​一、机器人手臂控制器行业标准剖析

GB/T 39004—2020《工业机器人电磁兼容设计规范》

GB/T 37283-2019 服务机器人 电磁兼容 通用标准 抗扰度要求和限值

GB/T 39785-2021 服务机器人 机械安全评估与测试方法

GB/T 40014-2021 双臂工业机器人 性能及其试验方法

GB/T 40013-2021 服务机器人 电气安全要求及测试方法

GBZ 41046-2021 上肢康复训练机器人 要求和试验方法

TGDCKCJH 013-2020 工业机器人伺服系统可靠性通用要求

TGDCKCJH 014-2020 工业机器人伺服系统可靠性仿真试验规范

TGDCKCJH 015-2020 工业机器人伺服系统可靠性强化试验方法

TGQDA 00005-2021 机器人控制器加速试验与可靠性指标验证方法

TSSITS 301-2020 工业应用移动机器人 设计通则

1.1 同样在T/ZXCH 0014- 2023标准中，规定了详细的试验方法和检验规则。通过这些标准的试验方法，可以准确测试机器人手臂控制器的各项性能，判断其是否符合技术要求；检验规则则明确了产品的合格判定准则，从原材料检验到成品检验，每一个环节都有严格的规范，保证进入市场的机器人手臂控制器质量可靠，为用户提供稳定、高效的使用体验

1.2 GB/T 37283-2019《服务机器人 电磁兼容 通用标准 抗扰度要求和限值》

 B 级：服务机器人正常工作时，其性能受到一定电磁干扰影响，但仍能满足基本功能要求

 ​国际标准化组织（ISO）标准

ISO 10218-1:2011 ：《机器人与机器人装置 工业机器人的安全要求 第 1 部分：机器人》

ISO 10218-2:2011：《机器人与机器人装置 工业机器人的安全要求 第 2 部分：机器人系统与集成》

ISO/TS 15066:2016：《机器人与机器人装置 协作机器人》

美国标准

ANSI/RIA R15.06-2012：《工业机器人和机器人系统 安全要求》

RIA TR R15.606-2016：美国协作机器人安全标准

欧盟标准

EN ISO 10218-1:2011和EN ISO 10218-2:2011

EN 60204-1：《机械安全 机械电气设备 》

德国

VDI 2057 Blatt 2-2002和VDI 2057 Blatt 2-2012：《人体暴露于机械振动 手臂振动》

DIN EN ISO 13849-1:2016：《机械安全 控制系统的安全相关部件

日本机器人协会（JARA），ISO 13482 是关于护理机器人安全性的国际标准

​二、机器人手臂控制器EMC电磁兼容

2.1 GB/T 39004—2020《工业机器人电磁兼容设计规范》，该标准于中国机械工业联合会规定了工业机器人的示教器、控制柜、机器人本体、印制电路板（PCB）的电磁兼容（EMC）设计要求 2.2 EMC证实方法： 电磁兼容性测试方法：规定了工业机器人电磁兼容性的测试方法和程序，包括测试环境、测试设备、测试项目和测试步骤等 设计过程记录：要求对工业机器人电磁兼容设计的过程进行记录，包括设计文档、测试报告、整改记录等，以便于追溯和验证设计的有效性

2.3 工业机器人在运行过程中会产生大量电磁干扰，同时自身也对外界电磁干扰敏感。如果电磁兼容性处理不当，不仅会影响机器人系统的稳定性和精确性，导致动作偏差、数据传输错误等问题，还可能干扰周围设备的正常工作

2.4 以汽车制造自动化生产线为例，控制机器人手臂的控制系统对电磁干扰非常敏感，一旦受到干扰，机器人手臂可能会出现动作偏差，影响汽车零部件的安装质量。因此，对机器人手臂控制器进行EMC设计与测试，是确保其在各种电磁环境下可靠运行的关键，对于保障工业生产的顺利进行具有重要意义

2.5 EMC抗干扰设计方法

屏蔽  是常见的抗干扰措施，通过使用金属屏蔽材料将设备或电路包围起来，能够有效阻止外部电磁干扰进入，同时防止内部电磁干扰泄漏出去;例如，在工业电缆中，通常会使用金属屏蔽层来保护电缆内部的信号传输不受外界干扰

