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”計劃，還是日本正在實施的“智慧制造系統(tǒng)”和中國工信部通過的“中國制造2025規(guī)劃”，這些都指向同一個目標(biāo)，那就是希望通過先進(jìn)的IT與自動化技術(shù)來促進(jìn)制造業(yè)的革新，以實現(xiàn)“智能化”，提升效率，降低成本。而要實現(xiàn)這個目標(biāo)工業(yè)機器人是不可或缺的一環(huán)。
基于Altera Cyclone V SoC的單芯片工業(yè)機器人系統(tǒng)架構(gòu)
以前，工業(yè)機器人應(yīng)用最為廣泛的是汽車制造業(yè)；現(xiàn)在，工業(yè)機器人制造企業(yè)正努力向其他領(lǐng)域拓展。工業(yè)機器人制造企業(yè)也如雨后春筍般不斷涌現(xiàn)，據(jù)統(tǒng)計僅去年中國國內(nèi)差不多增加了200多加工業(yè)機器人制造廠商。對于工業(yè)機器人的市場前景，業(yè)界都是一致看好，普遍認(rèn)為未來5~10年將會迎來工業(yè)機器人的一個爆發(fā)期。不過，要想在這一波浪潮中得益的話也并不容易。因為工業(yè)機器人涉及的系統(tǒng)相當(dāng)復(fù)雜，僅核心零部件就包括了機械系統(tǒng)、控制器、伺服器和減速器等等。本刊就工業(yè)機器人的關(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)機器人當(dāng)中的一些電子核心零部件。
控制器平臺之爭
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，有三個趨勢在推動著工業(yè)自動化市場的蓬勃發(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。而只有前面兩個因素達(dá)到后，才有可能實現(xiàn)智能工廠。他認(rèn)為工業(yè)機器人是自動化里的很關(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)，主要是因為工業(yè)以太網(wǎng)的實時性更好。工業(yè)以太網(wǎng)可以連接主站和從站，連接主站中的PLC、PAC/運動控制器和HMI，和從站中的伺服器、I/O模塊等等。
他進(jìn)一步指出，其實工業(yè)機器人就是由這些關(guān)鍵零組件組合而成。由這些主站和從站可以組合成一個工業(yè)機器人，也可以做成一個CNC，CNC也是工廠自動化的一個關(guān)鍵。
雖然工業(yè)機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)機器人里面的話也會有所不同。工業(yè)機器人的主要結(jié)構(gòu)有機器人的控制器和伺服器。目前來說工業(yè)機器人有兩軸、3軸的、最高也有7軸的。不過常用的是3~6軸的SCARA或Delta機械手臂。
由于中國是生產(chǎn)制造大國，由于缺工，智能手機和汽車制造商的需求，工業(yè)機器人市場增長非常迅速。江允貴表示，對于工業(yè)機器人的主控平臺來說，一般都是以基于PC的X86的工控機為主，特別是在歐美工業(yè)機器人市場。一般在這樣的X86平臺上，F(xiàn)PGA是作為輔助存在的，主要充當(dāng)加速的功能。在一個X86工控機主控平臺上經(jīng)常會出現(xiàn)多張PCI-E或PCI卡來實現(xiàn)多軸控制功能。不過這樣的主控平臺一般用于比較高端的工業(yè)機器人當(dāng)中，因為它性能高，成本也高。
還有一種主控平臺是用多核心的高端DSP為核心設(shè)計的，不過不是很常見的。
另外還有嵌入式主控平臺。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現(xiàn)工業(yè)機器人的控制，而不需要昂貴的X86平臺再加上FPGA來做機器人的控制。
工業(yè)機器人的種類比較多，其最主要的功能有焊接、搬運、擺放、切割和噴漆等等。按照應(yīng)用場景的不同，機器人的設(shè)計要求也會不一樣，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芯片制作出了一個快速、擺放型工業(yè)機器人參考設(shè)計方案。”江允貴這樣對本刊記者表示。該工業(yè)機器人的主站控制平臺由基于Cyclone V SoC的開發(fā)板實現(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。對擺放型工業(yè)機器人來說，速度和精確度是最重要的參考指標(biāo)，因為只有這樣才能提高生產(chǎn)效率。“為達(dá)到高速和高精確度的指標(biāo)，我們在這個參考設(shè)計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)到更好的實時性。”江允貴表示。
為了證明這個工業(yè)機器人的性能，他通過視頻展示了該擺放型工業(yè)機器人在下跳棋、巡邊和畫圓周等運動方式。他認(rèn)為這三個運動方式可以很明顯地看出機器人的效能。
基于Altera Cyclone V SoC的單芯片工業(yè)機器人系統(tǒng)架構(gòu)
目前市場上還比較少見使用單芯片來實現(xiàn)工業(yè)機器人的主站控制。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有一個核用作運動控制，另一個核用來做EtherCAT主站。雙核各自負(fù)責(zé)自己的功能，運動控制功能主要負(fù)責(zé)機器人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個伺服驅(qū)動器。據(jù)江允貴透露，參考設(shè)計中的伺服驅(qū)動來自臺達(dá)。每個伺服驅(qū)動里面都有一個FPGA用來做EtherCAT接口。目前伺服驅(qū)動里的算法還是通過DSP來實現(xiàn)的。
