無論是德國率先提出的“工業4.0”概念，美國推行的“先進制造伙伴關系(AMP)”計劃，還是日本正在實施的“智慧制造系統(IMS)”，這些都指向同一個目標，那就是希望通過先進的IT與自動化技術來促進制造業的革新，以實現“智能化”，提升效率，降低成本。而要實現這個目標工業機器人是不可或缺的一環。

 

以前，工業機器人應用最為廣泛的是汽車制造業；現在，工業機器人制造企業正努力向其他領域拓展。工業機器人制造企業也如雨后春筍般不斷涌現，據統計僅去年中國國內差不多增加了200多加工業機器人制造廠商。對于工業機器人的市場前景，業界都是一致看好，普遍認為未來5~10年將會迎來工業機器人的一個爆發期。不過，要想在這一波浪潮中得益的話也并不容易。因為工業機器人涉及的系統相當復雜，僅核心零部件就包括了機械系統、控制器、伺服器和減速器等等。本刊就工業機器人的關鍵技術問題采訪了一些半導體廠商，詳細介紹了工業機器人當中的一些電子核心零部件。

控制器平臺之爭

 

在Altera公司亞太區工業業務部市場開發首席經理江允貴看來，有三個趨勢在推動著工業自動化市場的蓬勃發展。一是，提升能源效率，降低能源成本；二是提升生產效率，這包括功能安全、生產線的穩定安全、保護操作人員的安全、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到后，才有可能實現智能工廠。他認為工業機器人是自動化里的很關鍵一部分。

江允貴拿智能工廠舉例，他說現在一個典型的的智能工廠，從企業到工廠，以及工廠內如都是以工業以太網相連接的，他認為用工業以太網取代傳統的以太網，主要是因為工業以太網的實時性更好。工業以太網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。

 

他進一步指出，其實工業機器人就是由這些關鍵零組件組合而成。由這些主站和從站可以組合成一個工業機器人，也可以做成一個CNC，CNC也是工廠自動化的一個關鍵。

 

雖然工業機器人可以看成是由上面的零組件組合而成，但具體到工業機器人里面的話也會有所不同。工業機器人的主要結構有機器人的控制器和伺服器。目前來說工業機器人有兩軸、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。

 

由于中國是生產制造大國，由于缺工，智能手機和汽車制造商的需求，工業機器人市場增長非常迅速。江允貴表示，對于工業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，特別是在歐美工業機器人市場。一般在這樣的X86平臺上，FPGA是作為輔助存在的，主要充當加速的功能。在一個X86工控機主控平臺上經常會出現多張PCI-E或PCI卡來實現多軸控制功能。不過這樣的主控平臺一般用于比較高端的工業機器人當中，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正在關注這部分的市場。他們希望可以使用單芯片就能實現工業機器人的控制，而不需要昂貴的X86平臺再加上FPGA來做機器人的控制。

如何利用單顆SoC芯片制作工業機器人

 

工業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。按照應用場景的不同，機器人的設計要求也會不一樣，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、擺放型工業機器人參考設計方案。”江允貴這樣對本刊記者表示。該工業機器人的主站控制平臺由基于Cyclone V SoC的開發板實現。可以應用在生產線上，包括螺絲的擺放，飲食業中食品(方便面，糖果等)的擺放。對擺放型工業機器人來說，速度和精確度是最重要的參考指標，因為只有這樣才能提高生產效率。“為達到高速和高精確度的指標，我們在這個參考設計中采用了目前最受歡迎的EtherCAT工業以太網。EtherCAT屬于以太網，但經過我們改良物理層后，可以達到更好的實時性。”江允貴表示。

 

為了證明這個工業機器人的性能，他通過視頻展示了該擺放型工業機器人在下跳棋、巡邊和畫圓周等運動方式。他認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的單芯片工業機器人系統架構）

 

目前市場上還比較少見使用單芯片來實現工業機器人的主站控制。從圖2中的系統架構圖中可以看到，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。雙核各自負責自己的功能，運動控制功能主要負責機器人3只手臂的協調工作，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個伺服驅動器。據江允貴透露，參考設計中的伺服驅動來自臺達。每個伺服驅動里面都有一個FPGA用來做EtherCAT接口。目前伺服驅動里的算法還是通過DSP來實現的。

 

“當然，我們并不做機器人的開發，只是提供一個參考設計，證明單芯片也是可以實現機器人主站控制的。”江允貴這樣表示，“我們可以把我們的經驗分享給機器人制造商，幫助他們快速制造出產品來。”

 

