Roboty humanoidalne szybko przechodzą transformację od prototypów koncepcyjnych do praktycznych narzędzi w różnych branżach, napędzane postępem w dziedzinie AI, robotyki i znacznymi inwestycjami dużych firm technologicznych. Ta ewolucja zmienia sektory takie jak opieka zdrowotna, produkcja i pomoc osobista, pozycjonując roboty humanoidalne jako integralny element przyszłej siły roboczej.
Rewolucja sprzętowa AI
Platformy sprzętowe AI, takie jak Nvidia Jetson, procesory Dragonwing serii IQ9 Qualcomm i Synaptics SL1680, zapewniają wydajność i energooszczędność obliczeniową niezbędną do percepcji w czasie rzeczywistym, realizowania ruchu i podejmowania decyzji w robotach humanoidalnych.
Dragonwing serii IQ9 to nowo wprowadzona, wydajna platforma SoC do zastosowań w robotyce i przemyśle o długiej dostępności, zapewniająca małe zużycie energii w przetwarzaniu brzegowym, a jednocześnie oferująca wydajność do 100 TOPS. Zawiera ona również specjalizowane rdzenie przetwarzania czasu rzeczywistego, zarządzające procedurami krytycznymi dla bezpieczeństwa, niezbędnymi do bezpiecznego działania robotów w pobliżu ludzi, a wbudowany blok ISP, umożliwia jednoczesne podłączenie do 16 kamer o wysokiej rozdzielczości.
Ten SoC może wykorzystywać sygnały z kamer i czujników do wykrywania i rozpoznawania obiektów, planowania ścieżki ruchu i innych zadań nawigacyjnych i decyzyjnych robota, a jednostka NPU jest wystarczająco wydajna, aby obsługiwać modele językowe, takie jak Llama2, umożliwiając ludziom naturalną interakcję z robotami.
Z kolei platforma SL1680 firmy Synaptics oparta jest na czterordzeniowym, 64-bitowym rdzeniu ARM Cortex-A73. Zawiera jednostkę NPU o wydajności 7,9 (TOPS), zaawansowany procesor graficzny (GPU) oraz akcelerator multimediów. Idealnie nadaje się do sterowania w domu i przemyśle, urządzeń inteligentnych, bramek bezpieczeństwa, systemów digital signage, wyświetlaczy, systemów POS i skanerów.
Te architektury wymagają zaawansowanych rozwiązań zasilania rdzeni, aby móc zapewnić wydajność obliczeniową i przetwarzanie danych w czasie rzeczywistym. Systemy te wymagają wielofazowej regulacji napięcia, dynamicznego skalowania mocy oraz niskoszumowego i wysokosprawnego konwertera, aby utrzymać stabilność wydajności. Wraz ze wzrostem intensywności przetwarzania, systemy zasilania muszą zapewniać wydajność termiczną, szybką reakcję na zmiany obciążenia i bezproblemową integrację z akceleratorami AI, aby uniknąć wąskich gardeł lub przegrzania.
Tradycyjne rozwiązania zasilania platform SoC wykorzystują analogowe kontrolery PWM, dyskretne MOSFET-y oraz obwody pomiaru prądu i temperatury (rys. 1). Wymagają one wielu komponentów zewnętrznych, co podnosi koszty, obniża niezawodność w niektórych zastosowaniach i wymaga większej płytki PCB. Może to powodować brak elastyczności projektowej i skalowalności, co jest kluczowym wymogiem dla układów SoC stosowanych w aplikacjach HPC (High Performance Computing). Rysunek 2 przedstawia nowoczesne rozwiązanie zasilania rdzenia SoC wykorzystujące cyfrowe kontrolery wielofazowe i monolityczne stopnie mocy DrMOS integrujące sterownik bramki, obwód pomiaru prądu i temperatury. Daje to prostsze rozwiązanie poprzez wyeliminowanie kilku komponentów zewnętrznych.
W ramach serii DrMOS firmy MPS dostępne są tranzystory mocy z obwodami pomiaru prądu i temperatury przeznaczone do konwerterów jedno- i dwustopniowych o napięciu 22 V (MPQ86960) i 6 V (MPQ86760).
Rysunek 3 przedstawia przykładowy wielofazowy kontroler PWM z DrMOS, dostarczający do szyn zasilających prądu o natężeniu od 30 A do 80 A przy jednocześnie kompaktowej konstrukcji i dużej sprawności. Jest to rozwiązanie elastyczne i skalowalne, ponieważ liczbę faz można skonfigurować w zależności od wymaganego natężenia prądu znamionowego danej szyny rdzenia SoC. Cyfrowe sterowniki nie wymagają zewnętrznej kompensacji pętli sprzężenia zwrotnego, co upraszcza prace projektowe i skraca czas rozwoju. Wyposażone są również w pamięć nieulotną (NVM) umożliwiającą konfigurację i rekonfigurację ustawień rejestrów. Dodatkowo, sterownik i przełączniki DrMOS oferują różnorodne funkcje monitorowania i ochrony, które można wykorzystać do implementacji systemowej telemetrii.
Zasilanie robotów humanoidalnych
Nowoczesne platformy robotyczne wykorzystują akumulatory litowo-jonowe o napięciu 48 V lub rzadziej 22 V. Zarówno napięcie 48 V, jak i 22 V, wymaga obniżenia, aby zapewnić niezbędne napięcie dla systemów elektronicznych.
Rysunek 3 przedstawia schemat blokowy wysokosprawnego układu zasilania w takim zastosowaniu. Akumulator dostarcza energię przez obwody zabezpieczające na wejściu do dwóch kontrolerów MPQ2967 i czterech stopni DrMOS MPQ86960 w konfiguracji wielofazowej. Umożliwia to podanie do czterech szyn zasilania prądu o wartości od 30 do 80 A. Praca wielofazowa poprawia sprawność konwersji, umożliwia podział prądu na części i daje lepszą wydajność termiczną. Kontrolery mogą komunikować się z układem SoC za pośrednictwem interfejsu I2C lub innego podobnego standardu. Ta konfiguracja idealnie nadaje się do wysokowydajnej robotyki, która wymaga kompaktowego i niezawodnego zasilania.
CODICO GmbH
www.codico.com
tel. 12 417 10 83 20
