無(wú)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)計畫(huà)，還是日本正在實(shí)施的‘智慧制造系統’(IMS)和中工信部通過(guò)的‘中制造2025規劃’，這些都指向同一個(gè)目標，那就是希望透過(guò)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‘智慧化’，提升效率，降低成本。而要實(shí)現這個(gè)目標，工業(yè)機器人是不可或缺的一環(huán)。

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

機器人征服全球市場(chǎng)

    業(yè)界一致看好工業(yè)機器人的市場(chǎng)前景，普遍認為未來(lái)5~10年將會(huì )迎來(lái)工業(yè)機器人的一個(gè)爆發(fā)期。根據際機器人聯(lián)合會(huì )(IFR)的統計，2014年全球機器人銷(xiāo)售量達到22.5萬(wàn)臺，比2013年成長(cháng)27%，寫(xiě)下新高紀錄。

    其中，有5.6萬(wàn)臺機器人銷(xiāo)售到中，比起2013年成長(cháng)54%，這意味著(zhù)中正逐步成為全球大的工業(yè)機器人市場(chǎng)。

2014年全球工業(yè)機器人達到22.5萬(wàn)臺的銷(xiāo)售新高記錄。
（來(lái)源：際機器人聯(lián)合會(huì )）

    IFR總裁Arturo Baroncelli認為加速機器人自動(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(lái)提高生產(chǎn)與品質(zhì)的要求；不斷成長(cháng)的全球消費市場(chǎng)以及創(chuàng )造更大產(chǎn)能的需要；產(chǎn)品生命周期越來(lái)越短以及各種產(chǎn)品越來(lái)越多；機器人可接管枯燥、臟亂和危險的工作、提高工作品質(zhì)量與保護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。這一趨勢在機器人銷(xiāo)售方面逐漸提升，而有關(guān)AI的研究也迅速發(fā)現可提高機器人自主性的途徑，賦予機器人決策的能力與情感功能。機器人與AI的研究與應用正以快速的步伐進(jìn)展，很快地，業(yè)經(jīng)訓練的機器人將準備好進(jìn)入醫療保健等領(lǐng)域協(xié)助人類(lèi)。

    然而，工業(yè)機器人涉及的系統相當復雜，僅核心元件就包括了機械系統、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)機器人的關(guān)鍵技術(shù)至關(guān)重要。

控制器平臺之爭

    Altera亞太區工業(yè)業(yè)務(wù)部市場(chǎng)開(kāi)發(fā)首席經(jīng)理江允貴認為，工業(yè)機器人是自動(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(chǎng)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(xiàn)的穩定安全、保護操作人員的安全以及降低機器損壞和更長(cháng)的生命周期與可靠度；三是所謂的‘智慧工廠(chǎng)’。只有在實(shí)現前兩項因素后，才可能實(shí)現智慧工廠(chǎng)。

    以智慧工廠(chǎng)為例，江允貴說(shuō)明現在的典型智慧工廠(chǎng)，從企業(yè)到工廠(chǎng)，以及工廠(chǎng)內部普遍利用工業(yè)乙太網(wǎng)路連接，取代了傳統的乙太網(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)路可以連接主機和從屬裝置，連接主機中的PLC、PAC/運動(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)機器人就是由這些關(guān)鍵元件組合而成。由這些主機和從屬裝置組合成一個(gè)工業(yè)機器人，也可以做成一個(gè)電腦數值控制(CNC)，CNC也是工廠(chǎng)自動(dòng)化的一個(gè)關(guān)鍵。

    工業(yè)機器人的主要內部結構包括機器人的控制器和伺服器。目前的工業(yè)機器人有兩軸、3軸的、高也有7軸的。不過(guò)常見(jiàn)的是3~6軸的SCARA或Delta機械手臂。

    因應智慧型手機和汽車(chē)制造商的需求，工業(yè)機器人市場(chǎng)成長(cháng)非常迅速。江允貴表示，對于工業(yè)機器人的主控平臺來(lái)說(shuō)，一般都是以基于PC的X86工控機為主，特別是在歐美工業(yè)機器人市場(chǎng)。在這樣的X86平臺上，FPGA通常以輔助角色提供加速功能。在一個(gè)X86工控機主控平臺上經(jīng)常出現多張PCI-E或PCI卡共同實(shí)現多軸控制功能。不過(guò)這樣的主控平臺由于高性能以及成本高，一般用于比較高階的工業(yè)機器人。還有一種主控平臺采用多核心的高階DSP為核心設計，不過(guò)并不常見(jiàn)。

