無論是德國率先提出的“工業(yè)4.0”概念，美國推行的“先進(jìn)制造伙伴關(guān)系”計(jì)劃，還是日本正在實(shí)施的“智慧制造系統(tǒng)”和中國工信部通過的“中國制造2025規(guī)劃”，這些都指向同一個(gè)目標(biāo)，那就是希望通過先進(jìn)的IT與自動(dòng)化技術(shù)來促進(jìn)制造業(yè)的革新，以實(shí)現(xiàn)“智能化”，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)。
以前，工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用最為廣泛的是汽車制造業(yè)；現(xiàn)在，工業(yè)機(jī)器人制造企業(yè)正努力向其他領(lǐng)域拓展。工業(yè)機(jī)器人制造企業(yè)也如雨后春筍般不斷涌現(xiàn)，據(jù)統(tǒng)計(jì)僅去年中國國內(nèi)差不多增加了200多加工業(yè)機(jī)器人制造廠商。對(duì)于工業(yè)機(jī)器人的市場前景，業(yè)界都是一致看好，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。不過，要想在這一波浪潮中得益的話也并不容易。因?yàn)楣I(yè)機(jī)器人涉及的系統(tǒng)相當(dāng)復(fù)雜，僅核心零部件就包括了機(jī)械系統(tǒng)、控制器、伺服器和減速器等等。本刊就工業(yè)機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)問題采訪了一些半導(dǎo)體廠商，詳細(xì)介紹了工業(yè)機(jī)器人當(dāng)中的一些電子核心零部件。
控制器平臺(tái)之爭
在Altera公司亞太區(qū)工業(yè)業(yè)務(wù)部市場開發(fā)首席經(jīng)理江允貴看來，有三個(gè)趨勢在推動(dòng)著工業(yè)自動(dòng)化市場的蓬勃發(fā)展。
一是，提升能源效率，降低能源成本；
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、以及機(jī)器損壞的降低和更長的生命周期和可靠度；
三是所謂的智能工廠。而只有前面兩個(gè)因素達(dá)到后，才有可能實(shí)現(xiàn)智能工廠。他認(rèn)為工業(yè)機(jī)器人是自動(dòng)化里的很關(guān)鍵一部分。
江允貴拿智能工廠舉例，他說現(xiàn)在一個(gè)典型的的智能工廠，從企業(yè)到工廠，以及工廠內(nèi)如都是以工業(yè)以太網(wǎng)相連接的，他認(rèn)為用工業(yè)以太網(wǎng)取代傳統(tǒng)的以太網(wǎng)，主要是因?yàn)楣I(yè)以太網(wǎng)的實(shí)時(shí)性更好。工業(yè)以太網(wǎng)可以連接主站和從站，連接主站中的PLC、PAC/運(yùn)動(dòng)控制器和HMI，和從站中的伺服器、I/O模塊等等。
他進(jìn)一步指出，其實(shí)工業(yè)機(jī)器人就是由這些關(guān)鍵零組件組合而成。由這些主站和從站可以組合成一個(gè)工業(yè)機(jī)器人，也可以做成一個(gè)CNC，CNC也是工廠自動(dòng)化的一個(gè)關(guān)鍵。
雖然工業(yè)機(jī)器人可以看成是由上面的零組件組合而成，但具體到工業(yè)機(jī)器人里面的話也會(huì)有所不同。工業(yè)機(jī)器人的主要結(jié)構(gòu)有機(jī)器人的控制器和伺服器。目前來說工業(yè)機(jī)器人有兩軸、3軸的、最高也有7軸的。不過常用的是3~6軸的SCARA或Delta機(jī)械手臂。
由于中國是生產(chǎn)制造大國，由于缺工，智能手機(jī)和汽車制造商的需求，工業(yè)機(jī)器人市場增長非常迅速。江允貴表示，對(duì)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的工控機(jī)為主，特別是在歐美工業(yè)機(jī)器人市場。一般在這樣的X86平臺(tái)上，F(xiàn)PGA是作為輔助存在的，主要充當(dāng)加速的功能。在一個(gè)X86工控機(jī)主控平臺(tái)上經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)多張PCI-E或PCI卡來實(shí)現(xiàn)多軸控制功能。不過這樣的主控平臺(tái)一般用于比較高端的工業(yè)機(jī)器人當(dāng)中，因?yàn)樗阅芨?，成本也高?/div>
