距本届展会开幕

青岛国际博览中心
2018年8月2-6日

新闻中心 新闻中心

深度解说:盘点芯片商瓜分工业机器人的“吃相

 晶片商与工业电脑厂正大举抢攻机器手臂与机器视觉运算应用商机。工业型机器人应用前景看好,连带让机器人内部控制元件的行情跟著看俏,包括MCU、DSP、FPGA、工控平台等解决方案供应商亦正大举献计,期许能顺著工业智慧自动化的潮流,大发工业机器人财。

  工业型机器人需求掘起,可望带动庞

  晶片商与工业电脑厂正大举抢攻机器手臂与机器视觉运算应用商机。工业型机器人应用前景看好,连带让机器人内部控制元件的行情跟著看俏,包括MCU、DSP、FPGA、工控平台等解决方案供应商亦正大举献计,期许能顺著工业智慧自动化的潮流,大发工业机器人财。

  工业型机器人需求掘起,可望带动庞大市场商机。工业型机器人的核心能力在于智慧感测以及运动控制(Motion Control);而目前最普遍的工业型机器人样态即是模仿人类手臂的机器手臂。

  机器手臂已开始在智慧工厂的产线上发挥重要功能,成为智慧製造中不可或缺的要角。机器手臂可取代人工进行焊接、涂装及装配等流程,达到更经济、快速和准确完成标准的常规作业;而随著机器手臂日益受到重视,在机器手臂马达控制中担当重任的微控制器(MCU),亦可望跟著受惠。

  机器手臂马达控制需求增 MCU业者迎利多

  意法半导体(ST)大中华暨南亚区产品行销经理杨正廉表示,由于工厂产线上单一具机器人或是机器手臂,通常涉及多种运作机制,彼此虽各司其职但也要互相协调,因此内建于机器人中的控制器或处理器更是身负重任,可望搭上此波工业自动化风潮的顺风车快速成长。

  杨正廉进一步指出,在多种控制器或处理器中,又以MCU的市场前景最为可期。他解释,虽然MCU的处理效能比不上微处理器(MPU)、数位讯号处理器(DSP)或是现场可编程闸阵列(FPGA)等元件,不过由于目前智慧工厂产线上的机器人多以机器手臂为主,高精度、大型且完全拟真人的机器人还不普遍,而机器手臂注重的是马达控制效能,因此已在马达控制领域占有一席之地的MCU业者将最直接受惠。

  据了解,机器人系统的自由度(Degrees of Freedom, DOF)高低取决于移动关节数目,关节数愈多,自由度越高,位移精准度也愈出色,然所须使用的马达数量就相对较多;换言之,愈精密的工业型机器人,其内建的马达数量愈多,也意味著控制器或处理器的数量将相应增加。

  因此杨正廉表示,工业型机器人市场需求愈旺,对MCU业者来说商机也愈大;以单支机器手臂为例,其内建的控制器平均约有八成为MCU,剩下的才是MPU等高效能处理器。

  为满足机器人马达控制应用,MCU业者除须提供易开发的嵌入式平台、设计工具及通用软体外,更要建立好MCU周边完善的通讯环境,亦即MCU须能处理各种工业通讯协议,包括控制区域网路汇流排(CAN BUS)、通用序列汇流排(USB)、序列周边介面汇流排(SPI)、乙太网路、无线区域网路(Wi-Fi)、蓝牙(Bluetooth)等基本通讯。

  另一方面,MCU运算效能亦须与时俱进。杨正廉指出,目前MCU的平均效能约介于80?100DMIPS之间,高阶MCU则上看200DMIPS,而为了助力工业型机器人的控制效能、精准度不断提升,未来MCU业者的首要开发目标是将效能提升至300?400DMIPS,同时持续优化周边元件的性能,如将类比数位转换器(ADC)从主流的12位元逐渐汰换成16位元;此外,也要戮力改善MCU对周边开发环境的IP支援。

  值得注意的是,瞄准机器手臂马达控制应用,DSP也开始导入Cortex-M4核心。继MCU厂大举採用安谋国际(ARM)Cortex-M4核心后,亚德诺(ADI)与飞思卡尔(Freescale)等晶片业者,也竞相推出基于Cortex-M4核心的DSP解决方案,期利用ARM核心完整生态系统,加速马达系统开发商产品设计即上市时程,大举抢攻马达控制应用商机。

