運行。雖然處于如光線不斷變化、空氣中存在微粒和機械振動等惡劣工況下，這些傳感器仍必須能夠快速處理實時數據，以準確跟蹤人員、移動機器人和快速移動的裝配線。

機器人平臺集成了多種傳感器模式，以確?？臻g感知和毫秒級響應。傳感器融合算法將這些輸入信息匯集在一起，生成一個實時連貫的機器人運行環(huán)境模型。視覺系統(tǒng)管理物體探測和定位，而安全級激光掃描儀則監(jiān)控禁區(qū)內的違規(guī)接近情況。低延遲飛行時間 (ToF) 傳感器捕捉三維空間數據，從而實現實時路徑調節(jié)和情境感知行為。

機器人還依靠內部傳感器和接觸式傳感器來完善運動控制和交互。包括力/扭矩傳感器和限位開關在內的觸覺傳感器可為抓取、裝配和柔順任務提供反饋。電感式、電容式和超聲波接近傳感器可在不接觸的情況下探測附近的物體，其探測距離通常比 ToF 系統(tǒng)短。編碼器和電位計跟蹤關節(jié)位置和速度，以進行精確的運動規(guī)劃，同時慣性測量單元 (IMU) 測量加速度和角速度，以保持方向和平衡。最后，電氣傳感器監(jiān)測電流和電壓，以評估電機負載并檢測故障。

基于標準的工業(yè)機器人安全

工業(yè) 4.0 機器人必須符合嚴格的國際安全標準，以保護人員和設備的安全。ISO 13849、IEC 62061 和 ISO 10218 這三大標準規(guī)定了工廠車間機器人系統(tǒng)的功能和控制系統(tǒng)安全要求。

ISO 13849 概述了與安全相關的控制組件的設計和驗證標準。該標準采用基于風險的方法，并使用性能等級 (PL) 根據危害嚴重程度、暴露頻率和可能的規(guī)避情況對系統(tǒng)完整性進行分類。IEC 62061 針對電氣、電子和可編程控制系統(tǒng)的功能安全，采用安全完整性等級 (SIL) 來量化所需的風險降低情況。這些標準共同規(guī)定了在安全關鍵型應用中，感知和控制功能的設計、實施和驗證要求。

ISO 10218 標準將這些原則專門應用于工業(yè)機器人，具體涵蓋了針對機器人設計、工作單元布局、系統(tǒng)集成和操作方面的安全要求。其中包括使用安全級傳感器執(zhí)行緊急停止、保護和運動監(jiān)控等任務。這些組件必須達到規(guī)定的性能和可靠性閾值，并通常通過結構化測試和驗證來證明。

ISO 13849、IEC 62061 和 ISO 10218 標準構成了機器人安全標準的核心。其他標準，包括 IEC 60204-1 電氣安全標準和 ISO/TS 15066 人機協(xié)作標準，拓展了安全部署和集成的基本框架。

人機協(xié)作的綜合安全系統(tǒng)

工廠運營商采用 SICK 和 Eaton 等供應商的安全解決方案，以達到功能和機器安全方面的標準。例如，SICK 的 Safe EFI-Pro 系統(tǒng)利用集成傳感器、控制器和執(zhí)行器，支持對固定和移動機器人的安全功能進行實時控制。如圖 2 所示，該系統(tǒng)的關鍵部件 microScan 安全激光掃描儀可在動態(tài)環(huán)境中進行自適應、視情況而定的運動檢測。

圖 2：SICK 的 [microScan3 安全激光掃描儀可]監(jiān)控保護區(qū)域并動態(tài)檢測運動，為工業(yè)環(huán)境中的自適應防護提供支撐。(圖片來源：SICK）

操作員還可以用使用 SICK 的臂端保護裝置 (EOAS)，在機器人工具頭周圍維持一個動態(tài)保護區(qū)域。EOAS 利用 ToF 技術實現了安全的非接觸式人機協(xié)作，且響應時間低于 110 毫秒。

