工業(yè)機(jī)器人啟動(dòng)半導(dǎo)體制造新篇章

無論是德率先提出的‘工業(yè)4.0’概念、美推行的‘先進(jìn)制造夥伴關(guān)系’(AMP)計(jì)畫，還是日本正在實(shí)施的‘智慧制造系統(tǒng)’(IMS)和中工信部通過的‘中制造2025規(guī)劃’，這些都指向同一個(gè)目標(biāo)，那就是希望透過先進(jìn)的IT與自動(dòng)化技術(shù)促進(jìn)制造業(yè)的革新，從而實(shí)現(xiàn)‘智慧化’，提升效率，降低成本。而要實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，工業(yè)機(jī)器人是不可或缺的一環(huán)。

    工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用廣泛的是汽車和半導(dǎo)體制造業(yè)，如今，隨著技術(shù)與人工智慧(AI)的進(jìn)步，以及工業(yè)機(jī)器人制造商如雨后春筍般不斷涌現(xiàn)，其應(yīng)用范圍也持續(xù)向其他領(lǐng)域拓展。汽車和半導(dǎo)體制造已不再是工業(yè)機(jī)器人的專屬用途。

機(jī)器人征服全球市場

    業(yè)界一致看好工業(yè)機(jī)器人的市場前景，普遍認(rèn)為未來5~10年將會(huì)迎來工業(yè)機(jī)器人的一個(gè)爆發(fā)期。根據(jù)際機(jī)器人聯(lián)合會(huì)(IFR)的統(tǒng)計(jì)，2014年全球機(jī)器人銷售量達(dá)到22.5萬臺(tái)，比2013年成長27%，寫下新高紀(jì)錄。

    其中，有5.6萬臺(tái)機(jī)器人銷售到中，比起2013年成長54%，這意味著中正逐步成為全球大的工業(yè)機(jī)器人市場。

2014年全球工業(yè)機(jī)器人達(dá)到22.5萬臺(tái)的銷售新高記錄。
（來源：際機(jī)器人聯(lián)合會(huì)）

    IFR總裁Arturo Baroncelli認(rèn)為加速機(jī)器人自動(dòng)化趨勢的原因包括：提高能源效率以及有效利用原材料的要求；由于全球競爭帶來提高生產(chǎn)與品質(zhì)的要求；不斷成長的全球消費(fèi)市場以及創(chuàng)造更大產(chǎn)能的需要；產(chǎn)品生命周期越來越短以及各種產(chǎn)品越來越多；機(jī)器人可接管枯燥、臟亂和危險(xiǎn)的工作、提高工作品質(zhì)量與保護(hù)工人健康的全球意識提升。

    自動(dòng)化不再是一種選擇，而是提升產(chǎn)業(yè)效率的關(guān)鍵。這一趨勢在機(jī)器人銷售方面逐漸提升，而有關(guān)AI的研究也迅速發(fā)現(xiàn)可提高機(jī)器人自主性的途徑，賦予機(jī)器人決策的能力與情感功能。機(jī)器人與AI的研究與應(yīng)用正以快速的步伐進(jìn)展，很快地，業(yè)經(jīng)訓(xùn)練的機(jī)器人將準(zhǔn)備好進(jìn)入醫(yī)療保健等領(lǐng)域協(xié)助人類。

    然而，工業(yè)機(jī)器人涉及的系統(tǒng)相當(dāng)復(fù)雜，僅核心元件就包括了機(jī)械系統(tǒng)、控制器、伺服器和減速器等；為了在這一波工業(yè)4.0的浪潮中勝出，掌握工業(yè)機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)至關(guān)重要。

控制器平臺(tái)之爭

    Altera亞太區(qū)工業(yè)業(yè)務(wù)部市場開發(fā)首席經(jīng)理江允貴認(rèn)為，工業(yè)機(jī)器人是自動(dòng)化的關(guān)鍵部分，目前有三大趨勢正推動(dòng)工業(yè)自動(dòng)化市場發(fā)展。一是提升能源效率，降低成本；二是提升生產(chǎn)效率，這包括功能安全、生產(chǎn)線的穩(wěn)定安全、保護(hù)操作人員的安全以及降低機(jī)器損壞和更長的生命周期與可靠度；三是所謂的‘智慧工廠’。只有在實(shí)現(xiàn)前兩項(xiàng)因素后，才可能實(shí)現(xiàn)智慧工廠。