  借力Cortex核心 DSP商抢攻马达控制商机

  亚德诺台湾区DSP/MCU产品技术经理郭兆桁表示,随著工业自动化逐渐往智慧自动化发展,产线上对于高效能且智慧化运作的机器人需求日益迫切,因此该公司决定採用Cortex-M4核心开发新的DSP方案,以实现更高精准度的马达控制,满足机器人智动化应用。

  郭兆桁进一步指出,过去马达控制大多是MCU业者的天下,然而随著以Cortex-M4架构开发的DSP方案问世,DSP将可摆脱高成本及限于高阶影像运算应用的框架,跨足高阶马达控制市场,与MCU互争地盘。

  郭兆桁提到,选用Cortex-M4架构开发产品的主要因素,是考量到ARM生态系统完整性。他解释,过去DSP厂大多是以自行开发的核心架构为基础;然而,若要跨足MCU应用大本营,也就是马达控制市场,则须选用软体架构、开发平台都较为完整,且元件相容性较高的ARM架构,较易吸引机器人马达控制系统开发商的青睐。

  以Coretex-M4为核心打造的数位讯号处理器架构示意图

  据了解,亚德诺的混合讯号处理器--ADSP-CM40x,即搭载一颗240MHz Cortex-M4处理器核心,且为业界首款嵌入双通道16位元ADC的DSP。郭兆桁强调,亚德诺分别採用65奈米与0.25微米製程生产DSP处理器核心与ADC,使每个元件的效能得以发挥到极大值,并借力SINC滤波器,使其可直接採用分流电阻式电流检测系统架构中的隔离式Σ-Δ型调变器,因此可大幅提升马达控制效率。

  飞思卡尔(Freescale)微控制器高级系统工程师施长浩进一步指出,事实上,不论嵌入式处理器效能多麽强大,单颗的MCU或DSP方案都已经无法满足工业型领域的客户,目前的趋势是应用处理器(AP)和MCU协同工作,或是MCU整合DSP的方案,以此提供智慧自动化所需要的运算效能、人机介面应用和各种即时运算。因此飞思卡尔系选择扩展ARM架构嵌入式处理器产品线,在各平台全面导入ARM核心,抢攻马达控制、人机介面、机器视觉等工业型机器人商机。

  目前,飞思卡尔开发的ARM产品线,包含从最低阶的Kinetis MCU(基于Cortex-M0+/M4核心),到锁定即时运算和人机介面应用的Vybrid处理器(基于Cortex-A5+M4核心),直到同时整合绘图处理器(GPU)、影像处理器(IPU),可替代独立DSP与加速处理器(APU),且满足机器视觉(Machine Vision)运算需求的高阶i.MX应用处理器(基于Cortex-A9核心),可为开发商提供一站式解决方案。

  在马达控制方面,飞思卡尔则推出Kinetis E系列、V系列以及DSC系列产品,全面涵盖各类马达控制应用。

  除了嵌入式处理器厂商之外,FPGA厂也将大啖机器手臂马达控制商机。FPGA业者正积极挟高效能、高灵活性与扩展性的产品优势,抢攻机器手臂多轴化引发的马达控制商机,助力机器手臂达到完全拟人的效果,并降低生产成本及提高作业效率。

  挟高效能优势 FPGA满足机器手臂多轴化设计

  赛灵思(Xilinx)亚太区Zynq业务开发经理罗霖表示,因应工厂产线精密化,目前生产线上的机器手臂有朝向多轴化发展的趋势,这是为了让机器手臂能完全替代人类手臂,以执行多种精密、複杂的拟人动作,如此一来还可将过去须要透过多道不同运动控制类型的机器手臂产线转为合併成单一产线,降低生产成本及提高工厂作业效率。 为了迎合机器手臂的多轴化发展趋势,机器手臂内建的马达数量及轴数都必须增加,当其中一个马达轴旋转到特定角度时,与其同处一个连动系统的马达轴也须旋转至相应的正确角度,且不同系统之间的搭配协调也至关重要;因此罗霖指出,相较于只能在单一节点上运作的MCU,FPGA的扩展性及运作效能将更能应付设计日趋複杂的多轴马达运算需求。