基于Altera Cyclone V SoC的單芯片工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)架構(gòu)
還有一種主控平臺(tái)是用多核心的高端DSP為核心設(shè)計(jì)的，不過不是很常見的。
另外還有嵌入式主控平臺(tái)。江允貴表示，目前Altera正在關(guān)注這部分的市場。他們希望可以使用單芯片就能實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人的控制，而不需要昂貴的X86平臺(tái)再加上FPGA來做機(jī)器人的控制。
工業(yè)機(jī)器人的種類比較多，其最主要的功能有焊接、搬運(yùn)、擺放、切割和噴漆等等。按照應(yīng)用場景的不同，機(jī)器人的設(shè)計(jì)要求也會(huì)不一樣，比如有的需要高速手臂、有的需要慢速、有的需要扭力大、有的需要很高的精密度等等不一而足。
“近期Altera就利用單顆SoC芯片制作出了一個(gè)快速、擺放型工業(yè)機(jī)器人參考設(shè)計(jì)方案。”江允貴這樣對(duì)本刊記者表示。該工業(yè)機(jī)器人的主站控制平臺(tái)由基于Cyclone V SoC的開發(fā)板實(shí)現(xiàn)?？梢詰?yīng)用在生產(chǎn)線上，包括螺絲的擺放，飲食業(yè)中食品(方便面，糖果等)的擺放。對(duì)擺放型工業(yè)機(jī)器人來說，速度和精確度是最重要的參考指標(biāo)，因?yàn)橹挥羞@樣才能提高生產(chǎn)效率。“為達(dá)到高速和高精確度的指標(biāo)，我們?cè)谶@個(gè)參考設(shè)計(jì)中采用了目前最受歡迎的EtherCAT工業(yè)以太網(wǎng)。EtherCAT屬于以太網(wǎng)，但經(jīng)過我們改良物理層后，可以達(dá)到更好的實(shí)時(shí)性。”江允貴表示。
為了證明這個(gè)工業(yè)機(jī)器人的性能，他通過視頻展示了該擺放型工業(yè)機(jī)器人在下跳棋、巡邊和畫圓周等運(yùn)動(dòng)方式。他認(rèn)為這三個(gè)運(yùn)動(dòng)方式可以很明顯地看出機(jī)器人的效能。
基于Altera Cyclone V SoC的單芯片工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)架構(gòu)
目前市場上還比較少見使用單芯片來實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人的主站控制。從圖2中的系統(tǒng)架構(gòu)圖中可以看到，在主芯片的Cyclone V SoC中，雙核Cortex A9 ARM有一個(gè)核用作運(yùn)動(dòng)控制，另一個(gè)核用來做EtherCAT主站。雙核各自負(fù)責(zé)自己的功能，運(yùn)動(dòng)控制功能主要負(fù)責(zé)機(jī)器人3只手臂的協(xié)調(diào)工作，算法都放在ARM中。FPGA主要用來做Nios軟核功能。通過FPGA中的MAC出去以后，連接了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)。每個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)里面都有一個(gè)FPGA用來做EtherCAT接口。目前伺服驅(qū)動(dòng)里的算法還是通過DSP來實(shí)現(xiàn)的。
“當(dāng)然，我們并不做機(jī)器人的開發(fā)，只是提供一個(gè)參考設(shè)計(jì)，證明單芯片也是可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人主站控制的。”江允貴這樣表示，“我們可以把我們的經(jīng)驗(yàn)分享給機(jī)器人制造商，幫助他們快速制造出產(chǎn)品來。”