接地  可以将设备上的电磁干扰电流引入大地，从而降低设备的电磁干扰水平;在工业自动化系统中，会根据设备特点和电磁环境选择单点接地、多点接地等不同的接地方式

合理布局在工业自动化设备的设计和安装过程中，能减少电磁干扰的产生和传播。比如将强电设备和弱电设备分开布置，避免强电设备对弱电设备产生干扰；合理规划电缆的走向，避免电缆之间的相互干扰

滤波  去除电路中的高频干扰信号，在电源电路中，常使用电源滤波器来抑制电源线上的电磁干扰，保证设备获得稳定、纯净的电源

三、机器人手臂控制器常见问题与行业痛点洞察 

技术瓶颈A  机器人手臂控制器的核心部件和关键技术仍存在短缺问题，高性能伺服电机、减速器、控制器等技术壁垒高，突破难度大，限制了机器人整体性能的提升 

技术瓶颈B 智能化、感知能力和适应性仍有待提高。在复杂多变的工作环境中，机器人手臂控制器难以快速、准确地感知环境变化并做出相应调整，无法满足日益增长的多样化应用需求

市场困境   目前机器人行业市场竞争激烈，同质化现象严重，许多企业为了争夺市场份额，大打价格战，导致整个行业利润空间被大幅压缩，企业缺乏足够的资金投入研发和创新，不利于行业的健康发展；机器人企业在市场开拓方面面临诸多困难，一方面，对市场需求的了解不够深入，产品与市场实际需求存在一定偏差；另一方面，缺乏有效的营销策略，难以打开新的市场和客户群体，限制了企业的发展规模和速度

四、为机器人手臂控制器赋能

风扇模块解决方案 , 针对机器人手臂控制器的风扇模块，采用高效散热设计理念，选用高性能的风扇组件，确保在机器人手臂控制器运行过程中能够快速、有效地散发热量, 通过优化风扇的转速控制算法，实现根据控制器的温度实时调节风扇转速，既能保证良好的散热效果，又能降低风扇运行产生的噪音和能耗，提高系统的稳定性和可靠性;音特电子能够提供SS14 ，HL8050

在LED显示模块方面，提供高亮度、高对比度的LED显示屏，能够清晰地展示机器人手臂控制器的各种运行状态信息，如工作模式、故障报警等,确保LED显示屏的显示效果稳定，延长显示屏的使用寿命,音特电子能够提供 SS14 、HL8050

对于BEEP蜂鸣器模块，使其在机器人手臂控制器出现异常情况时，能够及时、准确地发出警报声，引起操作人员的注意，为操作人员提供明确的故障提示，便于及时采取相应的处理措施；音特电子能够提供SS14 ,HL8050

RS485通讯模块具备高抗干扰能力，采用先进的差分信号传输技术，有效减少信号传输过程中的干扰，确保数据传输的准确性和稳定性

     CMZ2012-121T        共模电感，提高EMI性能

    PWR4018A221M      提高电源的品质

    ESDSM712 静电保护，确保安装拔插过程的静电干扰

以太网通讯模块提供高速的网络连接，采用先进的网络芯片和优化的网络驱动程序，确保机器人手臂控制器能够快速、稳定地接入以太网，具备网络自适应功能，可自动识别网络环境并调整通信参数，实现与不同网络设备的无缝对接。同时，支持多种网络协议，满足不同应用场景下的数据传输需求很重要

GDT/SMD1812-091 

或者 GDT/3R090-8L 

区别在于第二级防护，由于千兆网的传输速率更快，对寄生电容值得要求更高，一般推荐 2pF 以下，差分电 

压百兆千兆也有不同，故第二级保护使用的器件也和百兆网不同。音特推荐使用电容只有 0.8pF 的 

ESDLC3V3D3B，封装为 SOD323,或者使用音特电子专为千兆网络定制的 ESDSLVU2.8-4H,封装为 SOP-8,使用方 

法和百兆网上的 ESDSLVU2.8-4 一样

在MCU处理器模块方面，除了选用高性能、低功耗的MCU芯片，具备强大的数据处理能力和丰富的外设资源，能够快速响应各种控制指令，实现对机器人手臂的精确控制，对于MCU的电源供电电源也很关键