  罗霖进一步分析,FPGA在同一机器手臂内,针对低、中、高阶内部系统皆能提供开发商一致的扩展性和灵活性;如开发商可选择在各个分散式控制的小型节点中都内建FPGA,也可选择在大型节点中置入效能更为强大的FPGA系统单晶片(SoC),以单一颗FPGA SoC就能完成机器手臂整体的多轴马达控制。 以马达控制的核心--电流环为例,若以低阶的DSP来做为马达控制核心,则系统平均约须200微秒(μs)来启动电流环运作;不过若是透过FPGA则仅须耗时约50微秒,可大幅降低马达反应时间及提高运作速度。罗霖强调,透过FPGA控制可将电流环的驱动反应时间缩短,加快系统运作速度,此将更有利于多轴马达的操作。

  另一方面,目前工控领域各种标准及协定百家争鸣,且仍持续汰换升级,因此一般的特定应用积体电路(ASIC)及特定应用标准产品(ASSP)将难以提供系统商灵活的开发平台;反之,FPGA则能为系统开发商提供高弹性、高扩展性的开发环境。

  值得注意的是,近来FPGA元件商积极发展的FPGA SoC产品,也在工控领域大有斩获。由于工业领域具有垂直封闭的特色,各种协定、软体支援常常互不相容,此时,单纯的硬体整合方案,如FPGA SoC,对于工业领域的系统开发商来说反而极具优势。因此,赛灵思也将其打造的All Programmable Zynq-7000 SoC视为进军工业智慧自动化领域的重要武器。

  赛灵思日前更于2014年嵌入式电子与工业电脑应用展(Embedded World 2014)中,为其FPGA SoC下一代产品线--Zynq UltraScale MPSoC,发布新一代採用台积电16奈米鳍式场效电晶体(FinFET)製程的UltraScale多元处理(Multi-Processing, MP)架构。

  据了解,赛灵思All Programmable MPSoC架构可为处理器提供32到64位元的扩充能力,并可支援虚拟化应用,结合软硬体引擎进行即时控制和图像/影像处理、波形与封包处理、新一代的一致性互联和记忆体、高阶电源管理,以及可提供多层防护、安全性和可靠度的加强技术。

  罗霖补充,具备强大平行运算功能的FPGA,不只能应付多轴机器手臂的需求,亦能实现机器视觉系统高弹性的灵活配置。

  另一方面,为了不让FPGA厂商通吃机器视觉应用大饼,DSP厂商亦正设法提高元件的设计弹性。

  DSP结合PRU 机器视觉系统扩充性大增

  由于工业控制环境须支援多种複杂的通讯协议,因此为了让机器视觉系统可弹性扩充,以支援不同类型的通讯介面,德州仪器(TI)研发出可编程即时元件(Programmable Real-time Unit, PRU)整合数位讯号处理器DSP的新方案,藉此建立完善的可编程环境,提高机器视觉系统的设计灵活性。

  德州仪器半导体行销应用协理暨资深科技委员会委员郑曜庭表示,瞄准机器视觉运算商机,各类嵌入式处理器供应商正积极展开布局;而在各种嵌入式处理器中,又以内建DSP的SoC方案,最适合用来设计机器视觉系统。

  郑曜庭进一步分析,以MCU为例,虽然安谋国际Cortex-M4架构已经内建浮点运算单元(FPU),不过Cortex-M4 MCU仍只能实现低阶影像讯号处理,如指纹辨识影像分析,因此并不适用于要求高精准度影像运算的工业控制领域;而以传统x86架构开发而成的工业电脑(Industrial PC, IPC)平台,虽然开发环境、生态系统、软硬体支援等都较为成熟,但x86 IPC对于机器视觉运算系统而言,功耗及成本负担始终是个疑虑。相较而言,DSP在性能及成本考量上都较为适宜,不论是单颗DSP,抑或是内嵌多核心DSP及中央处理器(CPU)的SoC方案,皆适于用来设计机器视觉的主、次系统。

  除看重影像讯号分析及处理效能外,嵌入式处理器亦须尽可能支援各种工业用通讯介面。郑曜庭指出,智慧型嵌入式系统最主要的构成要件有「3C」,也就是运算(Computing)、连结(Connectivity)和云端(Cloud),三者缺一不可;而有鑑于工控领域须应付多种工规等级的複杂通讯协定,如EtherCAT、EtherNet/IP、CC-Link IE、MECHATROLINK、Modbus TCP、PROFINET或是PowerLink等,因此通讯连结的支援更是机器视觉系统的重要开发挑战。