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，也可以讓他們生產差異化的產品，以避免與歐美機器人廠商直接競爭。

至關重要的伺服器和精密算法

 

若要工業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、電機驅動和處理器等等。精密算法與傳感、驅動和處理息息相關。

 

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，精準的動作控制也會受到諸多限制。為了應對上述問題，使機器人更加貼近人類的第一步就是添加更多的傳感器。德州儀器中國區市場開發高性能模擬產品業務拓展經理信本偉覺得可以給機器人加入環境光傳感器。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，并像任何精確閉環控制一樣向控制系統進行反饋，使用該傳感器可以讓機器人的動作更加流暢，自然。

 

信本偉進一步指出，在驅動方面，德州儀器也可以提供很多專業且先進的外圍設備，比如高分辨率和可配置的PWM、DAC界面連接和保護等等。當然還有健全的防護式電機驅動解決方案。“德州儀器的電機驅動解決方案同時結合了過電流與短路保護、熱保護、低電壓鎖定和擊穿保護等等。并通過了ISO61580工業功能安全標準的認證。”他對本刊記者表示。

 

（德州儀器中國區嵌入式產品業務拓展總監吳健鴻）

 

除了信本偉之外，德州儀器中國區嵌入式產品業務拓展總監吳健鴻對德州儀器在DSP電機控制方面的優勢也充滿自信，他說，在電機控制領域，德州儀器積累了二十多年的經驗，有比較多的成熟可靠的產品。就在過去兩年內，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產品線的工業以太網解決方案。

 

當然，在處理方面德州儀器的產品也算是豐富的，它有蔥單核到八核的DSP和MCU，可以應對機器人系統中不同等級的運算要求。德州儀器中國區嵌入式處理中國區業務拓展經理龐金鵬拿電機控制舉例說，“TI最新的C2000系列產品Soprano采用了三角函數單元(TMU)。Park 變化廣泛應用于電機控制系統中，主要是決定在動態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。”

 

 

（ADI亞太區電機與電源控制行業市場部專員于常濤）

 

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，安全隔離相關的派生產品，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亞太區電機與電源控制行業市場部專員于常濤表示，ADI的ADC產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鍵，光學編碼器和旋轉變壓器常常被用來作為位置傳感器，而且旋轉變壓器會越來越多地被使用。

 

伺服控制技術從模擬向數字的轉換推動了現代伺服系統的發展，也滿足了對于電機控制的性能和效率的高要求。從考慮安全和保護的角度，信號采樣和功率器件驅動應采用隔離技術，ADI公司的iCoupler數字隔離器產品可滿足高壓安全隔離要求。在工業應用的設計中，IC產品需要更長的生命周期和更高的可靠性。普通的交流感應電機向永磁同步電機轉變已是大勢所趨，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可以提供門類齊全的產品組合，包括模數/數模轉換器、放大器、嵌入式處理器、iCoupler數字隔離器和電源管理器件；這些高性能的器件和增加系統集成度有助于實現更新型的拓撲結構設計，為客戶實現系統的差異化設計帶來價值，伺服驅動系統的性能同用戶最終所構建的運動控制系統的性能和所能提供的精度密切相關。

工業機器人面臨的技術挑戰

 

雖然機器人技術在近幾年取得了非常大的進步，但還有許多挑戰存在，有不少難點需要克服，比如系統復雜度、算法、功能安全和成本等等問題。

 

目前的工業機器人大都是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。隨著工業機器人越來越多地在生產線上應用，而現在很多生產線都是工業機器人與人一起同坐的，因此，他認為在機器人的設計過程中，如何保護操作工人的安全也是一個不小的挑戰。

 

 

在于常濤看來，“智能”是一個相對的概念，在工業機器人智能化的過程當中遇到的技術障礙沒辦法簡單描述，但他個人認為在系統設計、軟件算法、技術創新，以及對新技術的敏感度和接受度方面還有很大的提升空間。他覺得半導體廠商與工業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機器人在系統整合、效率、成本和精密性能等方面面臨的挑戰。

 

居高不下的成本是阻礙企業大規模采用工業其人的關鍵因素之一，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。“比如我設計一個7軸的控制平臺，那么我也可以用這個平臺去生產3軸、4軸、5軸的工業機器人，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，平臺化的產品更有益于產品的開發和推廣，也有利于產品成本的降低。

 

工業機器人還在不斷地向前發展著，相信隨著技術的進步，隨著“奇點”的來臨，機器人的智能化會更加明顯。

注明：文章來源個人圖書館，作者：新用戶8447VjsA 

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