机器手臂/工业联网商机俏 芯片商新品轮番抢市

2015-08-07 18:30:10来源: 新电子
    机器手臂工业联网设计需求爆发,吸引晶片商竞推新一代嵌入式处理器,以达成更优异的机器人伺服马达(Servomotor)控制性能;与此同时,晶片业者更利用FPGA SoC,灵活支援EtherCAT、PROFINET和Powerlink等多种工业乙太网协定,进而满足不同系统厂设计要求。

机器手臂在智慧工厂扮演要角,相较过去须设安全栏才能上工的传统型工业机器人,新一代协作型机器手臂正企图改变过去的生产模式,其内置的力量控制器能限制接触时的力道,避免造成人体伤害,因此能与人共同作业,同时毋须安全栅栏,可与人类近距离工作,预期协作型机器手臂将蓬勃发展。  
UR新款协作机器手臂 注重轻巧/安全/灵活性 


图1 Universal Robots亚洲区总经理Shermine Gotfredsen认为,随着市场的趋势发展,未来市场对多样化的夹具以及机器视觉系统的需求会增加。
Universal Robots(UR)亚洲区总经理Shermine Gotfredsen(图1)表示,除了运用机器人解决人力问题之外,在面临订单更改或是小批量生产时,机器人能否有足够灵活度面临急迫改变,以及机器人的安全性与体积等,都成为机器人厂商设计时的重要考量。  

Gotfredsen进一步解释,该公司今年推出的新款协作型机器手臂可改善上述问题,其具备安全性和灵活性,并允许所有腕关节节点三百六十度旋转,适用于电子元件、电路板和医疗设备等产业;同时其容易编程,可应对未来少量多样化的生产方式。  

未来智慧工厂的机器人将更加注重安全、灵活和弹性,而为了达到上述目的,机器人也必须不断晋级,逐渐从最简单的三轴、四轴,演化至现今常见的六轴机器人,未来更可能出现七轴,甚至是十轴机器人。  

而当机器人关节轴数增加时,则更需要功能强大的伺服马达控制关节,使其能更准确控制、移动和反应,而相关伺服马达控制的关键元件包括MCU、DSP和FPGA等,各家生产相关元件的半导体厂商无不瞄准此波控制商机;此外,随着工业物联网热度升温,半导体厂商也已布局工业乙太网路解决方案。  

TI新款处理器将于Q3登场 提升Robot控制力/安全性 

掌控机器人关节的新利器即将报到。德州仪器(TI)预计今年九月底发表新款处理器,该产品能更提升多轴机器人的控制能力与安全性。  


图2 德州仪器资深科技委员会委员兼应用协理郑曜庭观察,今年“机器人与自动化展”上,工研院已开发技术提升机器人安全性,产业亦研发多款机器人,但则较少见厂商投入与机器人相关的联网分析。
德州仪器资深科技委员会委员兼应用协理郑曜庭(图2)表示,今年的智慧工厂发展趋势,可发现业者更为关注“安全性”。因为近日德国汽车大厂福斯才刚发生机器人误伤操作员的死亡事件,不禁令人更加省思机器人的安全性。他认为,德国致力发展工业4.0,已经是先进制造业国家,却仍然发生机器人致死事故,因此其他晚近投入工业4.0的国家,应该更加关注此问题。  

同时,基于机器人日益增加关节轴数,亦须提升其控制与即时反应能力,才可增进机器人的安全性,因此德州仪器预计今年第三季末推出新款处理器。该产品以ARM Cortex-A15为基础,内建可编程即时单元(PRU)和数位讯号处理器(DSP),与过去类似产品相比,多了压缩影像之功能,可降低传输量且能处理庞大资料。  

值得一提的是,智慧工厂由多种要素组成,涉及多种技术与通讯标准的支援,郑曜庭表示,因此智慧工厂将促成感测器、控制器、闸道器(Gateway)等元件需求上升,据了解,该公司目前也已针对上述元件提出相关解决方案;他亦指出,智慧工厂除了机器人等硬体设备,也必须包含物联网/云端巨量资料的分析与预测,才能提供较佳的安全服务。  

除了德州仪器致力于开发新处理器于机器人控制应用外,亚德诺(ADI)亦看好工业自动化市场,持续布局投资该领域。  


图3 亚德诺亚太区马达与电源控制行业市场部经理于常涛表示,工业自动化是相对稳定、缓慢而又持续技术革新的行业。
亚德诺亚太区马达与电源控制行业市场部经理于常涛(图3)表示,智慧工厂是较大的概念,有诸多处理器产品被应用,从半导体厂商的角度而言,伺服控制将是商机所在,该公司针对伺服控制领域推出浮点混合讯号处理器和多核心处理器。  

于常涛进一步解释,从产业趋势来看,不管是处理器、相应工具或具备相应技能的工程师资源等,将越来越倾向标准化平台,而新款浮点混合讯号处理器适用于开发通用伺服产品,譬如单轴和双轴控制,此外该处理器内建Sinc滤波器可以节省以FPGA实现同一功能所需的成本和工程资源。  