  为了避免因同时支援所有通讯周边,导致DSP元件尺寸过大、功耗及成本过高,DSP厂商通常会选择开发支援不同通讯介面的多种组合方案;不过,如此一来,机器视觉系统的开发弹性也就相应受限,许多系统开发商也因而转用设计弹性较高的FPGA方案。

  有鑑于此,德州仪器便在DSP SoC中,加入PRU区块,用以补足处理器未能提供的通讯输入/输出(I/O)接脚。郑曜庭指出,PRU的高弹性有助于开发人员在终端产品中整合更多的通讯介面,更重要的是,整合PRU的DSP能提高系统开发商的设计弹性,让DSP在通讯介面的支援上得以媲美FPGA方案。

  据了解,为了应付低阶到高阶的机器视觉系统设计,德州仪器在整合DSP的SoC产品线上亦多方布局,如在KeyStone系列中,其单一SoC上最多可整合八颗DSP以及二颗PRU,外加四个ARM架构的CPU,用以满足高阶机器视觉运算,并提供高扩展性的编程环境。

  郑曜庭认为,目前在工业自动化产线上,除了应用较为成熟的机器手臂之外,影像的分析、运算与处理也渐渐成为工厂智慧自动化应用中不可或缺的要素,包括自动光学检测(Automatic Optical Inspection, AOI)、嵌入式机器视觉等系统皆深具应用潜力,尤其是机器视觉运算未来将可大幅简化生产线上的工作流程。

  以印刷电路板(PCB)的表面黏著技术(Surface Mount Technology, SMT)为例,目前採用此技术的生产线,其运作方式大多系藉由机器手臂来取代透过人力进行通孔安装的传统方式;亦即,机器手臂可直接将电子零件黏贴在PCB表面,再经由自动光学检测系统扫描、分析、检测半成品,最后透过可编程逻辑控制器(PLC)设计的产线分流机制,拣选不合格之产品,藉由上述重重机制把关产线良率;不过,若在产线上加入机器视觉运算功能,将可大幅简化产线运作流程设计,让整条产线更加简单、智慧化。

  值得注意的是,在智慧自动化应用中,运动控制、机器视觉的整合是未来重要的发展趋势,因此机器人需要功能更为全面的强大控制中枢,看准此应用前景,工业电脑大厂亦正挟其高效能的工控平台抢攻此波商机。

  运动控制整合视觉运算成趋势 IPC大厂争抢机器人商机

  凌华科技量测与自动化产品事业处I/O平台产品中心协理张晃华表示,虽然目前工业型机器人的样态仍以单纯的机器手臂为主,但在高阶精密的工业领域中,机器人将朝向全人形演进,并将同时整合多种感知与控制能力,如机器视觉与运动控制等,以执行更多样且多工的任务。因此,未来机器人製造商在其所设计的机器人上同时开发机器视觉系统与整合型机器手臂,将是未来主要的发展趋势。

  不过,若要让机器人同时具备机器视觉与运动控制功能,光靠低阶的嵌入式处理器恐难满足此需求。张晃华进一步解释,单就机器视觉运算而言,内部的控制平台须具备高密度的平行运算能力,一般ARM架构嵌入式处理器的运算能力,要应付机器视觉运算系统就已相当吃紧,遑论尚须同时进行机器手臂运动控制,因此机器人开发商将倾向借重扩充弹性较大的工业电脑平台来达到此目标。

  张晃华提到,x86架构的工业电脑、嵌入式无风扇电脑与可扩充式无风扇电脑,无论在稳定性及效能方面都深受工业领域的客户肯定,这些优势对于工作条件严苛的环境(高温、杂尘多等)来说尤其至关重要;而工业电脑亦可随著生产线需求,自由扩充各种运动控制、视觉运算控制卡(Control Card)。

  看准工业型机器人应用前景,工业电脑大厂亦正争相竞逐此商机,如凌华推出的智慧型电脑应用平台(Application Ready Intelligent Platform, ARIP),以及研华的「MVP (Motion, Vision, Platform)」平台即是为此应运而生,期为智动化产线开发商,提供各种整合运动控制与机器视觉运算的应用。

