科幻小說中，幾代人都以各種方式將機(jī)器人融入社會(huì)，從使我們的生活更輕松、更美好的有益的良性仆人，到試圖滅絕我們的嚴(yán)酷、沒有靈魂的霸主。在所有情況下，故事開始于機(jī)器人取代人完成瑣碎的、重復(fù)的和危險(xiǎn)的任務(wù)，隨著人工智能的出現(xiàn)，它們甚至超過了受過嚴(yán)格訓(xùn)練的人類。

從小小的地板清潔工到送貨機(jī)器人和無人機(jī)，在使用中并不罕見。社會(huì)已經(jīng)準(zhǔn)備好將它們?nèi)谌胛覀兊纳?，特別是當(dāng)它們變得自主、會(huì)話、甚至有自我意識(shí)的時(shí)候。

幾十年來，汽車制造廠、化工廠和工廠的工作機(jī)器人已經(jīng)取代了許多人，并顯示出成本效益和更高的生產(chǎn)力和準(zhǔn)確性，因?yàn)橹圃鞓I(yè)和工業(yè)應(yīng)用一直是機(jī)器人進(jìn)步的驅(qū)動(dòng)力。

雖然購買、編程和將制造機(jī)器人投入工作的初始投資仍然很高，但它們?yōu)橹圃?a href="http://www.htyl001.com/company/" title="公司" target="_blank">公司帶來了許多好處。

隨著人們強(qiáng)調(diào)將制造業(yè)帶回國內(nèi)的愿望，競爭壓力意味著只有機(jī)器人才能以低成本保持高生產(chǎn)力。它們可以一天工作24小時(shí)，沒有休息。他們不休假或放假。它們不請(qǐng)病假（但它們也會(huì)時(shí)常發(fā)生故障）。

關(guān)鍵是，雇用機(jī)器人的制造公司不必支付社會(huì)保險(xiǎn)、失業(yè)、工傷賠償、醫(yī)療保險(xiǎn)、退休費(fèi)等。

隨著固定位置和功能的機(jī)器人被移動(dòng)的、自主的、多功能的學(xué)習(xí)型機(jī)器所取代，能力、安全和成本敏感度變得更加重要。機(jī)器人設(shè)計(jì)者現(xiàn)在面臨著關(guān)于架構(gòu)機(jī)器人和機(jī)器人工作環(huán)境的選擇。

一個(gè)五公斤重的機(jī)器人里裝有十公斤的芯片

傳感器是任何機(jī)器人設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵。它們?yōu)闄C(jī)器提供有關(guān)外部世界的信息。雖然老一代的固定機(jī)器人不需要導(dǎo)航，感知障礙物，知道自己在哪里，并找到備用路線，但新的機(jī)器人需要。因此，許多類型的傳感器必須被實(shí)施、監(jiān)測、優(yōu)先考慮、解釋，并用于確定行動(dòng)。今天設(shè)計(jì)師面臨的問題是如何分配傳感器，同時(shí)保持合理的尺寸和重量。是不是所有的東西都放在機(jī)器人里面？還是機(jī)器人從一個(gè)設(shè)施、無線控制器或云端獲得感官數(shù)據(jù)和指令？

你讓機(jī)器人做的事情越多，它就需要越大。機(jī)器人越重，需要的電池電量就越多。這限制了運(yùn)行時(shí)間、速度和性能，并且由于在充電或更換電池時(shí)需要停止使用而增加成本。

空間是有限的，而重量是敵人。因此，你在環(huán)境中放置的智能越多，需要嵌入到機(jī)器人中的就越少。更小，更快，更多的運(yùn)行時(shí)間，更低的成本。雙贏，對(duì)嗎？嗯，只是到目前為止。

即使有了智能環(huán)境，智能和傳感器也必須被嵌入到每個(gè)機(jī)器人中。容錯(cuò)意味著在發(fā)生通信故障時(shí)，安全不會(huì)受到影響。因此，使用輕量級(jí)的機(jī)載傳感器，如傳感器、視頻攝像頭、溫度和電池電壓傳感器等，是可行的。甚至今天可用的二維激光雷達(dá)技術(shù)也可以集成到一個(gè)低成本、高效率的機(jī)器人中。

