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)計畫，還是日本正在實施的‘智慧制造系統(tǒng)’(IMS)和中工信部通過的‘中制造2025規(guī)劃’，這些都指向同一個目標(biāo)，那就是希望透過先進(jìn)的IT與自動化技術(shù)促進(jìn)制造業(yè)的革新，從而實現(xiàn)‘智慧化’，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)。

    工業(yè)機器人應(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)機器人的專屬用途。

機器人征服全球市場

    業(yè)界一致看好工業(yè)機器人的市場前景，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。根據(jù)際機器人聯(lián)合會(IFR)的統(tǒng)計，2014年全球機器人銷售量達(dá)到22.5萬臺，比2013年成長27%，寫下新高紀(jì)錄。

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

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

    IFR總裁Arturo Baroncelli認(rèn)為加速機器人自動化趨勢的原因包括：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(hù)工人健康的全球意識提升。

    自動化不再是一種選擇，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(yīng)用正以快速的步伐進(jìn)展，很快地，業(yè)經(jīng)訓(xùn)練的機器人將準(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)機器人涉及的系統(tǒng)相當(dāng)復(fù)雜，僅核心元件就包括了機械系統(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(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)機器人是自動化的關(guān)鍵部分，目前有三大趨勢正推動工業(yè)自動化市場發(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’。只有在實現(xiàn)前兩項因素后，才可能實現(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工業(yè)機器人，也可以做成一個電腦數(shù)值控制(CNC)，CNC也是工廠自動化的一個關(guān)鍵。

    工業(yè)機器人的主要內(nèi)部結(jié)構(gòu)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。不過常見的是3~6軸的SCARA或Delta機械手臂。

    因應(yīng)智慧型手機和汽車制造商的需求，工業(yè)機器人市場成長非常迅速。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工控機為主，特別是在歐美工業(yè)機器人市場。在這樣的X86平臺上，F(xiàn)PGA通常以輔助角色提供加速功能。在一個X86工控機主控平臺上經(jīng)常出現(xiàn)多張PCI-E或PCI卡共同實現(xiàn)多軸控制功能。不過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(shè)計，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。江允貴表示，該公司希望使用單晶片就能實現(xiàn)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)機器人的種類較多，主要的功能有焊接、搬運、擺放、切割和噴等等。按照應(yīng)用場景的不同，機器人的設(shè)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晶片開發(fā)出一款快速、擺放型工業(yè)機器人參考設(shè)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的開發(fā)板實現(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)機器人來說，速度和精確度是重要的參考指標(biāo)，因為只有這樣才能提高生產(chǎn)效率。江允貴說：“為了達(dá)到高速和高精確度的指標(biāo)，我們在這個參考設(shè)計中采用目前普及的EtherCAT工業(yè)乙太網(wǎng)路，加上我們改良實體層后，可以達(dá)到更好的即時性。”

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

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

    目前市場上比較少見使用單晶片來實現(xiàn)工業(yè)機器人的主機控制。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中有一個核心作為運動控制，另一個核心用來執(zhí)行EtherCAT主機。雙核心各自負(fù)責(zé)自己的功能，運動控制功能主要執(zhí)行機器人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)電子(Delta)。每個伺服驅(qū)動中都有一個FPGA用來做EtherCAT介面。目前伺服驅(qū)動中的演算法還是透過DSP來實現(xiàn)。

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

    不過他也坦承這種單晶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。亞太區(qū)的機器人廠商接受度較高，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商直接競爭。

伺服器/演算法

    為了滿足工業(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(dá)、馬達(dá)驅(qū)動和處理器等等。精密演算法與傳感、驅(qū)動和處理息息相關(guān)。

    目前機器和環(huán)境的互動還存在各種挑戰(zhàn)，機器人的視覺與感覺仍十分有限，精確的動作控制也會受到諸多限制。為了因應(yīng)這些問題，使機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器人的動作更加自然流暢。

    信本偉進(jìn)一步指出，在驅(qū)動方面，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)動解決方案。“TI的馬達(dá)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，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)機器人系統(tǒng)中不同等級的運算要求。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)，主要用于決定在動態(tài)交變負(fù)載作用下是否提供電壓實現(xiàn)大化扭矩，而TMU則可以大幅度提高Park變換的運算速度。在現(xiàn)行的32位元浮點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)的性能與使用者終所構(gòu)建的運動控制系統(tǒng)的性能及其所能提供的精確度密切相關(guān)。

工業(yè)機器人面臨技術(shù)挑戰(zhàn)

    雖然機器人技術(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重大挑戰(zhàn)。隨著工業(yè)機器人越來越普遍應(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)為在機器人的設(shè)計過程中，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’是一個相對的概念，在工業(yè)機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、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正嘗試從可擴展和即時性能、智慧感測和FieldBus引擎等方面克服工業(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，種類很多，但在硬體平臺方面其實是可以共享的。“例如我設(shè)計出一個7軸的控制平臺，那么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，價格自然可以控制下來。”因此，他覺得模組化、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，隨著技術(shù)的進(jìn)步以及‘奇點’的來臨，機器人將大踏步邁向智慧化道路。

來源：工業(yè)機器人啟動半導(dǎo)體制造新篇章