  除提供硬体支援之外,工业电脑大厂亦开始专为智动化产线编写应用软体,如凌华为其ARIP平台添加了中介软体、应用程式介面(API)等附加资源,力求能最大幅度缩短机器人智动化产线的设计时程。

  设置完智动化产线之后,仍须有人负责产线及工业型机器人的操作与控制,因此流畅的人机介面(Human Machine Interface, HMI)已成为工厂智慧自动化系统开发商的著力重点。有鑑于此,莱迪思(Lattice)近来即将人机介面解决方案视为该公司于工业应用领域中的重点布局方向,期能在竞争激烈的工控FPGA市场夺得一席之地。

  人机介面亦为工业型机器人应用中不可或缺的一环

  瞄准工业智动化商机 莱迪思强攻人机介面应用

  莱迪思台湾区总经理李泰成表示,在各种自动化设备引进工厂之后,仍须要有作业员来照顾、监视机台运作,因此人机介面在工厂智慧自动化应用中亦是另一重要课题;而随著电机电子技术的发达,工厂内的人机介面正不断汰旧换新,如何设计出流畅的人机介面应用,更是工业智动化系统开发商角力的重点。

  瞄准人机介面应用商机,莱迪思亦正卯足全力偕同系统商开发相关解决方案。李泰成提到,不同于其他两家FPGA大厂--赛灵思及Altera,以28/20奈米FPGA进军高阶工业控制领域,莱迪思选择将目标市场放在工控系统人机介面应用,并持续于40奈米製程中稳扎稳打。

  李泰成进一步分析,因应工业智慧自动化风潮兴起,许多业者推出的自有产品往往会搭配自家的通讯协定,导致控制机台主控端往往须支援多种通讯介面,才能与不同的系统完成沟通,不同的应用又须扩充各自的输入/输出接脚;而相较于MCU或是MPU方案,FPGA与生俱来的可编程优势使其能支援多种工业通讯协定,也让FPGA成为用来扩充人机介面通讯周边的最佳方案。

  据了解,莱迪思已于2014年德国纽伦堡举办的国际嵌入式电子与工业电脑应用展上展示一系列人机介面解决方案,如人机介面单晶片(HMI on Chip, HOI),即是完全基于莱迪思FPGA的单晶片人机介面应用参考设计。

  莱迪思策略行销与业务开发经理Kambiz Khalilian表示,莱迪思HOI方案最大的好处是带来了可扩展性、高阶的图像处理、快速的反应时间和人机介面设计的方便性;不同于基于MCU的解决方案,莱迪思的人机介面解决方案系基于编辑器(Editor-based),所以即使没有程式设计或作业系统操作专业经验的工程师也能轻鬆上手。

  至于目前工厂智慧自动化人机介面的应用前景,李泰成指出,智慧工厂内的人机介面正从传统的按钮操作逐渐汰换为触控萤幕;他也预计在未来几年内,触控操作将成为工业领域中人机介面应用的主流操控方式。

  另一方面,除了操作方式的转变外,智慧工厂内的人机介面系统亦正逐渐迈向与前端系统整合的潮流,如操控机台与监控和资料撷取系统(Supervisory Control and Data Acquisition, SCADA)的整合应用,能让生产线上的所有动态资料能即时回传至资料库,可应用于生产力分析、故障检测/诊断,以及生产流程之优化;而人机介面系统与生产执行系统(MES)或企业资源管理系统(ERP)的整合,则能让工厂内的运作与企业内部资讯流通更为即时、无缝接轨。

  显而易见,随著工业智慧自动化风潮兴盛,亦将带动工业型机器人的商机蓬勃发展,晶片商、系统厂之间的角力大战亦将全面引爆,无论是机器手臂、机器视觉,抑或是人机介面应用,各个嵌入式处理器、FPGA、IPC厂商皆期盼能顺势搭上工业型机器人的顺风车,在工业智慧自动化领域夺得一席之地。

(来源:自动化支持媒体——中华工控网)

品牌参展
机床展   青岛机床展  青岛机床展会   青岛机床展览会   青岛金诺机床展   金诺机床展  金诺会展
Copyright © 2007 - 2015 青岛金诺国际会展有限公司 www.jinnoc.com Inc. All Rights Reserved.
服务热线: 0532—55552933 传真:0532—55552903 Email:cuixueping007@163.com