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

    工業(yè)機器人的種類(lèi)較多，主要的功能有焊接、搬運、擺放、切割和噴等等。按照應用場(chǎng)景的不同，機器人的設計要求也不一樣，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(kāi)發(fā)出一款快速、擺放型工業(yè)機器人參考設計方案。”江允貴表示，該工業(yè)機器人的主機控制平臺由基于Cyclone V SoC的開(kāi)發(fā)板實(shí)現，可應用在生產(chǎn)線(xiàn)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)機器人來(lái)說(shuō)，速度和精確度是重要的參考指標，因為只有這樣才能提高生產(chǎn)效率。江允貴說(shuō)：“為了達到高速和高精確度的指標，我們在這個(gè)參考設計中采用目前普及的EtherCAT工業(yè)乙太網(wǎng)路，加上我們改良實(shí)體層后，可以達到更好的即時(shí)性。”

    為了展示這個(gè)工業(yè)機器人的性能，他透過(guò)視訊展示該擺放型工業(yè)機器人在跳棋、巡邊和畫(huà)圓周等運動(dòng)方式。

基于A(yíng)ltera Cyclone V SoC的單晶片工業(yè)機器人系統架構。

    目前市場(chǎng)上比較少見(jiàn)使用單晶片來(lái)實(shí)現工業(yè)機器人的主機控制。從圖中的系統架構圖可以看到，在主晶片Cyclone V SoC中，雙核心Cortex A9中有一個(gè)核心作為運動(dòng)控制，另一個(gè)核心用來(lái)執行EtherCAT主機。雙核心各自負責自己的功能，運動(dòng)控制功能主要執行機器人3只手臂的協(xié)調工作，演算法都放在A(yíng)RM核心。FPGA主要用來(lái)執行Nios軟核心功能。透過(guò)FPGA中的MAC連接3個(gè)伺服驅動(dòng)器。據江允貴透露，參考設計中的伺服驅動(dòng)來(lái)自臺達電子(Delta)。每個(gè)伺服驅動(dòng)中都有一個(gè)FPGA用來(lái)做EtherCAT介面。目前伺服驅動(dòng)中的演算法還是透過(guò)DSP來(lái)實(shí)現。

    “當然，我們并不進(jìn)行機器人開(kāi)發(fā)，只是提供一個(gè)參考設計，證明單晶片也可以實(shí)現機器人主機控制。”江允貴表示，“透過(guò)分享我們的經(jīng)驗，有助于使機器人制造商快速制造出產(chǎn)品。”

    不過(guò)他也坦承這種單晶片方案對歐美機器人廠(chǎng)商并沒(méi)有太大的吸引力，他們更愿意使用X86平臺。亞太區的機器人廠(chǎng)商接受度較高，因為單晶片方案不僅有助于降低成本，也可以生產(chǎn)差異化的產(chǎn)品，以避免與歐美機器人廠(chǎng)商直接競爭。

伺服器/演算法

    為了滿(mǎn)足工業(yè)機器人的性能需求，除了好的主控平臺外，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、馬達驅動(dòng)和處理器等等。精密演算法與傳感、驅動(dòng)和處理息息相關(guān)。

    目前機器和環(huán)境的互動(dòng)還存在各種挑戰，機器人的視覺(jué)與感覺(jué)仍十分有限，精確的動(dòng)作控制也會(huì )受到諸多限制。為了因應這些問(wèn)題，使機器人更加貼近人類(lèi)的一步就是添加更多的感測器。德州儀器(TI)中區市場(chǎng)開(kāi)發(fā)高性能類(lèi)比產(chǎn)品業(yè)務(wù)拓展經(jīng)理信本偉認為機器人需要增加環(huán)境光感測器。他指出TI的ALS OPT3001可以匹配人類(lèi)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進(jìn)行回饋，使用該感測器可以讓機器人的動(dòng)作更加自然流暢。