音特电子提供  PWR4018A221M      滤波电感

致力成为全球 EMC电磁兼容技术方案及器件供应商 www.yint.com.cn

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工业伺服、控制器人机界面的主要模块

• 显示模块：负责将系统的运行状态、参数信息、操作提示等内容以可视化的方式呈现给用户，如液晶显示屏（LCD）、发光二极管显示屏（LED）
• 输入模块：是用户向人机界面输入指令和数据的通道，常见的有触摸屏、物理按键、旋钮、鼠标、键盘等
• 通信模块：用于实现人机界面与工业伺服、控制器以及其他相关设备之间的数据传输和交互，如串口通信（RS232、RS485 等）、以太网通信、现场总线通信（如 Profibus、Canbus 等）
• 处理模块：对输入的信息进行处理和分析，协调各模块之间的工作，并根据设定的程序和逻辑，控制显示模块展示相应的内容，通常包含微处理器、内存等
• 电源模块：为整个人机界面提供稳定的电力供应，将外部输入的电源转换为适合各模块工作的电压和电流。

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各模块容易出现的问题点

• 显示模块：屏幕显示不清晰、出现花屏、黑屏现象；颜色失真，显示的色彩与实际应显示的色彩不符；背光灯损坏，导致屏幕亮度不足或完全不亮
• 输入模块：触摸屏反应不灵敏或不准确，出现触摸点偏移、部分区域无响应等问题；物理按键按下后无反应、按键粘连，导致误操作；旋钮旋转时卡顿、不顺畅，或者旋转角度与实际输出的信号不匹配
• 通信模块：通信中断，人机界面与伺服、控制器之间无法进行数据传输；通信不稳定，数据传输时出现延迟、丢包、数据错误等现象；通信参数配置错误，导致无法与其他设备建立正确的连接
• 处理模块：系统运行缓慢，操作响应迟钝，导致用户操作后需要等待较长时间才能看到反馈；死机或程序崩溃，人机界面完全无响应，需要重启才能恢复正常；内存不足，导致部分功能无法正常使用或数据丢失
• 电源模块：电源输出电压不稳定，过高或过低的电压可能会损坏其他模块；电源故障，无法正常输出电力，导致人机界面无法启动。

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EMC 电磁兼容常见问题及解决方法

1. 电磁干扰（EMI）辐射问题：设备向外发射的电磁能量超过规定的限值，对周围其他设备产生干扰。解决方法包括优化电路设计，减少高频信号的辐射，如采用合理的布线方式、缩短信号线长度；使用屏蔽技术，对容易产生辐射的部件或整个设备进行屏蔽；安装电磁屏蔽滤波器，抑制电磁干扰信号的传播
2. 电磁敏感度（EMS）问题：设备对外部电磁干扰过于敏感，导致自身工作异常。可选用抗干扰能力强的电子元件和器件；对敏感电路和信号进行隔离和保护，如采用光电隔离、磁隔离等技术；合理设计接地系统，确保设备有良好的接地，降低接地阻抗
3. 电源噪声问题：电源系统中的纹波、尖峰等噪声会影响设备的稳定性和性能。解决措施有在电源输入端和各功能模块的电源引脚处添加去耦电容，滤除高频噪声；采用电源滤波器，对电源进行滤波处理，减少电源中的干扰信号；优化电源电路的布局和布线，避免电源线与信号线平行敷设，减少电源噪声对信号的干扰
4. 信号传输干扰问题：信号在传输过程中受到电磁干扰，导致信号失真、误码等。可采用屏蔽电缆传输信号，并确保屏蔽层良好接地；对高速信号和敏感信号进行差分传输，提高信号的抗干扰能力；合理规划信号布线，避免不同类型信号之间的相互干扰，如将数字信号和模拟信号分开布线
5. 静电放电（ESD）问题：静电放电可能会损坏设备的电子元件，导致设备故障。应增加防静电措施，如在设备外壳、操作面板等容易产生静电的部位采用防静电材料；安装静电释放器件，如静电放电二极管、静电释放电阻等，将静电电荷快速释放到地；操作人员佩戴防静电手环、防静电服等，防止人体静电对设备造成损害