像接近或電源問題這樣的故障安全傳感器應(yīng)被優(yōu)先考慮。例如，機(jī)器人可能不知道它被一個(gè)障礙物固定住了，但驅(qū)動(dòng)電機(jī)上的電流傳感器可以迅速檢測到故障，并立即移除電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電源。中央設(shè)施計(jì)算機(jī)或云控制器不能快速反應(yīng)，以防止可能發(fā)生的火災(zāi)。

在工廠或工業(yè)環(huán)境中，無線通信可能是一個(gè)挑戰(zhàn)。制造車間是一個(gè)電子噪音環(huán)境。如果發(fā)生錯(cuò)誤和重試，機(jī)器人可能無法及時(shí)得到所需的信號(hào)以保護(hù)安全。這也可能意味著無線鏈路傳輸更高的功率以獲得可靠的通信。

分布式串行架構(gòu)。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和優(yōu)點(diǎn)

串行通信是在局部或廣大地區(qū)進(jìn)行分布式通信的理想選擇。系統(tǒng)和設(shè)施的設(shè)計(jì)者和管理者對(duì)可以輕松實(shí)現(xiàn)的串行網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)和類型有多種選擇和選項(xiàng)。

以太網(wǎng)是一種可以使用的串行網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。它可以使用Cat5和/或Cat6風(fēng)格的多絞線在一根電纜中進(jìn)行布線。每個(gè)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的以太網(wǎng)連接需要八根線，這增加了成本并降低了可靠性。以太網(wǎng)確實(shí)提供了快速的通信速率和運(yùn)行幾百英尺的能力，并可用作區(qū)域內(nèi)串行網(wǎng)絡(luò)的集線器。盡管如此，它對(duì)噪音或靜電放電（ESD）的免疫力并不特別強(qiáng)，所以它不是機(jī)器位置的一個(gè)好選擇。此外，以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)上的每個(gè)節(jié)點(diǎn)需要更多的處理器資源和帶寬。相比之下，可以使用成本較低的通用異步接收/發(fā)送器（UART）構(gòu)架的異步包構(gòu)架的串行數(shù)據(jù)鏈。

基于UART的串行鏈路也許是最直接和最可靠的。無線串行鏈路即使在最高的電磁干擾（EMI）噪聲和最惡劣的ESD環(huán)境中也是堅(jiān)固可靠的。還有各種驅(qū)動(dòng)器和接收器，可以走幾百甚至幾千英尺，保持一定范圍的數(shù)據(jù)速率。

從結(jié)構(gòu)上看，分布式串行傳感器陣列可以由中央位置控制和監(jiān)測，分布式，或遠(yuǎn)程訪問。這些并不相互排斥。例如，中央計(jì)算機(jī)可以一直運(yùn)行，而后備系統(tǒng)監(jiān)測并在主系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)啟動(dòng)。

串行網(wǎng)絡(luò)中也有點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的靈活性。最簡單和最可靠的結(jié)構(gòu)是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)直接（圖1A）。這是最快速、最直接的鏈接。硬件和/或軟件握手可以保證可靠的數(shù)據(jù)傳輸。

可以配置一串菊花鏈設(shè)備，一個(gè)數(shù)據(jù)鏈路與許多分布式傳感器或執(zhí)行器進(jìn)行通信（圖1B）。數(shù)據(jù)通過每個(gè)節(jié)點(diǎn)，并通過作為直通緩沖器的線路接收器和驅(qū)動(dòng)器返回到啟動(dòng)點(diǎn)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)可以單獨(dú)尋址，也可以同時(shí)訪問，例如 "緊急關(guān)機(jī) "命令的情況。

