これまでSF映画にしか登場しなかったロボットが、さまざまな形で一般家庭に浸透しつつある。芝刈りロボットや床掃除ロボットが最も一般的だ。この記事では、家庭用ロボットの現在の開発状況と関連ソリューションを紹介します。
家庭用ロボットが家族の新たなお気に入りに
ロボットとは、「ヒューマノイド」ロボットだけを指すのではなく、独立して動作し、人間の作業を代替できる、さまざまな形状のロボットの総称です。ロボットは当初、主に工場で使用され、重労働や反復作業において人間に代わって働きました。昨今、技術の進歩とコストの低減により、ロボット技術は徐々に一般家庭に浸透しつつあります。例えば、芝刈りロボットや床掃除ロボットは、単調な家事の負担を軽減する人気商品となっています。
一般的な芝刈りロボットや床掃除ロボットは、自動誘導車両ロボット（AGVロボット）に分類されます。自動的に経路を見つけ、自律的に移動してタスクを実行する機能を備えています。レーダー、モーター、コントローラー、各種センサー（赤外線センサー、距離センサー、衝突センサー、落下センサーなど）、電源などの部品で構成されています。もちろん、ソフトウェアにインテリジェントAI機能を統合することで、除草/掃き掃除の範囲を自主的に判断したり、障害物を回避したり、充電に戻ったりすることができ、自動誘導で家事をこなせるロボットは、家庭の新たなお気に入りになるでしょう。AGVロボットアプリケーションに関連する製品はすでに数多く存在します。いくつかの解決策をご紹介します。
芝刈りロボットが人間の面倒な労働に取って代わる
芝刈りは退屈な一年中続く仕事です。芝刈りロボットは、人間の面倒な労働の代わりに、芝生や庭で自律的に移動して、完璧に芝を刈ることができます。STは、芝刈りロボットの車輪や刈刃を動かすためのモーター（3相ブラシレスモーターやブラシ付きDCモーターなど）をはじめ、さまざまなタイプに適した効率的なモーター制御ソリューションの設計に役立つ、高性能なSTM32マイクロコントローラ、パワーMOSFET、ゲートドライバー、統合モータードライバー、一連のハードウェアおよびソフトウェア評価および開発ツールを含むソリューションを発表しました。
さらに、STは、AC-DCおよびDC-DC電力変換およびバッテリ充電ソリューションのシリーズのほか、環境、モーション、近接センサーの幅広いポートフォリオも提供しており、よりスマートな芝刈りロボットの開発に最適です。Integra Sourcesが設計した芝刈りロボットを例に挙げると、Cortex-M4コアを搭載したSTのSTM32F4 MCUシリーズを使用し、ファームウェア開発にはFreeRTOSを使用し、ファームウェア実装にはVisual GDBプラグインを搭載したMicrosoft Visual Studio C/C++ を使用し、回路図とPCB設計にはAltium Designer IDEを使用し、DVPバスを備えたCMOSセンサー (カメラ) を使用します。このデバイスは、WiFiまたは3G接続を使用してクラウド (サーバー) に接続できます。このデバイスの最初のプロトタイプには、基地局との通信用の無線モジュールと、GUI用のタッチ スクリーン付きLCDが搭載されています。正確な位置決めには、GPS、加速度計、ジャイロスコープ、コンパス（磁力計）、コンピューター ビジョン アルゴリズムが使用されます。
この芝刈りロボットにはグラフィックインターフェースがあります。充電にはたった1時間しかかかりません。また、ステータス監視とイベントアラームを備えたインテリジェントな自律ワークフローも備えています。また、物体検出機能も備えており、コンピュータービジョンアルゴリズムを使用して草とその色を識別することができます。加速度計、ジャイロスコープ、磁力計、GPSで構成されたマルチセンサー システムを通じて、芝刈りロボットの位置を検出し、バッテリーが消耗したときに自ら充電します。
完全なソリューションが製品開発を加速
高品質の掃除ロボットや芝刈りロボットには、基本的なエリア清掃や刈り取り機能を実現するために、高効率、長いバッテリー寿命、高い信頼性と堅牢性、そして作業スケジュールの設定やソフトウェアのアップグレードを行うためのスマートフォンとの安全なワイヤレス接続が必要です。
上記の要件に応えて、NXPも関連ソリューションを導入しました。NXPのMCUは、高性能処理と精密なモーター制御、低電力ワイヤレス接続オプション、製品セキュリティの相互認証を備えており、安全で強力かつ効率的なロボット デバイス設計を保証します。
