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解决指南
服务机器人广泛应用于各种情况,如物流/运输、安全、清洁、家务、业余爱好/娱乐和护理/援助。由于服务机器人用于广泛的情况,因此需要满足许多要求,如与人类的顺畅沟通(HMI),从而确保安全和对实时变化进行反应。在服务机器人中,传感器的作用非常重要。在本文中,我们将以真空吸尘器机器人 为例。

TDK用于“真空吸尘器机器人”的产品

真空吸尘器机器人使用各种各样的传感器。检测位置的“运动传感器”、识别声音的“麦克风”、检测集成箱什么时候满的“气压传感器”、检测障碍物的“超声波TOF传感器”、检测室内环境的“气体传感器和温度传感器”、检测蓄电池电流的“电流传感器”、检测角度和位置的“霍尔传感器”和“TMR传感器”等。此外,嵌入式电机控制器被设计用于小型有刷、步进或无刷电机的驱动,可在最终应用中将集成MCU用作二级微控制器。
TDK还提供附加的传感器解决方案,支持特定的应用需求。

图1:示意图块——真空吸尘器

地面类型、陡坡和障碍物检测

地板类型、陡坡和障碍物检测应用程序被开发用来展示和使用TDK的超声波飞行时间距离传感器CH101CH201的能力。

CH101CH201是小型化超低功率超声波飞行时间(ToF)距离传感器。 CH101CH201分别对距离最远为1.2米和5米的目标进行精确的距离测量。传感器使用超声波脉冲回波测量,在任何照明条件下都可工作,包括全日光条件,进行不受目标颜色和光学透明度影响的距离测量,精确到毫米。传感器 宽视场(FoV)允许同时对FoV中的多个物体进行距离测量。

地板类型检测应用程序展示使用来自CH101模块的信号测量值进行的地面类型传感。该应用程序使用反射超声波信号的平均振幅来确定目标表面是“硬的”还是“软的”。

存在检测应用程序展示了如何使用运动检测来确定人和物体的存在。存在检测应用程序可以使用任何一个传感器进行监视和运行。

陡坡检测应用程序显示了使用CH101模块进行陡坡传感情况,它可以使用一个或多个CH101传感器进行配置和操作。

上面的应用程序可用于各种机器人产品,如无人机、真空吸尘器、自主移动机器人(AMR)、类人机器人或协作机器人。

图2:地面类型、陡坡和障碍物检测

超声波传感基础知识

地面检测 障碍物检测 掉落/陡坡检测

RoboVac(软件解决方案)

RoboVac软件是专门为在真空吸尘器机器人应用中的高级6轴运动传感器ICM-42688-P开发的。它是一个利用ICM-42688-P的性能,对MEMS运动传感器已知的弱点进行补偿的启用软件。
下面是TDK RoboVac软件可实现的一些主要功能:

・ 利用ICM-42688-P高分辨率(20位)、精确采样(RTC)和稳定性(VLN),融合6轴数据,为机器人路径规划确定精确稳定的前进方向。
・ 在机器人打开后、准备出发之前,进行初期传感器偏置校准。
・ 估计随时间和温度变化的融合降低程度,指示主机停止,进行动态校准。
・ 动态校准随时间变化的传感器偏差漂移,时刻对温度进行动态校准。

图3:ICM-42688-P

ICM-42688-P (特别适合机器人运动追踪应用的高性能6轴IMU)

  • ・ 6轴MEMS运动传感器
  • ・ 不同于其他任何产品,性能行业领先
    噪声、灵敏度、随时间和温度变化的偏置稳定性
  • ・ 可进一步提高应用程序性能的独特功能
    与RTC同步的样本,20位ADC,最高32kHz ODR
  • ・ 功耗低
    在低噪声模式下的A+G:880µA
    在低功率模式下的A: <50µA
  • ・ 包装尺寸小
    2.5 x 3.0 x 0.91mm LGA-14
关键参数 ICM-42688-P 注释
陀螺仪 灵敏度误差(%) ±0.5 陀螺仪中最关键的参数
灵敏度温度系数 (%/°C) ±0.005 动态温度变化范围大的应用的关键参数
零速率偏移量(dps) ±0.5
(车载水平)
越小则越容易进行初始校准,甚至可以消除
零速率偏移温度系数 (dps/°C) ±0.005 越小则受温度变动的影响越小
噪声密度 (dps/√Hz) 0.0028 机器人技术应用的关键参数
加速度计 灵敏度误差(%) ±0.5
灵敏度温度系数 (%/°C) ±0.007
零加速度偏移量(mg) ±40
(车载水平)
越小则越容易进行初始校准,甚至可以消除
零加速度偏移量温度系数(mg/°C) ±0.15 越小则受温度变动的影响越小
噪声密度 (dps/√Hz) 75 机器人技术应用的关键参数
图4:传感器融合和正在使用的校准软件对机器人前进方向跟踪确实很重要
  • 一般的6轴传感器融合与校准