另外,针对多轴控制系统和运动控制,该公司则推出多核心处理器。该处理器具备低功耗且周边介面丰富,提升即时处理任务与管理周边的能力,以方便连接工业封闭回路控制。据悉,该公司除了布局伺服马达控制外,目前也看好工业乙太网路在智慧工厂的前景,因此已有相关布局计画。  

ST量产Cortex-M7 MCU 机器人关节控制更精准 

意法半导体(ST)近日则宣布量产采用ARM Cortex-M7核心的新一代MCU,助力机器人控制效能更上一层楼。  


图4 意法半导体资深产品行销经理杨正廉指出,近年劳动市场变化大,使得智慧工厂发展热潮更加快速在全球扩散。
意法半导体资深产品行销经理杨正廉(图4)表示,过去该公司推出的Cortex-M4 MCU已兼具DSP功能,而今年量产的Cortex-M7 MCU包含之DSP,更提升其表现能力。与先前产品相比,其可更正确控制,并提供复杂运算与快速计算/反应的能力,且能涵盖中低阶DSP马达控制应用市场,同时满足工业自动化领域里中大型系统的控制系统以及中高阶人机介面应用,目前已有知名工控厂商与ST接洽该产品。  

杨正廉提到,ST早在八年前便已瞄准工业自动化领域,并意识到人力终将减少,未来必须依靠机器人作业,因此即使当时相关元件的订单数量稀少,但该公司仍旧持续耕耘该领域,未来在工业自动化布局将持续研发更高阶的MCU,藉以增进控制精确度、速度和表现能力。  

MCU/工业乙太网新品上阵 瑞萨竞逐智慧工厂商机 

工业4.0除了升级硬体设备,也必须从云端和通讯领域着手,进而打造智慧工厂。半导体晶片商瑞萨电子(Renesas Electronics)看好智慧工厂前景,不仅更为强化旗下MCU产品,亦积极发展工业乙太网路方案。  


图5 瑞萨行销暨车用事业部策略行销部经理黎柏均表示,智慧工厂是半导体晶片商的新一波商机,该公司未来将聚焦提升晶片的效能、可靠性和保密性。
瑞萨行销暨车用事业部策略行销部经理黎柏均(图5)表示,未来制造业的营运取向,已非大量生产,而是着重少量多样、产品差异化和客制化,以创造更高的附加价值,而智慧工厂可以即时管理、提升效率与降低成本等特点,能符合此一发展趋势。  

黎柏均认为,并非具有联网功能,即能称为智慧工厂,未来智慧工厂除须导入联网功能之外,更须藉由巨量资料分析以侦测异状,提供更即时、高效率的工厂管理。  

黎柏均指出,对半导体晶片商而言,替设备现有控制器加入联网功能,并非难事,但晶片商如何在不同系统和网路通讯协定下,藉联网提供更高效能或更完整的平台解决方案,是现阶段的挑战。  

在此情况下,瑞萨电子为了加速智慧工厂成形,在MCU方面,则推出RZ/T产品,藉由升级CPU进行更复杂运算与更快速的反应时间,同时此款MCU产品搭载该公司新推R-IN平台,此平台可兼容多数工业乙太网路通讯协定,使得新款MCU与过去元件相比,可于更小空间内整合马达控制与联网功能,适合导入机器人应用,可缩小机器人尺寸。  

赛灵思祭出FPGA/SoC新品 抢占机器人/工业联网版图 
因汽车、3C和食品饮料等产业的工业自动化市场需求大,对半导体厂商而言,工业机器人、工业网路和机器视觉皆是新兴商机。其中智慧工厂的“联网”和“机器人”已为众家厂商竞逐焦点,FPGA大厂赛灵思(Xilinx)已瞄准该浪潮,推出FPGA、SoC相关新品。  


图6 赛灵思亚太区Zynq业务开发经理罗霖认为,未来工业机器人增加诸多功能,譬如智慧、安全与处理能力,预计可带动半导体零件如CPU、SoC、DSP、MCU、FPGA蓬勃发展。
赛灵思亚太区Zynq业务开发经理罗霖(图6)表示,未来工厂自动化程度愈来愈高,藉由机器取代人工渐成主流,其中工厂配备联网功能更是大势所趋,但眼前工业网路多达十种协议,并未有统一标准,相关产品如何支援众多协议成为一大挑战。  

同时,日前德国汽车大厂发生机器人夺命事故,提升安全性已成必须着重的挑战。  

因为工业乙太网路需要即时性,加上其有EtherCAT、PROFINET和Powerlink等多种协议,因此相关元件亦须具灵活性,未来FPGA可望于工业乙太网路有较多发挥机会,现阶段该公司针对多样的工业乙太网路推出专用解决方案,能支援五种网路标准。  