掃除ロボットソリューションとして、NXPはArmベースのi.MX 8Mシリーズを導入しました。® 皮質®-オーディオ、音声、ビデオの処理を担当するA53およびCortex-M4コア、およびArmベースのi.MX RT1050クロスオーバーMCU® 皮質®-M7コア、高性能モーター/電源変換Kinetis KV4x-168 MHz MCU（Armベース）® 皮質®-M4コア、2.4/5GHzデュアルバンド1x1 Wi-Fiの88W8987ワイヤレスモジュール® 5 (802.11ac) とBluetoothの組み合わせ® 5.2ソリューション、または2.4/5GHzデュアルバンド1x1 Wi-FiのIW416ワイヤレスモジュール® 4 (802.11n) とBluetoothの組み合わせ® 5.1ソリューション。JN5189/88 (T) およびQN9090/30は、ホーム エリア ネットワーク (HAN) で使用されます。JN5189/88 (T) は、Zigbee® 用に使用される高性能かつ超低消費電力のMCUで、NFCオプション (Threadプロトコル) が組み込まれています。QN9090/30は、Arm® Cortex®-M4 CPU、エネルギー効率、アナログおよびデジタル周辺機器、NFCタグ オプションを備えた低消費電力Bluetooth MCUです。さらに、ロボットには、PMIC、負荷スイッチ、セキュリティ (EdgeLockディスクリート)、温度センサー、LEDドライバー、加速度計、モーター ドライバー、流量/圧力センサー、リアルタイム クロックなどの部品やコンポーネントも装備されています。
芝刈りロボットに関しては、NXPはArm® Cortex®-M7コアとグラフィックス機能付きi.MX 7ULP超低消費電力プロセッサを搭載したi.MX RT1050クロスオーバーMCU、上記の掃除ロボットで使用されているソリューションと同じ88W8987またはW416ワイヤレス モジュール、およびJN5189/88 (T) HANソリューションを使用しています。さらに、ロボットには、AC/DCコンバータ、PMIC、セキュリティ（EdgeLockディスクリート）、温度センサー、モータードライバー、LEDドライバー、リアルタイムクロックなどのコンポーネントが搭載されています。
AI機能を備えた自律型ロボットソリューション
床掃除ロボットや芝刈りロボットのほか、工場や倉庫、病院などでもさまざまなロボットが活用されています。人工知能と組み合わせたロボットは、職場で認識し、考え、行動する能力を備えています。Nvidiaが導入したIsaacロボット プラットフォームは、AGVや自律移動ロボット (AMR) などのロボットにこのレベルのAIをもたらします。
今日の生産および物流環境はモバイル プラットフォームを特徴としており、衝突やダウンタイムを回避することで柔軟性と効率性が向上し、生産性が向上します。SICKは、堅牢なセンサーとインテリジェントなソフトウェアを備えたNvidiaのIsaacロボット プラットフォームをサポートし、AGVとAMRの安全で自律的かつコスト効率の高い操作を実現します。重要な部分として、移動プラットフォームは状況に応じて走行速度を調整して移動し続けることができ、センサーから提供されるデータは測位やナビゲーションにも使用できます。
SICKのEFI-proセキュリティ システムは、AGV、ロボット、その他の困難なアプリケーションをインテリジェントに保護します。産業用イーサネットをベースとしたEFI-proネットワーク テクノロジーは、あらゆる通信レベルで安全なデータと安全でないデータを迅速に交換および送信できます。EFI-proゲートウェイは中心コンポーネントとして、SICKの革新的なセンサー ソリューションを安全かつ迅速に統合し、EtherNet/IPTM CIP SafetyTMを介してロボット制御をFlexi Soft安全コントローラに直接統合することを保証します。したがって、Safe EFI-proシステムは、Industry 4.0の実装を推進する重要な要因となります。
Safe AGVフォークリフトは、リフトフォークを備えたAGV用の効率的な安全ソリューションであり、駆動輪を備えた自動フォークリフトに簡単に取り付けることができます。安全レーザー スキャナーは、速度や方向に関係なく保護領域を切り替えるため、停止を防ぎ、コンポーネントの摩耗を軽減できます。このソリューションは、標準に準拠した自動ロードとアンロードを防止します。セーフティエンコーダを使用することで、フォークリフトが安全な減速速度で下降する間も車両は走行を継続でき、フォークリフト付きAGVの完全自動かつ安全な操作が可能になります。
レーザー測距センサーによる正確な測距
ロボットアプリケーションにおける重要なコンポーネントの1つは、ロボットの周囲の環境条件を検出するために使用されるさまざまなセンサーです。STが発表したVL53L1Xは、最先端の飛行時間型 (ToF) レーザー測距センサーであり、ST FlightSense™ 製品ラインを強化します。これは市場で入手可能な最速の小型ToFセンサーです。正確な測距距離は4 mに達し、測距周波数は50 Hzに達します。リフローはんだ付け可能な小型パッケージで提供され、統合レンズ付きのシングル フォトン アバランシェ ダイオード (SPAD) 受信アレイ、940 nm不可視クラス1レーザー エミッター、物理赤外線フィルター、および一連のカバー ウィンドウ オプションを通じてさまざまな周囲照明条件下で最高の測距性能を実現する光学コンポーネントを備えています。