VS

  • TDK RoboVac(软件解决方案)
  • ・同类最优融合
  • ・使用智能校准
  • ・全面技术支持
    这些都为集成和微调提供支持
图5:RoboVac算法描述
  • ・IMU加速计、陀螺仪和温度测量值(来自ICM-42688-P)输入到RoboVac
  • ・RoboVac算法:
    评估主机应用程序的四元数以控制机器人的移动
    校准传感器误差(偏置漂移),以保持准确的前进方向估计
    在需要新的校准时命令机器人停止
    处理数据的速率:1000Hz、200Hz、100Hz
  • ・为进行可能需要的校准,主机提供机器人状态,作为给RoboVac的输入
  • ・规格:≤10度/小时
  • ・执行情况概述
    初始校准仅运行一次
    每5~10分钟暂停一次
    校准持续1~2秒的时间
    校准期间拒绝移动

“集尘箱满”检测

使用压力传感器 ICP-10101监测通过集尘箱的气流来估计集成箱内的粉尘水平。与集尘箱空时集尘箱内的气压相比,由于吸入灰尘增加或过滤器堵塞,气流停滞时,集尘箱内空气压力开始下降。
为了消除局部环境影响(如暖通空调),更准确地进行检测,建议使用类似的压力传感器测量外部空气压力,检测压差。

图6:集尘箱满检测

・使用压力传感器监测通过集尘箱的气流

・识别装满的集尘箱或堵塞的过滤器

・可以选择第2个压力传感器,用于消除暖通空调等的局部环境影响来改善 解决方案。

图7:评估结果 ICP-10101

嵌入式电机控制器

来自TDK的HVC柔性伺服驱动系列产品能够经济地实现高性能紧凑型电机控制。全新的HVC4422F提供了扩展的内存,以满足OEM的诊断要求,并允许在高温环境下运行。集成MPU支持RTOS要求。HVC控制器由一个32位CPU内核(ArmCortex-M3)驱动,经济地解决了机器人市场和其他行业(工业、消费者、仪器等)日益增长的挑战。这款产品的柔性外设为直接控制有刷、步进(双相或三相)或无刷(BLDC)电机提供所有方式。

HVC系列产品还提供了一个32k字节大小的闪存程序存储器(HVC4222/4223)或64k字节闪存程序存储器(HVC4420F/4422),在代码开发、生产升级和系统内固件更新方面具有很高的灵活性。

图8:HVC的特点

用于小型电机的完全集成单片电机控制解决方案单片机+驱动

  • ・ 灵活用于带传感器或无传感器步进、有刷和无刷直流电机控制。
  • ・ 实现复杂控制方案的高性能。
  • ・ 外部组件的数量最少。
  • ・ 支持系统诊断例行程序。
  • ・ 开发时间短。
    ¬开发工具和应用备注易于使用
    ¬运行演示完整
    ¬固件包通过专业汽车认证
    ¬在不同应用之间简单配置和重新使用
图9:块图 - 系统架构
产品 软件包 订购代码 接口 温度范围: 备注
HVC 4222F QFN40 HVC4222F-DL LIN, UART, SPI -40°C - 160°C 32k闪存, 2k RAM,
TA = 150 °C
HVC 4223F QFN40 HVC4223F-DL LIN, UART, SPI -40°C - 150°C 32k闪存, 2k RAM,
TA = 125 °C
HVC 4420F QFN40 HVC4420F-DL LIN, UART, SPI -40°C - 150°C 64k闪存, 4k RAM
集成MPU
TA = 125 °C
HVC 4422F QFN40 HVC4422F-DL LIN, UART, SPI -40°C - 160°C 64k闪存, 4k RAM
集成MPU
TA = 150 °C

用于机器人技术的温度传感器

在机器人技术中,TDK的传感器用于监测温度,这对控制各种功能至关重要。
TDK通过广泛的产品组合对高精度的温度检测提供支持。

带引线的NTC元件
可提供高可靠玻璃封装的NTC元件,有响应时间短的径向引线型和易于处理的刚性轴向引线型。另外,还可选择NTC头涂层、高绝缘防潮引线,以及有利于简化安装工艺的引线加工。

可结合的NTC芯片
可结合的NTC芯片旨在用于半导体器件,其中,电线结合用于给固定电池状态和机器人产品的电机控制器充电。这些传感器直接安装在智能电源模块中,监测电源半导体连接点的温度。

