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工業機器人提升感測效能與價值 有賴與半導體業者深度整合
 

【作者: 陳念舜】   2019年08月13日 星期二

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當2011年工業4.0概念問世以來,讓台灣製造業者深感憂慮的,不外乎設備將因此成本大增,以及市場上仍缺乏工規等級感測器,而積極尋求與台灣半導體產業結盟。直到近年來始吸引國際大廠關注,協助打造智慧工廠內機器人所需的感測、通訊與馬達控制等關鍵模組。


由於看好未來工業4.0潮流即將帶動演進的主要趨勢,包含隨著建置大量感測器,開始讓設備具有知覺,並加入聯網通訊功能共享數據資料,從而衍生出預診保修、人工智慧等功能,使之價值最大化;以及在高效處理器與智慧化設計下,不僅能讓設備提升產能、降低功耗,且實現關燈生產願景,一旦機器出現異常狀態便會啟動對應機制,確保人機安全。



圖1 :  近年來始吸引國際大廠關注,協助打造智慧工廠內機器人所需的感測、通訊與馬達控制等關鍵模組。
圖1 : 近年來始吸引國際大廠關注,協助打造智慧工廠內機器人所需的感測、通訊與馬達控制等關鍵模組。

橫跨多重電子應用領域的半導體供應商意法半導體(STMicroelectronics,ST),不僅持續提供與智慧家庭、智慧城市及智慧駕駛等日常生活息息相關的高效、智慧化行動裝置與產品。可在嚴格的功率限制內提供出色性能,以瞄準網路世界中發展快速的消費或工業用產品,包含馬達控制、先進使用者介面、連網裝置、無人機等。


這兩年來更致力與工業用戶合作,共同打造智慧工廠、物聯網、機器人所需解決方案,包含感測器、工業通訊、馬達控制等關鍵模組;再通過微控制器(MCU)整合資訊後上傳控制中心,或交由系統整合商規劃機器人動作路徑。


意法半導體台灣分公司亞太區資深產品行銷經理楊正廉表示,該公司現為全球32 bit(位元)MCU主要供應商,除了配合半導體先進製程與MCU創新架構設計,兼顧未來MCU市場須具備高效能與省電的雙重特性,同時在停止與切換模式,以及超高速傳輸資料運行模式達成低待機功率消耗,非常適合用於工業閘道器、自動化與電信設備等產品。


隨著有意投入工業4.0的製造業者越來越重視生產系統效能,ST也針對工業機器人的馬達控制(Motor Control),提供完整全系列的單一開發平台;且能讓客戶快速上手的套裝工具,將大幅簡化開發新品過程、加快上市時間,以切入不同產業、市場而分散風險。


ST全系列MCU推陳出新 提升低功耗與高效能價值

例如該公司STM32G0系列MCU,即利用靈活封裝和多種儲存容量選擇,能讓設計人員減少下一代產品尺寸和物料清單成本,得以聚焦於更小空間內加入更多功能、更高效能與價值的入門級應用,進而提升於重要嵌入式系統市場中的覆蓋率,為智慧連網產品打造精簡高效的開發平台。


包含提供8~100針腳的封裝選擇,能讓開發人員輕鬆升級過去8bit設計。並利用最新配電架構,將外部電源和接地連接簡化減至一對針腳之後,能將被許多嵌入式專案視為寶貴資源的更多封裝針腳分配給使用者連接。ST還為此低針腳數封裝提供較大儲存容量,其快閃記憶體容量囊括16~512kB不等,而512kB的最小封裝為32針腳,能在更小空間內設計更多效能、功能、安全和價值更高的複雜應用。


新一代MCU更採用省電創新技術,媲美專門設計的超低功耗微控制器,當MCU運行模式功耗低於100μA/MHz時,可提供多種低功耗模式以節省電能、延長電池續航時間;當即時時鐘(Real-Time Clock, RTC)運作時,停止模式功耗僅3~8μA、待機功耗則為500nA。



圖2 : 意法半導體STM32G0生態系統擴充功能支援通用微控制器以USB-C作為標準介面。(source:ST)
圖2 : 意法半導體STM32G0生態系統擴充功能支援通用微控制器以USB-C作為標準介面。(source:ST)

為了提升性能、速度和精確度,以迎合當前快速成長的新需求,STM32G0也針對周邊外部介面升級、強化周邊功能,支援最新的USB Type-C和Power Delivery 3.0版本,讓設備連接和充電變得更快速且更為方便。