従来の赤外線センサーとは異なり、VL53L1XはSTの最新世代のToFテクノロジーを使用しており、ターゲットの色や反射率に関係なく絶対的な距離測定が可能です。また、受信アレイ上の関心領域 (ROI) のサイズをプログラムし、ホストから複数の領域の操作制御を提供して、センサーの視野 (FoV) を縮小することも可能です。
VL53L1Xは、わずか4.9 x 2.5 x 1.56 mmの完全統合型小型モジュールで、高度なデジタル ファームウェアを実行する低電力マイクロコントローラを内蔵しています。このマイクロコントローラは、VL53L0X FlightSense™ 測距センサーとピン互換で、高速かつ正確な長距離測定を実現します。完全なFoVは通常27° であり、多くのカバー ウィンドウ マテリアルの背後に隠すことができます。また、ターンキーレンジング用のソフトウェア ドライバーとコード サンプルも提供しています。単一の電源 (2v8) を使用し、I²Cインターフェイス (最大400 kHz) とシャットダウン ピンおよび割り込み ピンを備えています。
超音波センサーは優れた性能を持っています
測距アプリケーションにおいても、超音波センサーは優れた性能を発揮します。超音波センサーは空気中に超音波を放射し、物体から反射して音波を反射し、センサーで受信します。この技術は、防犯アラームや自動ドアの物体検知、自動車駐車支援システムでの測距、ロボットの測距などに活用できます。
村田製作所は、長年にわたる独自の圧電セラミック技術の継続的な開発により、さまざまな小型高性能超音波センサー製品ラインを商品化できるようになりました。村田製作所は、金属板と圧電セラミックを一体化した振動子と共振器を組み合わせた複合振動体を特徴とするオープンアーキテクチャ超音波センサーをはじめ、さまざまな超音波センサーを発売しています。本体はベース上に弾性的に固定され、ハウジング内に収容される。共振器は漏斗型になっており、振動体で発生した超音波を空気中に効果的に放射し、空気中の超音波を振動体の中心に効果的に集中させます。音圧は、オープンアーキテクチャ超音波センサーの最も重要なパラメータです。測距アプリケーションでは、超音波センサーの音圧が高くなるほど、センサーの範囲が長くなります。
表面実装デバイス（SMD）タイプは、小型化により音圧損失を抑え、中音域を測定します。小型SMD型超音波センサーにより、実装スペースを最小限に抑え、設計の自由度を向上しました。
レーダーは1ミリメートル未満の精度で測距できる
レーダーは、民生用電子機器、ヘルスケア、監視、運転支援、産業用アプリケーションにおける短距離測位やバイタルサイン追跡のための強力なセンサーであることが証明されています。Infineonは、関連アプリケーション向けに革新的なXENSIV™ 60 GHzレーダー センサーも導入しました。サブミリメートルの動きを高速かつ正確に追跡できます。大量生産が可能なチップに搭載されており、モバイル、ウェアラブル、据え置き型など幅広いデバイスで使用可能です。小型フォームファクタと低消費電力を特徴とするInfineonの高度に統合されたレーダー センサー ソリューションは、多くのアプリケーションに革新的で直感的なセンシング機能をもたらします。Radarは既存のアプリケーションをサポートしながら、まったく新しいユースケースを可能にする機能を提供します。水平および垂直の速度、範囲、角度を測定して、正確な位置マッピングと3Dトラッキングを実現します。
ロボット産業は活況を呈しており、製造、物流などの分野で多くの新たな機会を生み出しています。産業用ロボット、協働ロボット、AGVなど、ロボットはますます移動性が高くなり、電子商取引の自動化や物流など、従来のウェハ製造以外の業界にも柔軟性と効率性の大きな可能性をもたらしています。Infineonはロボット アプリケーション向けの完全なソリューションを導入しました。電源管理、モーター ドライバー、通信、環境検知、位置および状態センサー、カスタマイズされた安全性とセキュリティのソリューションなど、Infineonの半導体ソリューションは、今後も幅広いロボットの機能とアプリケーションの重要な推進役であり続けます。
結論
現在、家庭用床掃除・芝刈りロボットは最も人気のある家電製品の一つになっており、市場発展の可能性は驚異的です。この記事で説明するソリューションは、関連製品の設計をスピードアップし、できるだけ早く市場機会を獲得するのに役立ち、さらに理解して参照する価値があります。