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細數工業自動化和機器人技術的創新

來源:本站      點擊:529      時間:2019-06-17
從上世紀40年代以來,工業自動化出現了長足的發展。特別是在過去的一兩年甚至5年,在工業4.0的大背景下,整個工業市場出現了加速演變,例如無人工廠。個中原因是需要借助自動化來解決一些難題。
 
日前,在德州儀器舉辦的媒體見面會上,德州儀器處理器業務部負責人Sameer Wasson和德州儀器中國區業務拓展總監吳健鴻(Paul Ng)探討了在工業自動化加速的情況下需要采用什么樣的技術和解決什么困境。涉及三個議題:處理器在工業領域的當前機遇;通過先進集成,工廠變得越來越智能;機器人技術的演變。
 
無人工廠即使是只有一個人,也要保證不受傷害
 
Wasson指出,首先,在很多工業應用里需要有通用平臺來解決問題。“有很多工業應用很分散,應用情景又不同,用不同的平臺去做研發設計會很花時間,而且沒法實現設計重用。”他解釋說。而如果能為研發提供統一的平臺,那么久可以讓研發成本、人員、功能、功耗等都可以實現優化。再就是保密性和平臺性能的需求。
 
現在工業自動化的最終目的可能是要在工廠里做到員工越少越好,甚至做無人工廠。這就需要提高自動化的程度。在安全保密方面也很重要。很多設備原來都是獨立,現在則是互聯互通。在這種情況下,如果沒有保密,一旦系統遭到破解,可能帶來很大災難。另外,要做無人工廠,也未必沒有人,哪怕有一個員工在里面,自動化也需要有安全性,以保證員工不會受到傷害。
 
用統一平臺去設計不同設備時,所需的性能越來越高。“現在有很多人用云端服務器去幫助做運算功能,很多工業應用也在往云端推。但工業控制很多是實時控制,判斷和控制需要很快速地響應。在這種情況下,云端服務器不一定是個很好的解決方案。”Wasson指出,這樣在工廠里就需要有強大的平臺,來做實時處理。也就是說,在數據的收集和處理部分,邊緣運算越來越重要,包括AI和實時控制等。越來越多的工廠以前可能用MCU,現在可能要用高性能的ARM處理器去解決。一方面在本地做運算,一方面有很多數據需要傳到云端,因此需要將本地運算和云服務整合在一起。云端連接又涉及有線/無線傳送、服務器連接和用網關連接等。這在工業里也是個很大的方向。
 
工業4.0:控制、傳感和通信是核心
 
在工業自動化方面,越來越多的設備,包括機器人,需要互聯互通。工業自動化里需要用到很多傳感器,而不僅是簡單的溫濕度,還要有距離、激光雷達等。傳感應用需要把數據傳到處理器去做實時判斷。邊緣運算又包括AI和實時控制。最后,與一般的IoT應用一樣,工業傳感器需要做到低成本,要具備確定性。機器需要根據傳感器所給信息去做判斷,若數據傳送不對,或是沒有傳數據,都有可能對工廠造成很大影響。
 
“舉例來說,我們可能用多足機器人去做農業應用。機器人里有很多電機,腳踝上需要有傳感器。當它在不同田地里走時,需要將數據傳送回去,以便實時判斷在不平路上怎么走才不會摔倒。在很多場合,我們都能看到類似要求。”他補充說。
 
綜合來說,對于工業4.0來說,控制、傳感和通信三者是核心。除此之外,還要做到安全和保密,要為之提供電源,以及保護和隔離。
 
 
工業用通信和一般的通信不一樣。一般的通信有4G、5G、WiFi和藍牙等,這些在工業里確實也有需求,但是在工業里很多邊緣設備需要實時控制和實時通信,因此需要采用Ethercat、Profibus等。工業4.0設備需要有通信能力,而很多大工廠買的設備都來自不同公司,互聯互通就需要有標準來保證。
 
