Спрос на прототипирование PCBA для гуманоидных роботов резко вырос: чем отличаются контроллерные платы и платы привода суставов? 

Вопрос: Всплеск спроса на прототипирование PCBA гуманоидных роботов: в чём различие между контроллерной платой и платой привода суставов? Почему их нельзя использовать взаимозаменяемо?

Ответ: Гуманоидные роботы постепенно выходят из лабораторий и переходят к массовому производству на уровне тысяч единиц. Обычно один гуманоидный робот требует 20–40 печатных плат, включая главную плату управления, плату привода суставов, платы сенсоров, платы управления питанием, коммуникационные платы и другие модули. Однако для многих инженеров и закупщиков, впервые сталкивающихся с PCBA роботов, наибольшей трудностью является вопрос: контроллерная плата и плата привода суставов внешне выглядят как обычные «печатные платы», почему их нельзя сделать в виде одной универсальной модели? В этой статье с точки зрения функционального назначения, различий в конструкции и требований к процессу производства рассматриваются различия между различными модулями PCBA гуманоидных роботов и ключевые моменты прототипирования.

1. Сколько плат PCBA требуется для одного гуманоидного робота?

Главное отличие гуманоидных роботов от традиционных промышленных роботов заключается в количестве степеней свободы. Традиционные промышленные роботы обычно имеют только 4-6 осей, тогда как гуманоидные роботы должны имитировать структуру человеческого тела и обычно оснащаются 20-60 и более подвижными суставами. Каждый сустав требует отдельной платы управления и привода, что приводит к следующему:

Очевиден эффект мультипликации количества плат PCBA:

Платы привода суставов: 1 плата на каждую степень свободы, всего 20-60 и более плат
Главная плата (мозг): 1 высокоуровневая HDI-плата
Платы датчиков: силовые, визуальные, тактильные и др., 3-8 плат
Плата управления питанием: 1-3 платы
Коммуникационные / интерфейсные платы: 1-3 платы

Общая стоимость PCB одного гуманоидного робота оценивается в 3000-8000 юаней, что в 3-5 раз выше, чем у промышленных роботов. Такое разнообразие плат с совершенно различной функциональностью и принципами проектирования.

2. Главная плата управления: «мозг» робота

Функциональное назначение: Обеспечивает выполнение AI-вычислений, планирование движения и интеграцию данных с нескольких датчиков. Главная плата управления аналогична человеческому мозгу и отвечает за обработку мультимодальной информации, такой как визуальные данные, тактильные ощущения и голос, а также за принятие решений.

Конструктивные особенности:

Высокое количество слоев: 8-12 слоев HDI, иногда 16-24 слоя многослойной PCB

Тщательность исполнения: Использует технологию mSAP, ширина проводников ≤0,075 мм, дифференциальное сопротивление 100 Ω ±5 %

Много вычислительных чипов: Оснащена высокопроизводительным SoC, FPGA и AI-ускорителями, обычно с крупногабаритными BGA-корпусами

Сложности с охлаждением: Высокопроизводительные чипы выделяют много тепла на ограниченной площади, что требует отвода тепла через тепловые отверстия и медные слои

Трудности прототипирования: Главная плата управления является самой сложной в производстве среди PCBA робота; необходимы любые межслойные соединения HDI, лазерные слепые отверстия 0,1 мм, контроль сопротивления ±5 %, что недоступно обычным SMT-заводам.

3. Плата привода суставов: «мышцы» робота

Функциональное назначение: прямое управление сервомотором сустава, выполнение управления током/скоростью/позиционированием. Интегрированные суставы обычно комбинируют мотор, редуктор, энкодер, датчики и драйвер в одном компактном корпусе.

Особенности конструкции:

Высокая плотность мощности: необходимо устойчиво выдерживать ток 15 А и пиковый ток 30 А

tехнология толстого меди: обычно используется 6-слойная печатная плата с медью толщиной 2 унции, медные дорожки силовой цепи должны выдерживать высокий ток

Очень маленький размер: из-за ограниченного пространства корпуса сустава размеры PCB обычно составляют всего 30–40 мм, плотность компонентов на одной стороне превышает 120 штук

Сложные типы сигналов: одновременно обрабатываются трехфазное управление, обратная связь энкодера, измерение тока/температуры, высокоскоростная связь EtherCAT

Основные технологические трудности:

Противоречие между охлаждением и высокой плотностью: пространство платы сустава крайне ограничено, плотность компонентов очень высока, пути отвода тепла зависят от корпуса сустава, что предъявляет высокие требования к теплоотводу PCB. Компания Jiechuang Electronics накопила более 200 примеров печатных плат в области роботов, оптимизируя расположение высокомощных компонентов через предварительную проверку DFM, концентрируя нагревающиеся элементы в центральной зоне PCB с наилучшими условиями охлаждения.

Риск непайки BGA: на высокоплотной 6-слойной плате после реболлинга легко возникает деформация платы (стандарт отрасли ≤0,75%), что влияет на совместную плоскостность выводов BGA на краях. Jiechuang Electronics, оптимизируя структуру слоев, симметричный дизайн, низконагруженные PP-пластины и реболлинг в азоте, ограничивает деформацию платы до 0,3%, а совместно с 3D AOI полной проверкой и выборочной проверкой 3D X-Ray поддерживает уровень непайки BGA ниже 0,3%.

4. Резюме

Требования к PCBA гуманоидных роботов характеризуются четырьмя особенностями: высокая плотность, разнообразие, малые размеры и быстрая разработка — высокая многослойная HDI-управляющая плата, различные типы управляющих плат, малогабаритные приводы суставов, быстрая итерация разработки.

Управляющая плата отвечает за «мышление», плата привода суставов отвечает за «действие». Требования к количеству слоев PCB, толщине меди, точности производства и стандартам проверки у них существенно различаются. При выборе производителя PCBA для прототипирования необходимо убедиться, что он способен охватывать все категории — как производить высокомногослойные HDI-управляющие платы, так и толстослойные тепловыводящие платы приводов суставов, а также поддерживать микромонтаж 01005 и упаковку POP.

Для прототипирования PCBA посетите официальный сайт Shenzhen Hongnan Electronics (www.hongnan.net) и отправьте Gerber и BOM — цена предоставляется за 20 минут, инженеры предоставят специализированную оценку технологического процесса.