“當(dāng)然，我們并不做機器人的開發(fā)，只是提供一個參考設(shè)計，證明單芯片也是可以實現(xiàn)機器人主站控制的。”江允貴這樣表示，“我們可以把我們的經(jīng)驗分享給機器人制造商，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歐美機器人廠商并沒有太大的吸引力，他們更愿意使用X86平臺。反而是亞太區(qū)的機器人廠商更愿意接受。因為單芯片方案不僅可以幫助降低成本，也可以讓他們生產(chǎn)差異化的產(chǎn)品，以避免與歐美機器人廠商直接競爭。
伺服器解析
若要工業(yè)機器人的性能滿足需求，除了要有好的主控平臺外，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、電機驅(qū)動和處理器等等。精密算法與傳感、驅(qū)動和處理息息相關(guān)。
目前機器和自然的交互還是一個難度很大的課題，機器人的視覺、感覺等都十分有限，精準(zhǔn)的動作控制也會受到諸多限制。為了應(yīng)對上述問題，使機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器人的動作更加流暢，自然。
信本偉進(jìn)一步指出，在驅(qū)動方面，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)式電機驅(qū)動解決方案。“德州儀器的電機驅(qū)動解決方案同時結(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)吳健鴻對德州儀器在DSP電機控制方面的優(yōu)勢也充滿自信，他說，在電機控制領(lǐng)域，德州儀器積累了二十多年的經(jīng)驗，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)對機器人系統(tǒng)中不同等級的運算要求。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)用于電機控制系統(tǒng)中，主要是決定在動態(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的運算速度。在現(xiàn)行的32位浮點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個周期就完成Park變化。”
在電機控制方面，除了德州儀器，ADI的電機控制方案也非常適合工業(yè)機器人的應(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)換推動了現(xiàn)代伺服系統(tǒng)的發(fā)展，也滿足了對于電機控制的性能和效率的高要求。從考慮安全和保護(hù)的角度，信號采樣和功率器件驅(qū)動應(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)電機向永磁同步電機轉(zhuǎn)變已是大勢所趨，要求系統(tǒng)設(shè)計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)集成度有助于實現(xiàn)更新型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計，為客戶實現(xiàn)系統(tǒng)的差異化設(shè)計帶來價值，伺服驅(qū)動系統(tǒng)的性能同用戶最終所構(gòu)建的運動控制系統(tǒng)的性能和所能提供的精度密切相關(guān)。
工業(yè)機器人面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)
雖然機器人技術(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，可能會引進(jìn)更多自由度。江允貴表示，每一個自由度的增加，對算法和運算都是一次大的挑戰(zhàn)。隨著工業(yè)機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)機器人與人一起同坐的，因此，他認(rèn)為在機器人的設(shè)計過程中，如何保護(hù)操作工人的安全也是一個不小的挑戰(zhàn)。
在于常濤看來，“智能”是一個相對的概念，在工業(yè)機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，但他個人認(rèn)為在系統(tǒng)設(shè)計、軟件算法、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。他覺得半導(dǎo)體廠商與工業(yè)機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展和實時性能、智能傳感和FieldBus引擎等方面去克服工業(yè)機器人在系統(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)機器人的用途很廣，種類很多，但對硬件平臺來講，其實是可以共用的。“比如我設(shè)計一個7軸的控制平臺，那么我也可以用這個平臺去生產(chǎn)3軸、4軸、5軸的工業(yè)機器人，只是有些硬件沒有用到而已，但是由于是平臺化的產(chǎn)品，量比較大，價格自然也可以控制下來。”因此，他覺得模塊化，平臺化的產(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”的來臨，機器人的智能化會更加明顯。
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