Tri-Sphere 機器人依托倍福 CX2033 嵌入式控制器、實時 EtherCAT 通信技術以及 TwinCAT NC PTP 運動控制軟件實現精準運動控制

Square One 公司獲得專利的 Tri-Sphere 機器人是一款尖端并聯機器人，其設計專門滿足高能物理研究的嚴苛要求。與旋轉關節工業機器人類似，Tri-Sphere 具備六自由度運動能力。然而與傳統機器人不同的是，該機器人不僅提供超大負載能力、超高精度以及可無縫嵌入緊湊空間的精簡結構，還全面符合物理學界廣泛采用的 EPICS 標準（實驗物理與工業控制系統）。該標準為科研人員和技術專家提供了標準化控制系統架構與軟件工具包，用于對接并控制高端設備，從而有效提升過程跟蹤性能，優化實驗過程中采集的元數據分析。

SLAC 國家加速器實驗室部署 Tri-Sphere 機器人系統，是其對全球最強 X 射線自由電子激光器 — 直線加速器相干光源（LCLS）進行重大升級的關鍵環節。近期完成的 LCLS-II 項目將原有系統的脈沖發射能力從每秒 120 次提升至每秒 100 萬次；而未來實施的 LCLS-II-HE 升級計劃還將進一步提升 X 射線能量級別。簡而言之，這些突破性進展為前沿科研項目開啟了全新維度 — 包括新一代太陽能技術、超導體研發、先進藥物探索等曾被視為不可能實現的科學研究領域。

這款機器人的獨特設計在應對復雜實驗裝置的快速輪替（拆卸與更換）及適應 LCLS 等設施典型嚴苛環境方面具備多重優勢。其緊湊結構使其能輕松嵌入科研設施的核心裝置 — 輻射防護艙，或安裝在 X 射線束穿透實驗樣本的研究設備中。機器人配備的高精度定位系統可確保將科研設備精準移動至細至 100 納米的光束聚焦區域。

Tri-Sphere 機器人不僅定位精準，更具備卓越承重能力，在實現尖端實驗所需精度的同時，能快速移動并重新定位重型部件。“該機器人專為重物負載設計，承重能力高達 12,000 磅（約 5440 公斤）。在SLAC 這類國家實驗室中對重型部件進行精確定位時，這一特性至關重要。”Square One Systems Design 公司工程總監 Bob Viola 解釋道。“其性能表現遠勝于那些更適用于工業場景的傳統機器人。”

通過 Tri-Sphere 升級項目，倍福自動化與控制技術已集成至多個實驗艙中，使 SLAC 能夠在最小停機時間內開展高精度實驗。工作人員可通過 Tri-Sphere 直觀的前端軟件設定新的光束中心、輸入配置參數，并調整高度與旋轉設置。

SLAC 的機器人系統搭載氣墊搬運設備，實現不同實驗艙之間的快速進出。Tri-Sphere 還能精準處理精密樣品，這亦是其關鍵優勢之一。“該機器人配備真空傳輸系統，可安全處理各類容器 — 包括具有柔觸感表面的精密制品，確保無一受損。”Bob Viola 指出。“這對使用高靈敏度樣本材料的實驗至關重要。”

EtherCAT 技術具備卓越的自動尋址能力，能夠實現高度模塊化設備的精準自動尋址；同時，它提供豐富多樣的布線拓撲選項，能夠靈活適配不同的應用場景；此外，單個網絡最多可容納 65,535 個設備，展現出強大的擴展性能，這些特性共同構筑了穩健且可擴展的網絡基礎設施。此外，結構緊湊的 EtherCAT 端子模塊 e可靈活嵌入分布于 Tri-Sphere 機器人各處的緊湊型防護殼體內。這些 EtherCAT 端子模塊不僅用于數據采集，還能集成倍福緊湊型驅動技術，包括 EL7041 和 EL7047 步進電機端子模塊 以及用于連接支持 BiSS? C 或 SSI 接口絕對值編碼器的 EL5042 雙通道接口端子模塊。

倍福 TwinSAFE I/O 端子模塊與 Safety over EtherCAT（FSoE）技術共同構建了可靠的設備安全功能，該功能與 SLAC 的人員及設備保護系統無縫集成，可實時監測實驗艙內的人員狀態，并在必要時啟動緊急停止程序。“TwinSAFE 技術完美契合這些特殊安全需求，始終確保實驗艙的安全出入，并對大功率定位裝置實現可靠控制。”Bob Viola 強調道。

“當 SLAC 能在工作艙外通過 Tri-Sphere 完成實驗工作配置，且無需關閉光束線時，整個進程將大大加快。”Bob Viola 表示，“該系統將 SLAC 實驗換型所需的時間從兩天縮短至僅 12 小時。”

倍福美國分公司業務拓展部經理 Mathew Garcia 對此深表認同：“Tri-Sphere 項目彰顯了 Square One 與倍福協同創新的成果。我們的技術正在助推 SLAC 及其他科研機構提升研究成效與效率，這令人振奮。”正如在 SLAC 的成功實踐所證明，Tri-Sphere 系統正助力攻克眾多科研領域的關鍵難題。該系統憑借經實踐驗證的靈活性與卓越性能，能適應各類高難度測試環境，目前已被部署于多個世界知名實驗室，為下一項重大突破保駕護航。