    以智慧工廠為例，江允貴說明現(xiàn)在的典型智慧工廠，從企業(yè)到工廠，以及工廠內(nèi)部普遍利用工業(yè)乙太網(wǎng)路連接，取代了傳統(tǒng)的乙太網(wǎng)路，主要原因在于工業(yè)乙太網(wǎng)路的即時(shí)性更好。工業(yè)乙太網(wǎng)路可以連接主機(jī)和從屬裝置，連接主機(jī)中的PLC、PAC/運(yùn)動(dòng)控制器和HMI，以及從屬裝置的伺服器、I/O模組等等。

    他進(jìn)一步指出，工業(yè)機(jī)器人就是由這些關(guān)鍵元件組合而成。由這些主機(jī)和從屬裝置組合成一個(gè)工業(yè)機(jī)器人，也可以做成一個(gè)電腦數(shù)值控制(CNC)，CNC也是工廠自動(dòng)化的一個(gè)關(guān)鍵。

    工業(yè)機(jī)器人的主要內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括機(jī)器人的控制器和伺服器。目前的工業(yè)機(jī)器人有兩軸、3軸的、高也有7軸的。不過常見的是3~6軸的SCARA或Delta機(jī)械手臂。

    因應(yīng)智慧型手機(jī)和汽車制造商的需求，工業(yè)機(jī)器人市場成長非常迅速。江允貴表示，對于工業(yè)機(jī)器人的主控平臺(tái)來說，一般都是以基于PC的X86工控機(jī)為主，特別是在歐美工業(yè)機(jī)器人市場。在這樣的X86平臺(tái)上，F(xiàn)PGA通常以輔助角色提供加速功能。在一個(gè)X86工控機(jī)主控平臺(tái)上經(jīng)常出現(xiàn)多張PCI-E或PCI卡共同實(shí)現(xiàn)多軸控制功能。不過這樣的主控平臺(tái)由于高性能以及成本高，一般用于比較高階的工業(yè)機(jī)器人。還有一種主控平臺(tái)采用多核心的高階DSP為核心設(shè)計(jì)，不過并不常見。

    此外還有Altera目前正關(guān)注的嵌入式主控平臺(tái)。江允貴表示，該公司希望使用單晶片就能實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人控制，而不需要昂貴的X86平臺(tái)再加上FPGA才能進(jìn)行控制。

    工業(yè)機(jī)器人的種類較多，主要的功能有焊接、搬運(yùn)、擺放、切割和噴等等。按照應(yīng)用場景的不同，機(jī)器人的設(shè)計(jì)要求也不一樣，有的需要高速手臂、有的需要慢速、有的需要扭力大，有的則需要很高的精密度等。

    “Altera近利用單顆SoC晶片開發(fā)出一款快速、擺放型工業(yè)機(jī)器人參考設(shè)計(jì)方案。”江允貴表示，該工業(yè)機(jī)器人的主機(jī)控制平臺(tái)由基于Cyclone V SoC的開發(fā)板實(shí)現(xiàn)，可應(yīng)用在生產(chǎn)線上，如螺絲的擺放、食品(速食面、糖果等)的放置等。對擺放型工業(yè)機(jī)器人來說，速度和精確度是重要的參考指標(biāo)，因?yàn)橹挥羞@樣才能提高生產(chǎn)效率。江允貴說：“為了達(dá)到高速和高精確度的指標(biāo)，我們在這個(gè)參考設(shè)計(jì)中采用目前普及的EtherCAT工業(yè)乙太網(wǎng)路，加上我們改良實(shí)體層后，可以達(dá)到更好的即時(shí)性。”

    為了展示這個(gè)工業(yè)機(jī)器人的性能，他透過視訊展示該擺放型工業(yè)機(jī)器人在跳棋、巡邊和畫圓周等運(yùn)動(dòng)方式。

基于Altera Cyclone V SoC的單晶片工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)架構(gòu)。

    目前市場上比較少見使用單晶片來實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人的主機(jī)控制。從圖中的系統(tǒng)架構(gòu)圖可以看到，在主晶片Cyclone V SoC中，雙核心Cortex A9中有一個(gè)核心作為運(yùn)動(dòng)控制，另一個(gè)核心用來執(zhí)行EtherCAT主機(jī)。雙核心各自負(fù)責(zé)自己的功能，運(yùn)動(dòng)控制功能主要執(zhí)行機(jī)器人3只手臂的協(xié)調(diào)工作，演算法都放在ARM核心。FPGA主要用來執(zhí)行Nios軟核心功能。透過FPGA中的MAC連接3個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器。據(jù)江允貴透露，參考設(shè)計(jì)中的伺服驅(qū)動(dòng)來自臺(tái)達(dá)電子(Delta)。每個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)中都有一個(gè)FPGA用來做EtherCAT介面。目前伺服驅(qū)動(dòng)中的演算法還是透過DSP來實(shí)現(xiàn)。