不過他也坦承這種單芯片方案對(duì)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)。反而是亞太區(qū)的機(jī)器人廠商更愿意接受。因?yàn)閱涡酒桨覆粌H可以幫助降低成本，也可以讓他們生產(chǎn)差異化的產(chǎn)品，以避免與歐美機(jī)器人廠商直接競爭。
伺服器解析
若要工業(yè)機(jī)器人的性能滿足需求，除了要有好的主控平臺(tái)外，還需要非常好的伺服器和精密算法。伺服器包括有傳感器、伺服電機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)和處理器等等。精密算法與傳感、驅(qū)動(dòng)和處理息息相關(guān)。
目前機(jī)器和自然的交互還是一個(gè)難度很大的課題，機(jī)器人的視覺、感覺等都十分有限，精準(zhǔn)的動(dòng)作控制也會(huì)受到諸多限制。為了應(yīng)對(duì)上述問題，使機(jī)器人更加貼近人類的第一步就是添加更多的傳感器。德州儀器中國區(qū)市場開發(fā)高性能模擬產(chǎn)品業(yè)務(wù)拓展經(jīng)理信本偉覺得可以給機(jī)器人加入環(huán)境光傳感器。他指出德州儀器的ALS OPT3001可以匹配人類眼睛所接收的光譜，“見我所見”。另外LDC1000傳感器能夠以“亞微米”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)行反饋，使用該傳感器可以讓機(jī)器人的動(dòng)作更加流暢，自然。
信本偉進(jìn)一步指出，在驅(qū)動(dòng)方面，德州儀器也可以提供很多專業(yè)且先進(jìn)的外圍設(shè)備，比如高分辨率和可配置的PWM、DAC界面連接和保護(hù)等等。當(dāng)然還有健全的防護(hù)式電機(jī)驅(qū)動(dòng)解決方案。“德州儀器的電機(jī)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)等等。并通過了ISO61580工業(yè)功能安全標(biāo)準(zhǔn)的認(rèn)證。”他對(duì)本刊記者表示。
除了信本偉之外，德州儀器中國區(qū)嵌入式產(chǎn)品業(yè)務(wù)拓展總監(jiān)吳健鴻對(duì)德州儀器在DSP電機(jī)控制方面的優(yōu)勢也充滿自信，他說，在電機(jī)控制領(lǐng)域，德州儀器積累了二十多年的經(jīng)驗(yàn)，有比較多的成熟可靠的產(chǎn)品。就在過去兩年內(nèi)，德州儀器就推出了基于C2000的InstaSPIN FOC/Motion電機(jī)控制算法以及基于Sitarra產(chǎn)品線的工業(yè)以太網(wǎng)解決方案。
當(dāng)然，在處理方面德州儀器的產(chǎn)品也算是豐富的，它有蔥單核到八核的DSP和MCU，可以應(yīng)對(duì)機(jī)器人系統(tǒng)中不同等級(jí)的運(yùn)算要求。德州儀器中國區(qū)嵌入式處理中國區(qū)業(yè)務(wù)拓展經(jīng)理龐金鵬拿電機(jī)控制舉例說，“TI最新的C2000系列產(chǎn)品Soprano采用了三角函數(shù)單元。Park 變化廣泛應(yīng)用于電機(jī)控制系統(tǒng)中，主要是決定在動(dòng)態(tài)交變荷載作用下是否給固定片提供電壓以最大化扭矩，而TMU可以大幅度提高Park Transform的運(yùn)算速度。在現(xiàn)行的32位浮點(diǎn)MCU處理器中，完成Park變化普遍需要80~100+周期，而利用TMU可以在13個(gè)周期就完成Park變化。”
在電機(jī)控制方面，除了德州儀器，ADI的電機(jī)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)的派生產(chǎn)品，位置檢測，以及模擬信號(hào)處理等，甚至延伸到軟件算法。
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，要求12位及以上的性能的多通道ADC。ADI亞太區(qū)電機(jī)與電源控制行業(yè)市場部專員于常濤表示，ADI的ADC產(chǎn)品可以很好地滿足高精度控制的要求。