另外像智能部分,AI更有可能是分布式的。“也就是每個設備都有一定AI能力,這就是分布式智能。”他解釋說。時間掌控也非常敏感,而新的TSN協議可滿足高實時性要求。“TSN對所有通信協議都支持,比如最老的CAN、較新的Ethercat。這樣就可以實現過渡的問題,可用來幫助做網關設計。”他再次解釋說。工業4.0是個過程,不可能一蹴而就。老設備和新設備怎么做好互聯,是需要解決的問題。
 
從整個工廠來說,會越來越多從系統去考慮。不管是PLC、CNC機床,還是簡單的電機控制、機器手臂,都需要互聯互通。這就需要有相對強的網絡處理器和網關處理器。這就有可能用到TI的Sitara處理器。“有可能是ARM單核或多核,也有可能是ARM+DSP。在這樣的處理器里面,我們有AM6x系列的產品,很適合做工業傳感、工業通信和工業控制,包括安全性。”他介紹說,“剛才也談到,在智能設備里要去考慮周邊人員的人生安全,這需要符合工業安全標準,比如IEC61508。從低端、終端到高端,DSP和ARM都有,我們可以提供這樣一個平臺給客戶。”
 
 
在工廠里,需要有更智能的部分,有更多的問題需要去考慮。“比如機器本身需要去做自我判斷——以前是人判斷,現在無人——這需要做到實時,到底是往前走、停止,還是加速,需要邊緣運算。”吳健鴻補充說,“在傳感部分,比如自動導引運輸車(AGV)在工廠里走來走去,它需要去檢測物體,避開人體,需要用到從汽車上擴展到工廠中的先進技術,比如雷達。”
 
Sitara AM6x處理器有很多不同應用,包括工業機器人、一體性機器人,用一個CPU去做多足機器人等。另外,在工控機(IPC)方面,除了x86平臺外,有很多人也希望有Arm平臺可供選擇。另外,其在航空設備的控制器、邊緣設備、工廠保護、運動控制、醫療監控等方面都有應用。
 
熱門距離檢測技術:毫米波雷達
 
距離檢測是工業自動化里的一個熱門技術。有很多不同技術可使用,但在速度快、距離遠、精度好方面,毫米波雷達是最好。汽車里所用毫米波雷達以77GHz為主,但是不同國家和地區有不同標準。為了避免與汽車應用相互干擾,工業標準一般采用60GHz頻率。吳健鴻介紹說,精準邊緣運算需要精準傳感。TI針對工業應用推出的新的60GHz CMOS雷達中,有很多已經整合了高速DSP,可以在雷達前端做高速運算。其帶寬很寬(4GHz),相比窄帶24GHz雷達帶寬高16倍,可以做到更精準測量。
 
下圖是帶有天線的雷達模塊。“一顆IC包括了毫米波雷達、DSP和天線。天線設計起來很不容易,體積又很小。我們希望幫工程師解決天線這些最困難的設計。只要把它放在pcb上,就可以達到要求。”吳健鴻介紹說。他透露,甚至雷達上還帶有了DSP。傳統雷達只能獲得一個個點的原始數據,而帶有DSP的智能雷達,則可以在傳感側直接判斷出物體性質。
 
 
另外,工廠里涉及不同原材料,對傳感的需求也不同。毫米波、激光、結構光等技術沒有好不好的問題,而是要挑選合適技術去感知材料,解決不同問題。因此,系統設計往往不是只用一顆傳感器,而是會用傳感器融合,實現最好的判斷。
 
協作機器人的興起源自汽車ADAS和安全技術
 
再就是在機器人方面,從傳統的工業機器人演變到新的協作機器人(cobot)。機器人加上AI,能夠實現自主控制,從而作出更好的實時決策。這個技術也是來源于汽車中的ADAS技術。工業自動化還需要考慮安全性,汽車里的功能安全也可以應用到工業里。
 
綜合來說,工業機器人有很多技術在不斷演變,不只是物體檢測,還有小車,例如叉車在工廠里行駛需要避開人。機器的體積和功耗也需要做到越來越小。傳感器在不同情境下進行判斷,需要綜合使用多個傳感器。這些都是工業機器人領域所遇到的問題。
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