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• 数字输入输出（Digital I/O）：用于传输离散的二进制信号，如开关状态、逻辑电平。常见的有 PNP 数字量输入输出、NPN 数字量输入输出、继电器数字量输出等。相关标准如 IEC 61131-2 等对数字量接口的电气特性等有规定
• 模拟输入输出（Analog I/O）：用于传输连续变化的模拟信号，如电压、电流信号，像 ±5V、±10V 电压输入输出，4-20mA、0-20mA 电流输入输出等。标准有相关的工业过程测量和控制的模拟信号标准，如 IEC 60381 等
• 脉冲输入输出（Pulse I/O）：用于传输脉冲信号，常用于计数、位置控制等，如监测累积流量、控制伺服电机运动。在伺服控制中，脉冲接口相关标准会涉及到运动控制的脉冲频率、脉冲宽度等规范
• 通信接口：包括串口通信（如 RS232、RS485，相关标准有 EIA-232、EIA-485）、以太网通信（遵循 IEEE 802.3 等标准）、现场总线通信（如 Profibus 遵循 EN 50170 等标准、Canbus 遵循 ISO 11898 等标准）

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1. 数字输入输出口：输入信号误判，如干扰导致输入状态错误；输出触点损坏，长期通断大电流使触点烧蚀、粘连；电气隔离问题，隔离不良导致信号串扰、损坏设备
2. 模拟输入输出口：信号漂移，长时间运行或温度变化等导致输出信号偏离设定值；噪声干扰，使模拟信号失真，影响控制精度；量程匹配问题，输入输出量程与实际设备不匹配，导致数据不准确
3. 脉冲输入输出口：脉冲丢失，高速脉冲传输时可能因干扰、线路问题等导致部分脉冲未被正确接收；脉冲频率不稳定，影响位置控制精度和电机运行平稳性；脉冲信号畸变，如波形失真、脉宽变化，使接收端误判
4. 通信接口：通信中断，因干扰、线路故障、协议不匹配等导致通信突然停止；通信数据错误，数据传输过程中受干扰出现误码、丢包等；通信速率不稳定，时快时慢影响系统实时性和稳定性

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• 传导干扰问题：干扰信号通过电源线、信号线等传导到其他设备。解决方法是在电源线和信号线上安装合适的滤波器，抑制传导干扰；优化布线，避免强电和弱电线路并行，减少传导耦合
• 辐射干扰问题：设备向外辐射电磁能量，干扰周围其他设备。可采用屏蔽措施，对 I/O 口所在的电路板、模块进行屏蔽处理；合理设计 PCB 布局，减少信号环路面积，降低辐射强度
• 静电放电（ESD）问题：静电可能通过 I/O 口放电，损坏设备或干扰信号。要增加防静电措施，如安装静电释放器件，对 I/O 口进行静电防护；操作人员做好静电防护，佩戴防静电手环
• 电磁敏感度（EMS）问题：I/O 口对外部电磁干扰敏感，导致信号错误或设备工作异常。可选用抗干扰能力强的 I/O 芯片和器件；对 I/O 信号进行隔离和滤波处理，提高抗干扰能力
• 电源噪声问题：电源纹波、尖峰等噪声会影响 I/O 口的稳定性和信号质量。在电源输入端和 I/O 口电源引脚处添加去耦电容，滤除高频噪声；采用稳定的电源模块，提高电源质量

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• 中央处理器（CPU）电路：由控制器、运算器和寄存器组成，是 PLC 的核心，负责执行控制程序，处理输入信号，进行数据运算和逻辑判断，并产生输出信号
• 电源电路：用于将外部输入的交流电转换为 PLC 内部所需的直流电，为中央处理器、存储器、输入输出接口等电路提供稳定的 5V、12V、24V 等直流电源，通常采用开关式稳压电源，具有稳压、抗干扰等功能
• 存储器电路：包括系统存储器和用户存储器。系统存储器用于存放 PLC 的系统程序，由厂家编写并固化，一般为只读存储器（ROM）；用户存储器用于存放用户编写的控制程序和数据，常采用可电擦除的 E2PROM 等存储器
• 输入输出（I/O）接口电路：输入接口电路用于将按钮、行程开关、传感器等外部设备产生的信号转换为 CPU 能够识别的信号，可分为直流输入电路和交流输入电路；输出接口电路将 CPU 输出的信号转换为能驱动外部执行元件的信号，有继电器输出型、晶体管输出型和晶闸管输出型三种
• 通信接口电路：实现 PLC 与其他设备或系统之间的数据交换，常见的有 RS232、RS485、以太网接口、现场总线接口等，遵循相应的通信协议标准
• 扩展接口电路：用于连接扩展单元和功能模块，使 PLC 的配置更加灵活，以满足不同控制系统的需要