    “當(dāng)然，我們并不進(jìn)行機(jī)器人開發(fā)，只是提供一個(gè)參考設(shè)計(jì)，證明單晶片也可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人主機(jī)控制。”江允貴表示，“透過分享我們的經(jīng)驗(yàn)，有助于使機(jī)器人制造商快速制造出產(chǎn)品。”

    不過他也坦承這種單晶片方案對歐美機(jī)器人廠商并沒有太大的吸引力，他們更愿意使用X86平臺(tái)。亞太區(qū)的機(jī)器人廠商接受度較高，因?yàn)閱尉桨覆粌H有助于降低成本，也可以生產(chǎn)差異化的產(chǎn)品，以避免與歐美機(jī)器人廠商直接競爭。

伺服器/演算法

    為了滿足工業(yè)機(jī)器人的性能需求，除了好的主控平臺(tái)外，還需要先進(jìn)的伺服器和精密演算法。伺服器包括感測器、伺服馬達(dá)、馬達(dá)驅(qū)動(dòng)和處理器等等。精密演算法與傳感、驅(qū)動(dòng)和處理息息相關(guān)。

    目前機(jī)器和環(huán)境的互動(dòng)還存在各種挑戰(zhàn)，機(jī)器人的視覺與感覺仍十分有限，精確的動(dòng)作控制也會(huì)受到諸多限制。為了因應(yīng)這些問題，使機(jī)器人更加貼近人類的一步就是添加更多的感測器。德州儀器(TI)中區(qū)市場開發(fā)高性能類比產(chǎn)品業(yè)務(wù)拓展經(jīng)理信本偉認(rèn)為機(jī)器人需要增加環(huán)境光感測器。他指出TI的ALS OPT3001可以匹配人類眼睛所接收的光譜。另外，LDC1000感測器能夠以‘次微米’的精度感知位移，并像任何精確閉環(huán)控制一樣向控制系統(tǒng)進(jìn)行回饋，使用該感測器可以讓機(jī)器人的動(dòng)作更加自然流暢。

    信本偉進(jìn)一步指出，在驅(qū)動(dòng)方面，TI也提供多款專業(yè)且先進(jìn)的周邊設(shè)備，如高分辨率和可配置的PWM、DAC界面連接和保護(hù)等。當(dāng)然還有健全的防護(hù)式馬達(dá)驅(qū)動(dòng)解決方案。“TI的馬達(dá)驅(qū)動(dòng)解決方案同時(shí)結(jié)合了過電流與短路保護(hù)、熱保護(hù)、低電壓鎖定和擊穿保護(hù)等，并通過ISO61580工業(yè)功能安全標(biāo)準(zhǔn)的認(rèn)證。”

    除了信本偉之外，TI中區(qū)嵌入式產(chǎn)品業(yè)務(wù)拓展總監(jiān)吳健鴻介紹該公司在DSP馬達(dá)控制方面所累積的經(jīng)驗(yàn)與產(chǎn)品。特別是在過去兩年內(nèi)，TI推出了基于C2000的InstaSPIN FOC/Motion馬達(dá)控制算法以及基于Sitarra產(chǎn)品線的工業(yè)乙太網(wǎng)路解決方案。
    
    當(dāng)然，在處理方面，TI則提供從單核心到八核心的DSP和MCU，可以因應(yīng)機(jī)器人系統(tǒng)中不同等級的運(yùn)算要求。TI中區(qū)嵌入式處理中區(qū)業(yè)務(wù)拓展經(jīng)理龐金鵬說，“TI新的C2000系列產(chǎn)品Soprano采用三角函數(shù)單元(TMU)。Park變換(Park Transform)廣泛應(yīng)用于馬達(dá)控制系統(tǒng)，主要用于決定在動(dòng)態(tài)交變負(fù)載作用下是否提供電壓實(shí)現(xiàn)大化扭矩，而TMU則可以大幅度提高Park變換的運(yùn)算速度。在現(xiàn)行的32位元浮點(diǎn)MCU處理器中，完成Park變換普遍需要80~100+周期，而利用TMU可以在13個(gè)周期就完成Park變換。”

    在馬達(dá)控制方面，ADI的馬達(dá)控制方案也非常適合工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用。ADI的伺服控制方案非常完整，它包括處理器，安全隔離相關(guān)的衍生產(chǎn)品、位置檢測以及類比訊號處理等，甚至延伸到軟體算法。

    在伺服控制中，高精度電流和電壓檢測可提高速度和扭矩控制性能，但需要12位元及更高性能的多通道ADC。ADI亞太區(qū)馬達(dá)與電源控制產(chǎn)業(yè)市場部專員于常濤表示，ADI的ADC產(chǎn)品可以有效滿足高精度控制的要求。