楊正廉進一步指出,由於不斷融入客戶開發機器人或無人搬運車(AGV)所需馬達控制、通訊、數位電源、雷射測距儀等模組及特殊運算模式,只有少數專業廠商具備量產能力,也會使得MCU功能越來越完整,並加速使用者開發上市時間。


此外,隨著最新智慧電子增加越來越多的感測器驅動功能,並採用碳化矽、氮化鎵等效能更高的功率技術來節省電力,ST也針對先進的數位電源應用,以及消費性電子和工業設備的馬達控制,趁勢推出了下一代STM32G4系列MCU,強調可以較省力擴充應用範圍。並藉由整合豐富的增強型周邊配備和介面等,得以同時簡化設計、降低功耗,並提升下一代數位電源應用之性能、效能和安全性。


其係通過導入兩個最新硬體數學運算加速器來提升應用的晶片運算處理速度,並利用CORDIC專用引擎和Filter-Math Accelerator(FMAC)濾波函數演算法等各種技術來增加性能和效能、精確度與多功能整合,讓電力發揮得更有效率。例如在訊號調節或數位電源控制演算法中的濾波演算法,運算速度通常較通用主處理器更快、效率更高,這種減負方式還可讓內核心釋放更多資源,經由先進類比周邊配備,用來接收更多感測器資料和控制等使用功能。


最近發表的STM32H7新款MCU則整合了強大的雙核心(Cortex-M4、Cortex-M7)處理器、節能型功能,以及強化網路安全功能於一身。為了最佳化功耗及效能,於每個內核心都有獨立的電源域,可在不使用時單獨關閉;同時利用該公司Chrom-ART加速器,提升了圖形處理表現,讓開發人員可以輕鬆升級來彈性地使用這兩個核心。


舉馬達控制為例,即可將以往在Cortex-M4單核心MCU上的原始程式碼移轉到STM32H7中的Cortex-M4上,並由Cortex-M7來執行更先進且複雜的圖形化使用者介面。雙核架構還有助於簡化程式碼的開發,並縮短專案開發週期,可將使用者介面程式碼裡的即時控制或通訊功能的開發分開進行。



圖3 : 意法半導體推出具機器學習功能的LSM6DSOX iNEMO運動感測器提升運動追蹤精度和電池續航能力。(source:ST)
圖3 : 意法半導體推出具機器學習功能的LSM6DSOX iNEMO運動感測器提升運動追蹤精度和電池續航能力。(source:ST)

相較無ROM處理器的MCU,STM32H7還在晶片上額外提供高達2MB快閃記憶體和1MB SRAM,有效解決了儲存空間的限制,並簡化了在具有即時性或AI處理需求的工業、消費和醫療智慧的產品設計。


如今,ST已在STM32Cube生態系統內增加了STM32CubeH7 韌體模組和應用程式碼,及TouchGFX和STemWin圖形堆疊庫的圖形解決方案。新增硬體工具包括評估板、探索開發套件和Nucleo開發板。開發人員可以使用STM32Cube開發環境的所有標準元件,包括ST-MC-SUITE馬達控制工具包、STM32Cube.AI機器學習工具包、STM32CubeMX、STM32CubeProgrammer,以及已取得相關認證的合作夥伴的STM32解決方案。


面對當前AI、邊緣運算潮流,ST也能協助客戶建立一些較小規模的AI智慧模型,在MCU執行偵測馬達震動狀態,以提前預診、排修;未來若進入5G時代的傳輸速度快、資料量更大,也有機會達到與有線傳輸一樣的效能,且不會受限於拉線布署的空間不足。


ST與ADI各擁AI、整合優勢 競逐工業感測領域

值得一提的是,ST另有感測元件部門也在近年來大舉投入較高利潤的工業感測器市場,分別結合3D加速計、3D陀螺儀既有數學演算法,來判斷機器運動及震動狀態,或計算角速度與方位。ST大中華暨南亞區類比、微機電與感測元件產品部產品行銷經理陳建成認為:「尤其工業感測器的功耗更為重要,才能在機器人或MCU休眠狀態下,仍以0.45~0.5mA電力來運行判斷動作,使用者也較傾向於工規產品甚於商規。」


ST感測元件效能雖不見得優於目前市面上所有高價工業用感測器,卻能在滿足工規嚴格測試品質及相等效能的前提下,僅需便宜一倍以上價格;同時提供更多樣化介面與產品,支援廠商帶來更有彈性的設計能力,並保證10年以上的使用和供貨年限,讓合作夥伴能夠專心在應用情境開發。」