此外,罗霖认为未来工业机器人将增加诸多功能,譬如智慧/安全与处理能力,机器人内建之控制器,预计可带动半导体零件如CPU、SoC、DSP、MCU、FPGA蓬勃发展,目前该公司在工业机器人领域,提供多轴运动控制和路径规画的相关产品,已有伺服马达、工业摄影机、机器人控制器等厂商采用上述产品。  

未来该公司将针对工业乙太网路、机器人控制和机器视觉等领域布局,提供完整之解决方案,并加强晶片安全认证,以提供客户相关开发套件,使其便于开发智慧工厂和提高安全性。  

赛灵思并预计今年底将推出多重处理系统晶片(MPSoC)解决方案,该晶片强化CPU性能,适用于更高端的工业型机器人应用。  

伺服马达控制元件 MCU/DSP/FPGA各显神通 

机器人伺服马达控制常见的元件包括MCU、DSP和FPGA,而此三种元件在控制多轴机器人领域,可因低/中/高阶等不同轴数和应用取向的机器人,而各有适用元件。  

杨正廉表示,MCU应用于机器人控制上,可控制周边,并具有定位、环境感测等功能,无论低、中、高阶产品皆有MCU之需求,比起DSP和FPGA应用于机器人控制层面,MCU具有开发方便的特性,能更加快速地进行修改、重新设计及添加功能。  

黎柏均则认为,MCU、DSP和FPGA三种元件皆可以促进机器人应用更加方便,彼此并不会互相取代功能,反而会因为客户自身的考量,而可能彼此合作。 而MCU应用于机器人伺服马达控制的优势,黎柏均进一步指出,主要是因为其属于标准的程式化语言,现阶段在产/学界的人才养成,比起FPGA而言较为容易,同时若以瑞萨的MCU来说,在工业讯号处理方面,其拥有比较高的可靠性以及高抗干扰性。  

此外,郑曜庭观察,MCU/DSP/FPGA用于机器人各擅其场,应该要针对不同轴数的机器人对于可靠性/即时性的需求,来考量和选择适当组件。而在机器视觉方面,该公司内建PRU和DSP之产品,可以支援多种通讯协定,同时可处理巨量影像资讯,MCU则较无法处理大量影像,FPGA具有充分运算能力并适用于高阶产品,其虽能处理影像,但成本会过高。  

面对MCU/DSP逐渐进化产品性能,罗霖认为,FPGA在运算方面仍然具有相当优势。工业机器人比较常见多轴运算,譬如四轴或者是六轴机器人,可是MCU/DSP在运算方面未能满足其控制需求,但FPGA仍提供硬体/运算的加速,拥有较高性能和较低延迟,他举例,一个FPGA可控制六个伺服马达,但DSP只能驱动两个马达,显见FPGA控制算法性能较佳。  

另值得关注的是,半导体厂商除了关注机器人伺服马达控制之外,也有厂商关注工业自动化相关之记忆体和连接器应用,持续发展各式元件,布局智慧工厂。  

多领域技术襄助 工业智动化加速成形 

富士通(Fujitsu)半导体瞄准工业自动化市场,近年猛推FRAM产品,与其他记忆体相比,该产品具有较佳的读取次数及读取速度,有助提升工厂生产线效率。  


图7 富士通半导体上海有限公司市场部资深经理蔡振宇指出,FRAM具有较快读取速度,可节省制造时间,能提升生产线效率。
富士通半导体市场部资深经理蔡振宇(图7)表示,在工业4.0时代下,智慧工厂从下单、生产到云端分析,所有流程都必须在掌控之中,因此对机器人的要求也相对提高。而FRAM具有较快的读取速度,能节省时间,并提高生产线效率,目前已有日本、德国等国家的厂商将此种记忆体应用在工业自动化,譬如汽车生产线和工业用机器手臂等领域。  

然而,FRAM产品上市已有一段时日,始终面临成本较高之挑战,而无法广泛应用于市场。对此,蔡振宇指出,FRAM在成本上确实比其他记忆体高,因此该公司未来有研发3D FRAM的计画,藉此降低成本。  

另一方面,虽然FRAM成本高,但若客户对记忆体要求,希望具有较高可靠度与较多读写次数,比方像是中高阶的汽车生产线,FRAM便较适合该客户采纳,因此亦将透过开发特定市场客户,来解决上述之成本挑战;据了解,该公司预计在今年底推出更高容量和更具灵敏度的FRAM产品,以因应工业自动化市场需求。  

此外,未来物联网可望成为推动智慧工厂的核心技术,Molex中国区域销售经理JuiGoy Eng表示,目前智慧工厂最佳化的主要挑战,在于如何满足网路资料流量最佳化,以及用光纤互联实现技术的各项要求。  

有鉴于此,该公司推出光学引擎解决方案和新款连接器,可有效连结工业乙太网,该连接器可适用于极端恶劣与潮湿的工业环境,目前已有亚洲地区厂商采用。  

关键字:机器手臂  工业联网

编辑:北极风 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/xfdz/2015/0807/article_44111.html
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