另外，位置檢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傳感器，而且旋轉(zhuǎn)變壓器會(huì)越來越多地被使用。
伺服控制技術(shù)從模擬向數(shù)字的轉(zhuǎn)換推動(dòng)了現(xiàn)代伺服系統(tǒng)的發(fā)展，也滿足了對(duì)于電機(jī)控制的性能和效率的高要求。從考慮安全和保護(hù)的角度，信號(hào)采樣和功率器件驅(qū)動(dòng)應(yīng)采用隔離技術(shù)，ADI公司的iCoupler數(shù)字隔離器產(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的可靠性。普通的交流感應(yīng)電機(jī)向永磁同步電機(jī)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可以提供門類齊全的產(chǎn)品組合，包括模數(shù)/數(shù)模轉(zhuǎn)換器、放大器、嵌入式處理器、iCoupler數(shù)字隔離器和電源管理器件；這些高性能的器件和增加系統(tǒng)集成度有助于實(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)的性能同用戶最終所構(gòu)建的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的性能和所能提供的精度密切相關(guān)。
工業(yè)機(jī)器人面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)
雖然機(jī)器人技術(shù)在近幾年取得了非常大的進(jìn)步，但還有許多挑戰(zhàn)存在，有不少難點(diǎn)需要克服，比如系統(tǒng)復(fù)雜度、算法、功能安全和成本等等問題。
目前的工業(yè)機(jī)器人大都是3~6軸，最高的為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(duì)算法和運(yùn)算都是一次大的挑戰(zhàn)。隨著工業(yè)機(jī)器人越來越多地在生產(chǎn)線上應(yīng)用，而現(xiàn)在很多生產(chǎn)線都是工業(yè)機(jī)器人與人一起同坐的，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個(gè)不小的挑戰(zhàn)。
在于常濤看來，“智能”是一個(gè)相對(duì)的概念，在工業(yè)機(jī)器人智能化的過程當(dāng)中遇到的技術(shù)障礙沒辦法簡單描述，但他個(gè)人認(rèn)為在系統(tǒng)設(shè)計(jì)、軟件算法、技術(shù)創(chuàng)新，以及對(duì)新技術(shù)的敏感度和接受度方面還有很大的提升空間。他覺得半導(dǎo)體廠商與工業(yè)機(jī)器人廠商之間的緊密配合，深層次合作，是一種比較好的技術(shù)提升方式。
龐金鵬則介紹了德州儀器正在嘗試沖可擴(kuò)展和實(shí)時(shí)性能、智能傳感和FieldBus引擎等方面去克服工業(yè)機(jī)器人在系統(tǒng)整合、效率、成本和精密性能等方面面臨的挑戰(zhàn)。
居高不下的成本是阻礙企業(yè)大規(guī)模采用工業(yè)其人的關(guān)鍵因素之一，和對(duì)于如何降低成本的問題，不同人有不同的看法。江允貴表示，雖然工業(yè)機(jī)器人的用途很廣，種類很多，但對(duì)硬件平臺(tái)來講，其實(shí)是可以共用的。“比如我設(shè)計(jì)一個(gè)7軸的控制平臺(tái)，那么我也可以用這個(gè)平臺(tái)去生產(chǎn)3軸、4軸、5軸的工業(yè)機(jī)器人，只是有些硬件沒有用到而已，但是由于是平臺(tái)化的產(chǎn)品，量比較大，價(jià)格自然也可以控制下來。”因此，他覺得模塊化，平臺(tái)化的產(chǎn)品更有益于產(chǎn)品的開發(fā)和推廣，也有利于產(chǎn)品成本的降低。
工業(yè)機(jī)器人還在不斷地向前發(fā)展著，相信隨著技術(shù)的進(jìn)步，隨著“奇點(diǎn)”的來臨，機(jī)器人的智能化會(huì)更加明顯。
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