如果設(shè)備被配置成一個(gè)循環(huán)，那么可以取消直通驅(qū)動(dòng)器，所有數(shù)據(jù)都返回到啟動(dòng)點(diǎn)。對(duì)于一個(gè)串聯(lián)或環(huán)路結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)速率通常被設(shè)置為一個(gè)單一的波特率。如果使用幾個(gè)多端口串行控制臺(tái)控制器，也可以采用樹形配置（圖1C）。如果來自主機(jī)的數(shù)據(jù)速率足夠快，可以提供所有低級(jí)別的數(shù)據(jù)，這允許在串行域中建立多個(gè)傳感器或傳感器區(qū)域。如果不是這樣，以太網(wǎng)連接可以作為最上層的控制臺(tái)服務(wù)器使用。如果傳感器區(qū)被定義為一個(gè)局部的區(qū)域，這可能是一個(gè)有幫助的架構(gòu)。

圖 1：(A) 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)直接連接。(B) 鏈接設(shè)備的環(huán)路或菊花鏈。(C) 樹配置。

除了遠(yuǎn)程分配傳感器和執(zhí)行器外，分布式節(jié)點(diǎn)還可以包括用于安全控制的專用射頻鏈路或RFID掃描儀，以便在機(jī)器人通過特定的關(guān)鍵位置時(shí)向其讀取和寫入數(shù)據(jù)。任何時(shí)候，只要安全冗余可以在幾乎沒有額外成本的情況下被設(shè)計(jì)出來，利用這種安全冗余是明智的。

串行鏈路層協(xié)議的類型

我們大多數(shù)人都熟悉的一個(gè)老古董是RS-232。這種單端物理層方案使用不歸零（NRZ）信號(hào)協(xié)議，將邏輯零表示為正電壓，邏輯一表示為負(fù)電壓。信號(hào)線永遠(yuǎn)不會(huì)停留在地面上。因此，RS-232是相對(duì)穩(wěn)定的，能很好地拒絕噪音和脈沖故障。由于未連接的電線不會(huì)顯示電壓，所以故障檢測更容易。

雖然RS-232可以穿越幾百英尺，但RS-422可以穿越幾千英尺。RS-422為每個(gè)信號(hào)使用一對(duì)差分線。這使得它對(duì)嘈雜的工廠環(huán)境中可能存在的共模噪聲免疫。它需要兩倍的電線數(shù)量，而且不像RS-232那樣常見，后者用于過去的大多數(shù)計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備和調(diào)制解調(diào)器。

RS-485也是一種差分媒介，但也是一種共享媒介。所有RS-485設(shè)備都連接到同一物理線對(duì)。這意味著RS-485設(shè)備只能在半雙工模式下運(yùn)行，而RS-232和RS-422可以在全雙工模式下運(yùn)行。所有RS-485設(shè)備通常具有相同的通信特性，如波特率、奇偶性和停止位。

在適當(dāng)?shù)那闆r下，RS-485也可以跨越幾千英尺，通常用于工廠和工業(yè)環(huán)境。在所有情況下，半導(dǎo)體制造商都為所有這些提供了具有成本效益、設(shè)計(jì)良好、有競爭力的線路驅(qū)動(dòng)器和接收器，并內(nèi)置了ESD和噪聲保護(hù)。

注意，UART框架的異步數(shù)據(jù)包格式，如RS-232、RS-422和RS-485，也被用于汽車領(lǐng)域的控制器區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（CAN）和OBDII控制和傳感器總線中。

較早但流行的Midi接口也使用基于UART的數(shù)據(jù)包協(xié)議。這些信號(hào)技術(shù)被很好地理解，并得到工具和開發(fā)固件的支持。它們是工業(yè)環(huán)境中分布式傳感器和執(zhí)行器的理想選擇，特別是如果可以使用多端口服務(wù)器的話。

媒體服務(wù)器解決方案

多端口控制臺(tái)提供通過IP（如以太網(wǎng)和TCP/IP接入點(diǎn)）訪問的多個(gè)獨(dú)立串行端口。有8個(gè)或16個(gè)端口的RS-232配置，這些端口可以通過適當(dāng)?shù)慕涌谧鳛镽S-485或RS-422使用。