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• 高速信号处理：在一些高速控制场景下，如高速计数、高速脉冲输出等，需要 CPU 和相关电路能够快速准确地处理高频信号，确保计数精度和脉冲输出的稳定性，对电路的响应速度和抗干扰能力要求很高
• 复杂算法实现：对于一些复杂的控制任务，需要 PLC 执行复杂的数学运算、逻辑运算和数据处理算法，如 PID 控制算法、模糊控制算法等，这要求 CPU 具有较强的运算能力和数据处理能力，同时也需要优化算法以提高执行效率
• 可靠性设计：工业环境复杂恶劣，PLC 需要在高温、潮湿、振动、电磁干扰等条件下长期稳定运行，因此，在电路设计中需要采取一系列可靠性措施，如电源的稳定性设计、抗干扰设计、冗余设计等
• 兼容性与可扩展性：在实际应用中，PLC 往往需要与多种不同品牌、不同类型的设备进行通信和协同工作，这就要求 PLC 的通信接口和协议具有良好的兼容性。同时，随着生产工艺的发展和需求的变化，PLC 系统需要具备可扩展性，以便能够方便地添加新的功能模块和 I/O 点
• 实时性要求：在一些对实时性要求较高的控制系统中，如工业机器人控制、自动化生产线的高速分拣等，PLC 需要在极短的时间内完成输入信号的采集、程序的执行和输出信号的刷新，确保系统的实时响应能力

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• 电源干扰问题

问题表现：电源中的纹波、尖峰、浪涌等干扰信号可能导致 PLC 工作异常，如程序运行错误、元件损坏等

解决方法：安装电源滤波器，滤除电源中的高频干扰信号；使用隔离变压器，将 PLC 的电源与其他设备的电源隔离，减少电源之间的相互干扰；配备浪涌保护器，防止雷击等瞬间高压对 PLC 造成损坏

• 空间辐射干扰问题

问题表现：周围的强电磁场辐射可能影响 PLC 的正常工作，导致信号传输错误、程序运行不稳定等

解决方法：将 PLC 安装在金属屏蔽柜内，屏蔽外界的电磁辐射；对 PLC 的信号线采用双绞屏蔽线，并确保屏蔽层良好接地；合理布置 PLC 与其他设备的位置，避免将 PLC 暴露在强辐射源附近

• 传导干扰问题

问题表现：干扰信号通过电源线、信号线等传导到 PLC 内部，引起系统故障

解决方法：对电源线和信号线进行合理布线，避免强电和弱电线路并行，减少传导耦合；在电源线和信号线上安装共模电感、差模电感等元件，抑制传导干扰

• 接地问题

问题表现：接地不良可能导致 PLC 的电位不稳定，产生接地环路电流，引入干扰信号，还可能影响设备的安全性能

解决方法：确保 PLC 有独立、可靠的接地系统，接地电阻应符合要求（一般≤4Ω）；将信号地、电源地、保护地分开，避免不同类型的接地相互干扰；采用多点接地或单点接地的方式，根据实际情况优化接地布局

• 静电放电（ESD）问题

问题表现：静电可能通过 PLC 的输入输出接口、外壳等部位放电，损坏内部电子元件，导致设备故障

解决方法：在 PLC 的输入输出接口电路中增加静电保护元件，如静电放电二极管等；对 PLC 的外壳进行防静电处理，采用防静电材料；操作人员在接触 PLC 设备时，应佩戴防静电手环等防护用品，防止人体静电对设备造成损害