    信本偉進(jìn)一步指出，在驅動(dòng)方面，TI也提供多款專(zhuān)業(yè)且先進(jìn)的周邊設備，如高分辨率和可配置的PWM、DAC界面連接和保護等。當然還有健全的防護式馬達驅動(dòng)解決方案。“TI的馬達驅動(dòng)解決方案同時(shí)結合了過(guò)電流與短路保護、熱保護、低電壓鎖定和擊穿保護等，并通過(guò)ISO61580工業(yè)功能安全標準的認證。”

    除了信本偉之外，TI中區嵌入式產(chǎn)品業(yè)務(wù)拓展總監吳健鴻介紹該公司在DSP馬達控制方面所累積的經(jīng)驗與產(chǎn)品。特別是在過(guò)去兩年內，TI推出了基于C2000的InstaSPIN FOC/Motion馬達控制算法以及基于Sitarra產(chǎn)品線(xiàn)的工業(yè)乙太網(wǎng)路解決方案。
    
    當然，在處理方面，TI則提供從單核心到八核心的DSP和MCU，可以因應機器人系統中不同等級的運算要求。TI中區嵌入式處理中區業(yè)務(wù)拓展經(jīng)理龐金鵬說(shuō)，“TI新的C2000系列產(chǎn)品Soprano采用三角函數單元(TMU)。Park變換(Park Transform)廣泛應用于馬達控制系統，主要用于決定在動(dòng)態(tài)交變負載作用下是否提供電壓實(shí)現大化扭矩，而TMU則可以大幅度提高Park變換的運算速度。在現行的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。”

    在馬達控制方面，ADI的馬達控制方案也非常適合工業(yè)機器人的應用。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(lèi)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亞太區馬達與電源控制產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)部專(zhuān)員于常濤表示，ADI的ADC產(chǎn)品可以有效滿(mǎn)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)編碼器和旋轉變壓器常常被用來(lái)作為位置感測器，而且旋轉變壓器的應用還會(huì )越來(lái)越普遍。

    伺服控制技術(shù)從類(lèi)比向數位的轉變推動(dòng)了現代伺服系統的發(fā)展，也滿(mǎn)足了對于馬達控制的性能和效率的高要求。從考慮安全和保護的角度，訊號采樣和功率元件驅動(dòng)應該采用隔離技術(shù)，ADI的iCoupler數位隔離器產(chǎn)品可滿(mǎn)足高壓安全隔離要求。在工業(yè)應用的設計中，IC產(chǎn)品需要更長(cháng)的生命周期和更高可靠度。普通的交流感應馬達向永磁同步馬達轉變已是大勢所趨，要求系統設計師能提供更高效率和更靈活的算法。

    據于常濤介紹，ADI可以提供種類(lèi)齊全的產(chǎn)品組合，包括類(lèi)比數位/數位類(lèi)比轉換器、放大器、嵌入式處理器、iCoupler數位隔離器和電源管理元件；這些高性能的元件和增加系統整合度有助于實(shí)現更新型的拓撲結構設計，為客戶(hù)實(shí)現系統的差異化設計帶來(lái)價(jià)值，伺服驅動(dòng)系統的性能與使用者終所構建的運動(dòng)控制系統的性能及其所能提供的精確度密切相關(guān)。

工業(yè)機器人面臨技術(shù)挑戰

    雖然機器人技術(shù)在近年來(lái)取得了大幅進(jìn)展，但還有許多挑戰必須克服，如系統復雜度、算法、功能安全和成本等問(wèn)題。

    目前的工業(yè)機器人大都是3~6軸，高的為7軸，未來(lái)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，對算法和運算都是一次重大挑戰。隨著(zhù)工業(yè)機器人越來(lái)越普遍應用在生產(chǎn)線(xiàn)上，與人類(lèi)一起在工廠(chǎng)中共同工作，因此，他認為在機器人的設計過(guò)程中，如何保護操作工人的安全也是一大挑戰。

    常濤認為，‘智慧’是一個(gè)相對的概念，在工業(yè)機器人智慧化的過(guò)程中遇到的技術(shù)障礙難以簡(jiǎn)單描述，但他認為在系統設計、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，半導體廠(chǎng)商與工業(yè)機器人廠(chǎng)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正嘗試從可擴展和即時(shí)性能、智慧感測和FieldBus引擎等方面克服工業(yè)機器人在系統整合、效率、成本和精密性能等方面的挑戰。

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

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

來(lái)源：工業(yè)機器人啟動(dòng)半導體制造新篇章