兩個(gè)10/100/1000以太網(wǎng)端口可以支持單個(gè)串口高達(dá)921.6Kbits/sec的數(shù)據(jù)速率的總帶寬，并允許連接到本地計(jì)算機(jī)資源以及遠(yuǎn)程和分布式全球計(jì)算機(jī)和基于云的服務(wù)。

標(biāo)準(zhǔn)的1U機(jī)架安裝配置可以輕松地集成到幾乎任何設(shè)施中。此外，每個(gè)串口保護(hù)方案都有內(nèi)置的15KV ESD保護(hù)。這些控制臺(tái)服務(wù)器作為TCP/IP網(wǎng)絡(luò)和PLC、數(shù)控機(jī)床、衡器、掃描儀以及幾乎任何類型的基于傳感器的系統(tǒng)之間的理想接口。許多可以被原始設(shè)備制造商（OEM）輕松使用的傳感器系統(tǒng)都支持這些串行標(biāo)準(zhǔn)，而控制臺(tái)服務(wù)器允許單獨(dú)連接到這些傳感器。請(qǐng)注意，每個(gè)人都可以有自己的波特率、奇偶校驗(yàn)和停止位配置，簡化了設(shè)置和使用，并最大限度地提高了帶寬，因?yàn)樽盥脑O(shè)備不會(huì)限制更快的設(shè)備。

通過Windows工具、網(wǎng)絡(luò)瀏覽器、Telenet和各種控制臺(tái)進(jìn)行控制，使操作員和程序員能夠輕松地進(jìn)行設(shè)置、操作和監(jiān)控。像SNMP MIB-II這樣的網(wǎng)絡(luò)管理工具也允許操作和監(jiān)控的標(biāo)準(zhǔn)工具集。后部安裝的布線保持了實(shí)施的清潔和可維護(hù)性，便于擴(kuò)展或更新?？梢岳脙?nèi)置的以太網(wǎng)連接實(shí)現(xiàn)各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，創(chuàng)建一個(gè)簡單、低成本、有效的分布式傳感器陣列。

工廠和分布式機(jī)器人傳感器實(shí)例

例如，我們可以把一個(gè)中央計(jì)算機(jī)系統(tǒng)想象成主站，它通過以太網(wǎng)交換機(jī)連接到串行控制臺(tái)服務(wù)器。這為每個(gè)區(qū)域提供了高速帶寬，其中控制臺(tái)控制器充當(dāng)了與各個(gè)傳感器的互連。

在圖2中，一個(gè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的例子是通過更高速的以太網(wǎng)交換機(jī)使用冗余的控制鏈路來路由到本地化的區(qū)域。每個(gè)局部區(qū)域可以利用串行控制臺(tái)服務(wù)器的優(yōu)勢，與我們的機(jī)器人將經(jīng)過的每個(gè)傳感器、射頻鏈路或執(zhí)行器建立直接連接鏈接。

即使主控制器出現(xiàn)故障，也可以建立一個(gè)遠(yuǎn)程或冗余鏈接作為備份、看門狗或故障保護(hù)。這可以是一個(gè)本地的冗余控制器，也可以是一個(gè)遠(yuǎn)程或基于云的監(jiān)測和控制。

圖 2：示例拓?fù)?/p>

結(jié)論

在機(jī)器人的環(huán)境中結(jié)合嵌入式和分布式傳感器，可以是實(shí)現(xiàn)工廠或工業(yè)環(huán)境的最安全和最可靠的方式，將自動(dòng)化提升到新的水平?？梢栽O(shè)置區(qū)域，并對(duì)冗余的安全機(jī)制進(jìn)行監(jiān)控，以確保所有系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

串行端口仍然是分配傳感器和執(zhí)行器的最具成本效益的方式。

幾乎每個(gè)微控制器都有基于UART的通信，OEM和設(shè)計(jì)的傳感器可以很容易地集成到這種類型的網(wǎng)絡(luò)。這也使得機(jī)器人可以被精簡，不那么復(fù)雜，因?yàn)樗鼈兊脑S多職責(zé)可以被卸載到一個(gè)更智能的設(shè)施上。