作為這些自動化系統(tǒng)的補充，SICK 還提供手動和周邊安全組件。操作人員可在緊急情況下操作 ES21 緊急停止開關快速使機器停機。STR1 非接觸式安全開關采用 RFID 技術實現防篡改防護監(jiān)控，支持高級編碼并符合 EN ISO 14119 標準。

浪涌和電壓控制的保護策略

協(xié)調機器人安全策略要求既有運動級防護措施，又有可靠的電源控制。Eaton 的瞬態(tài)電壓抑制器可限制臨時浪涌和電壓尖峰，以保護敏感元器件。如圖 3 所示，FAZ-NA 微型斷路器（如 FAZ-C10/2-NA）可抵御過流事件，保護控制線路和輔助元器件。

圖3：Eaton 的 FAZ-C10/2-NA 微型斷路器可保護工業(yè)自動化系統(tǒng)中的控制線路和輔助元器件不受過流事件的影響。（圖片來源：Eaton）

為了支持電氣安全和系統(tǒng)完整性，Eaton 還提供各種電路保護裝置和手動開關，如 BP-SRR 搖臂開關、M22S-WKV-K11 選擇開關和 BP-STE 切換開關，用于控制設備功能和運行模式。

Eaton 的 Power -NTC 浪涌電流限制器 (ICL) 和可復位 PTC 保險絲有助于保護電路在上電和故障條件下不受高浪涌電流的影響。熱保護裝置（如 TJD 熱熔斷器）通過中斷電流來防止緊密集成的機器人系統(tǒng)中出現過度和危險的熱量積聚，從而增加一道重要的安全防護。

容錯和分布式控制系統(tǒng)

工廠機器人系統(tǒng)必須在傳感器故障、執(zhí)行器失靈或網絡中斷的情況下確保運行安全、連續(xù)。制造商依靠分布式故障檢測、隔離和恢復 (FDIR) 架構來最大限度地減少停機時間，提高系統(tǒng)恢復能力。通過將控制邏輯分散到多個節(jié)點并實現本地化故障響應，FDIR 減少了單個組件故障的影響，這有助于防止更廣泛的運行中斷。

這些容錯策略是通過具有實時診斷和內置冗余功能的分布式控制系統(tǒng)來實現的。分布式控制系統(tǒng)通過集成式診斷功能持續(xù)監(jiān)控關鍵組件的運行狀況和性能。冗余傳感器與通信通道可在主系統(tǒng)故障時確?？刂仆暾?，而錯誤處理例程可實現有序停機或切換至預先規(guī)定的安全狀態(tài)。

FDIR 和 Flexi Soft 安全控制器

SICK 的 Flexi Soft 安全控制器突出強調了這些策略。如圖 4 所示，Flexi Soft 通過模塊化擴展和專用于滿足特定系統(tǒng)需求的可配置功能，實現了分布式安全邏輯，從而可支持基于 FDIR 的工業(yè) 4.0 機器人技術。

圖 4：SICK 的 Flexi Soft 安全控制器可實現分散式安全邏輯和模塊化擴展，從而在工業(yè) 4.0 機器人系統(tǒng)中實現分布式容錯控制。（圖片來源：SICK）

SICK 的工業(yè)級傳感器——包括編碼器、壓力傳感器、光電傳感器和 Ranger3 等機器視覺相機——可為分布式機器人系統(tǒng)提供關鍵的信息反饋。這些集成在關鍵控制點的傳感器可支持實時監(jiān)控、動態(tài)定位、目標檢測和系統(tǒng)級診斷。這樣，就能在分布式環(huán)境中進行早期故障檢測、本地化響應和持續(xù)運行。

基于邊緣的感知和監(jiān)測，用于實現更智能的自動化

工業(yè) 4.0 機器人技術越來越多地利用邊緣級感知和監(jiān)控功能來提高系統(tǒng)洞察力、響應速度和自主性。現在，先進的機器人系統(tǒng)不再將所有數據發(fā)送到中央平臺進行處理，而是在傳感器或設備層面執(zhí)行更接近邊緣的關鍵分析。這樣就能更快地發(fā)現故障，更有效地做出決策，并提高網絡的中斷恢復能力。