最新推出ST獨有機器學習功能(Machine Learning)的6軸運動感測器LSM6DSOX,即包含一個3D MEMS加速度計和3D MEMS陀螺儀,並利用機器學習內核心,可根據已知運動模式分類處理運動數據,接替主處理器處理運動追蹤的第一階段任務,提升對於複雜運動的追蹤精度,經AI運算設定參數;進而藉此硬體嵌入式智慧和其他強化功能,大幅降低包含MCU整體系統功耗節能,典型工作電流僅為0.55mA,大幅降低電池負載,延長續航時間。


同時相較於傳統感測器,LSM6DSOX還整合了更大的內部儲存,並配備最先進的高速I3C數位介面,使感測器與主控制器的互動間隔更長,連接時間更短,且節能省電效果更好。陳建成特別推薦所支援I3C數位介面感測器,不僅傳輸速度還比SPI介面快,且能確保即時傳輸大量即時資訊到雲端分析、演算處理過後的資料一致性,適用於接軌未來5G情境,機器人動作也會越來越準確,倘若在系統不穩而斷電時,機器人可以回復安全姿態,避免碰撞也方便人員在關燈工廠維修。


針對其他麥克風、溫度、濕度與壓力感測器等環境感測器,ST也能協助透過物聯網和機器的相互作用,使機器能感知周圍人員,甚至提供智慧工具、擴增實境和免接觸式介面等新介面,讓互動更輕鬆也更安全,同時加速工業應用發展。例如壓力計搭配AGV的廠內圖資導航,一旦上下垂直運動時,也能用來判別不同樓層的大氣壓力變化,縮短製程、時間。


陳建成表示:「由於客戶自有Domain knowledge,且希望塑造差異化,防止洩露機密,所以ST雖會在協同設計開發機器人產品或模組前,與使用者密切討論該如何善用自有產品的特色功能,卻不會提供完整solution。且能藉此得知客戶精準規格需求與使用sensor data習慣行為,更有利於融入客戶演算法。」


高性能類比IC大廠ADI亞太區工業自動化行業市場部經理于常濤也特別說明該公司如何利用既有應用於工業機器人的多種感測器,例如:MEMS、LiDAR、RADAR、TOF和接近感測等技術,使機器人能擁有更多的「眼睛」和「耳朵」。其中,該公司MEMS感測器包括加速度計、陀螺儀和IMU等,由於在零偏穩定性、溫度回置特性、長時穩定性和震動條件下的性能都遠遠超過消費級MEMS產品,而被廣泛應用於各種機器人、無人機的導航、穩定等功能。



圖4 : ADI亞太區工業自動化行業市場部經理于常濤也特別說明該公司如何利用既有應用於工業機器人的多種感測器,使機器人能擁有更多的「眼睛」和「耳朵」。(Source:ADI)
圖4 : ADI亞太區工業自動化行業市場部經理于常濤也特別說明該公司如何利用既有應用於工業機器人的多種感測器,使機器人能擁有更多的「眼睛」和「耳朵」。(Source:ADI)

最新推出的ADIS16470系列高性能IMU,係透過三軸MEMS加速度計和陀螺儀提供6自由度(DoF)檢測,並注重工業「運動物聯網」對於精準地理定位的需求,使得系統能精確地表徵運動,不受湍流、振動、風、溫度和其他環境干擾,從而實現更精準的導航和引導和/或儀器穩定度。


于常濤進一步指出,基於ADI產品的LiDAR和TOF技術可以實現高精度的蔽障功能,適用於AGV等領域。加上2018年收購的symeo公司,使得ADI在毫米波雷達方面能同時提供晶片及整體解決方案。例如利用60GHz雷達以實現mm等級的距離測量,將相關產品廣泛應用於大型採礦設備的精確定位和自動化運作上。在馬達控制及即時乙太網路方面,ADI也有相對應的解決方案,足以滿足未來機器人更快、更準確、更安全的要求。


于常濤強調,ADI的獨特之處,在於能夠將傳統大型機器人的所有關鍵技術與快速成長的協同機器人Cobot領域結合,並提供精確、同步的控制和通信解決方案,同時提高能源效率和機器人生產力。在機器人的各關節處應用感測器技術,檢測當前的角度,例如在大負載情況下,機器人的手臂抖動情況;以及在工作過程當中,特別是需要跟工作人員緊密配合時,絕對不能對人造成傷害。


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