图10:NTC热敏电阻产品概述
玻璃封装 树脂涂层 可接合
类型 径向引线 轴向引线 微传感器 全新迷你传感器 芯片
图片
类型
(零件编号)
G15*0/G15*1
(B575*0G1*/B575*1G1*)
NTCDS/NTCDA
/NTCDE/NTCDZ
S864
(B57864S*)
L862
(开发中)
S860
(B57860S*)
特点
  • 响应时间非常短
  • 尺寸小
  • 硬质引线,容易操作
  • 耐湿性改善
  • 响应时间短
  • 无引线
  • 温度容许差小
  • 长期稳定性极强
  • 耐热冲击性强
  • 无引线
  • 获得UL认证(E69802)
  • 上下表面金属镀层(金或银)
  • 有高耐温性等级
温度范围 -40 °C 至 300 °C -40 °C 至 250 °C -55 °C 至 155 °C -55 °C 至 155 °C -40 °C 至 150 °C
引线
  • 杜美丝(包铜FeNi)
  • 用于的电气绝缘,玻璃主体和引线可选绝缘涂层,(G15*1),最高到260ºC
  • 可选引线间距
  • 镀镍CP线,可提供镀锡线
  • 可选引线折弯(NTCDA、NTCDE)
  • 绝缘或减少应力的可选涂层(NTCDZ),最高到160ºC
  • 绝缘镀银镍线 AWG30
  • 绝缘镀银镍线
  • 无引线
  • 可接合NTC芯片
包装 散装、编带 散装、编带折叠 散装 散装、编带 胶带上
(在8英寸框内)

多层芯片NTC
SMD芯片NTC对车载温度检测和温度补偿非常理想,有3216到0402的尺寸系列。也适用于导电粘合剂。
>>链接至芯片NTC热敏电阻选择指南

温度传感器组件/系统
为了直接或间接地通过IGBT、电容器、机器人技术中的线圈等散热来监测温度,拧入式或旋入式传感器是很成熟的解决方案,因为它们可以很容易地安装到专用组件上。并且气温传感器可以很好地检测冷却空气温度,改变冷却风扇的方向。
除了标准零件编号,关于NTC特性安排、引线长度/端子处理等事宜,请与我们联系。

图11:NTC传感器组件/系统的产品概要
拧入式传感器 旋入式传感器 气温传感器 盒式传感器
类型 K45 M703/M1703 NTCGP(接线片) M500 NTCGP(树脂封装) NTCRP
图片
特点
  • NTC热敏电阻封装在拧入式铝壳中
  • 绝缘电压Vins >2500Vac/1s
  • 通过拧入式外壳相形成好的热耦合(M3螺纹)
  • 镀锡黄铜引线
  • 符合RoHS
  • NTC热敏电阻封装在带电缆出口的金属标签盒中
  • 绝缘电压Vins>2700Vac/1s(根据要求可以更高)
  • 通过金属标签形成良好的热耦合
  • 快速简单的旋入式安装
  • 符合RoHS
  • 环氧树脂封装的NTC热敏电阻连接到金属接线片
  • 可使用紧固螺钉固定,可对安装表面进行稳定的温度检测。
  • 静油中的响应时间最长为6秒。
  • 不含铅
  • 符合RoHS
  • 带环氧树脂封装的热敏电阻和聚氯乙烯绝缘线
  • 气流中的响应时间约为20秒
  • 绝缘电压Vins>1250Vac/1s
  • 符合RoHS
  • 用环氧树脂封装的NTC热敏电阻
  • 镀锡并列聚氯乙烯绝缘线
  • 静油中的响应时间最长为6秒。
  • 不含铅
  • 符合RoHS
  • 用玻璃封装的NTC热敏电阻被装在很小的树脂外壳中
  • 在恶劣的环境下具有优良的高可靠性
  • 运行温度高达200℃
  • 不含铅
  • 符合RoHS
温度范围 -10 °C 至 +125 °C M703: -20°C 至 125°C
M1703: -10°C 至 260°C
(传感器头)
-40 °C 至 +125 °C -30 °C 至 +100 °C -55 °C 至 +105 °C -40 °C 至 +200 °C
标准尺寸

RoboKit

TDK RoboKit是一个全新的开发工具包,可实现TDK专门为机器人技术市场设计的解决方案的无缝集成。
RoboKit集成了很多关键TDK产品,如ICM-42688-P6轴惯性测量单元(IMU)、 ICP-10111电容式气压传感器、 ICS-43434多模数字麦克风、CH101和CH201超声波飞行时间(ToF)传感器、Micronas电机控制器、角度传感器和压力传感器。
TDK提供满足机器人技术市场的严格需求的解决方案,如:除了使用Micronas电机控制器进行的机器人联合控制,还有使用InvenSense IMU和RoboVac软件、小于每小时10度的前进方向精度;来自Coursa Drive、已做好市场准备的惯性导航系统(INS);使用Chirp超声波ToF传感器、在所有照明条件下检测任何颜色物体的强大障碍物检测能力。还包括一个温度传感器和一个磁力计。
TDK RoboKit软件还与领先的操作系统ROS集成到了一起。现在可提供用于IMU和超声波距离传感器的带ROS的驱动程序。

>>链接至InvenSense (RoboKit)