    另外，位置偵測性能是伺服控制的關(guān)鍵，光學(xué)編碼器和旋轉(zhuǎn)變壓器常常被用來作為位置感測器，而且旋轉(zhuǎn)變壓器的應(yīng)用還會(huì)越來越普遍。

    伺服控制技術(shù)從類比向數(shù)位的轉(zhuǎn)變推動(dòng)了現(xiàn)代伺服系統(tǒng)的發(fā)展，也滿足了對于馬達(dá)控制的性能和效率的高要求。從考慮安全和保護(hù)的角度，訊號采樣和功率元件驅(qū)動(dòng)應(yīng)該采用隔離技術(shù)，ADI的iCoupler數(shù)位隔離器產(chǎn)品可滿足高壓安全隔離要求。在工業(yè)應(yīng)用的設(shè)計(jì)中，IC產(chǎn)品需要更長的生命周期和更高可靠度。普通的交流感應(yīng)馬達(dá)向永磁同步馬達(dá)轉(zhuǎn)變已是大勢所趨，要求系統(tǒng)設(shè)計(jì)師能提供更高效率和更靈活的算法。

    據(jù)于常濤介紹，ADI可以提供種類齊全的產(chǎn)品組合，包括類比數(shù)位/數(shù)位類比轉(zhuǎn)換器、放大器、嵌入式處理器、iCoupler數(shù)位隔離器和電源管理元件；這些高性能的元件和增加系統(tǒng)整合度有助于實(shí)現(xiàn)更新型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，為客戶實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的差異化設(shè)計(jì)帶來價(jià)值，伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能與使用者終所構(gòu)建的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的性能及其所能提供的精確度密切相關(guān)。

工業(yè)機(jī)器人面臨技術(shù)挑戰(zhàn)

    雖然機(jī)器人技術(shù)在近年來取得了大幅進(jìn)展，但還有許多挑戰(zhàn)必須克服，如系統(tǒng)復(fù)雜度、算法、功能安全和成本等問題。

    目前的工業(yè)機(jī)器人大都是3~6軸，高的為7軸，未來為了更多的靈活性，可能會(huì)引進(jìn)更多自由度。江允貴表示，每一個(gè)自由度的增加，對算法和運(yùn)算都是一次重大挑戰(zhàn)。隨著工業(yè)機(jī)器人越來越普遍應(yīng)用在生產(chǎn)線上，與人類一起在工廠中共同工作，因此，他認(rèn)為在機(jī)器人的設(shè)計(jì)過程中，如何保護(hù)操作工人的安全也是一大挑戰(zhàn)。

    常濤認(rèn)為，‘智慧’是一個(gè)相對的概念，在工業(yè)機(jī)器人智慧化的過程中遇到的技術(shù)障礙難以簡單描述，但他認(rèn)為在系統(tǒng)設(shè)計(jì)、軟體算法、技術(shù)創(chuàng)新以及對新技術(shù)的敏感度和接受度方面還有很大的提升空間。他建議，半導(dǎo)體廠商與工業(yè)機(jī)器人廠商之間的密切配合以及深層次合作，將有助于技術(shù)的提升。

    龐金鵬則介紹TI正嘗試從可擴(kuò)展和即時(shí)性能、智慧感測和FieldBus引擎等方面克服工業(yè)機(jī)器人在系統(tǒng)整合、效率、成本和精密性能等方面的挑戰(zhàn)。

    居高不下的成本是阻礙業(yè)界大規(guī)模采用工業(yè)機(jī)器人的關(guān)鍵因素之一。對此，江允貴表示，雖然工業(yè)機(jī)器人的用途很廣，種類很多，但在硬體平臺(tái)方面其實(shí)是可以共享的。“例如我設(shè)計(jì)出一個(gè)7軸的控制平臺(tái)，那么也可以用這個(gè)平臺(tái)去生產(chǎn)3軸、4軸、5軸的工業(yè)機(jī)器人，只是有些硬體功能受限制而已，但由于是平臺(tái)化的產(chǎn)品，產(chǎn)量比較大，價(jià)格自然可以控制下來。”因此，他覺得模組化、平臺(tái)化的產(chǎn)品更有益于產(chǎn)品的開發(fā)和推廣，也有利于降低產(chǎn)品成本。

    工業(yè)機(jī)器人還在不斷地向前發(fā)展，隨著技術(shù)的進(jìn)步以及‘奇點(diǎn)’的來臨，機(jī)器人將大踏步邁向智慧化道路。

來源：工業(yè)機(jī)器人啟動(dòng)半導(dǎo)體制造新篇章