工業(yè)相機和電路監(jiān)控器等邊緣設備會把就地智能擴展到控制邏輯之外。這類設備會實時采集環(huán)境與運行數據，從而提供會影響安全、質量及運行時間的設備級可視性。這種平臺可減少延遲，緩解帶寬需求，并改善分布式機器人系統(tǒng)之間的協(xié)調。

邊緣計算和嵌入式智能

這些基于邊緣的戰(zhàn)略已在 SICK 的 SensingCAM SEC100 等產品中落地，該產品可為工業(yè) 4.0 機器人技術提供邊緣級圖像捕捉和分析功能。如圖 5 所示，該產品可提供高分辨率流媒體和事件觸發(fā)式視頻記錄，用于物體識別、流程監(jiān)控和質量檢測。

圖 5：SICK 的 SensingCAM SEC100 提供邊緣級圖像捕捉和分析功能，可在機器人檢測應用中實現實時監(jiān)控和視覺診斷功能。（圖片來源：SICK）

工業(yè)相機可實時查看盲點和檢測動態(tài)區(qū)域，通過捕捉觸發(fā)事件前后的圖像數據，來支持根本原因分析。

SEC100 可輕松與現有的機器視覺系統(tǒng)集成在一起，并支持持續(xù)監(jiān)控，且不會給中心資源造成過大負擔。該產品還能針對質量文檔生成可視化記錄，如包裝驗證和組件裝配跟蹤等。SEC100 嵌入到機器層面，使智能化視覺更靠近操作點。

向本地化處理和實時洞察力的技術轉變，也延伸至設施級能源監(jiān)控。如圖 6 所示，Eaton 的 [PXBCM-DISP-6-XV] 觸摸顯示屏與 [Power Xpert 分支電路監(jiān)視器] 相連接，在面板層面實現電壓、電流和功率的實時可視化。

圖 6：Eaton 的 PXBCM-DISP-6-XV 觸摸顯示屏可實現電壓、電流和功率數據的面板級實時可視化，以支持預見性維護和能源優(yōu)化。（圖片來源：Eaton）

該顯示屏適用于包括機器人工作單元在內的各種工業(yè)系統(tǒng)，有助于操作認員識別異常情況、檢測故障并優(yōu)化能源使用。該顯示屏支持預見性維護，并通過現場訪問電路級診斷來提升運行可視度。

工業(yè) 4.0 機器人技術的系統(tǒng)級戰(zhàn)略

為了安全高效地運行，工業(yè) 4.0 機器人系統(tǒng)需要能夠統(tǒng)一感知、安全、控制和網絡化的部署策略。傳感器和安全組件必須達到嚴格的標準要求，同時能在分布式環(huán)境中實現自適應保護和實時響應。要保持不同工廠系統(tǒng)之間的性能一致，取決于開放標準和多協(xié)議通信，以確?；ゲ僮餍院涂蓴U展性。

控制組件必須在邊緣處理大量數據，并與監(jiān)控系統(tǒng)建立安全、低延遲的連接。協(xié)調分布式節(jié)點的處理和反饋，需要精確的同步和定時功能。確定性協(xié)議、低抖動信號路徑和時間感知控制環(huán)路有助于在動態(tài)條件下保持可預見性的行為。容錯架構支持安全的回退狀態(tài)和連續(xù)運行，而將本地化控制與集中監(jiān)督相結合的系統(tǒng)則實現了靈活、可重新配置的生產流程。

結束語

從傳感器融合、功能安全到邊緣計算和容錯控制，工業(yè) 4.0 機器人技術依賴于緊密集成的系統(tǒng)，以確保在復雜環(huán)境中實現安全、可靠且可快速響應的運行。DigiKey 供應商（如 SICK 和 Eaton）提供的解決方案有助于統(tǒng)一感知、電源保護和控制基礎設施，從而推動可擴展部署、標準合規(guī)性和自適應性能。