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工业机器人提升感测效能与价值 有赖与半导体业者深度整合
 

【作者: 陳念舜】2019年08月13日 星期二

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当2011年工业4.0概念问世以来,让台湾制造业者深感??虑的,不外??设备将因此成本大增,以及市场上仍缺乏工规等级感测器,而积极寻求与台湾半导体产业结盟。直到近年来始吸引国际大厂关注,协助打造智慧工厂内机器人所需的感测、通讯与马达控制等关键模组。


由於看好未来工业4.0潮流即将带动演进的主要趋势,包含随着建置大量感测器,开始让设备具有知觉,并加入联网通讯功能共享数据资料,从而衍生出预诊保修、人工智慧等功能,使之价值最大化;以及在高效处理器与智慧化设计下,不仅能让设备提升产能、降低功耗,且实现关灯生产愿景,一旦机器出现异常状态便会启动对应机制,确保人机安全。



图1 :  近年来始吸引国际大厂关注,协助打造智慧工厂内机器人所需的感测、通讯与马达控制等关键模组。
图1 : 近年来始吸引国际大厂关注,协助打造智慧工厂内机器人所需的感测、通讯与马达控制等关键模组。

横跨多重电子应用领域的半导体供应商意法半导体(STMicroelectronics,ST),不仅持续提供与智慧家庭、智慧城市及智慧驾驶等日常生活息息相关的高效、智慧化行动装置与产品。可在严格的功率限制内提供出色性能,以瞄准网路世界中发展快速的消费或工业用产品,包含马达控制、先进使用者介面、连网装置、无人机等。


这两年来更致力与工业用户合作,共同打造智慧工厂、物联网、机器人所需解决方案,包含感测器、工业通讯、马达控制等关键模组;再通过微控制器(MCU)整合资讯後上传控制中心,或交由系统整合商规划机器人动作路径。


意法半导体台湾分公司亚太区资深产品行销经理杨正廉表示,该公司现为全球32 bit(位元)MCU主要供应商,除了配合半导体先进制程与MCU创新架构设计,兼顾未来MCU市场须具备高效能与省电的双重特性,同时在停止与切换模式,以及超高速传输资料运行模式达成低待机功率消耗,非常适合用於工业闸道器、自动化与电信设备等产品。


随着有意投入工业4.0的制造业者越来越重视生产系统效能,ST也针对工业机器人的马达控制(Motor Control),提供完整全系列的单一开发平台;且能让客户快速上手的套装工具,将大幅简化开发新品过程、加快上市时间,以切入不同产业、市场而分散风险。


ST全系列MCU推陈出新 提升低功耗与高效能价值

例如该公司STM32G0系列MCU,即利用灵活封装和多种储存容量选择,能让设计人员减少下一代产品尺寸和物料清单成本,得以聚焦於更小空间内加入更多功能、更高效能与价值的入门级应用,进而提升於重要嵌入式系统市场中的覆盖率,为智慧连网产品打造精简高效的开发平台。


包含提供8~100针脚的封装选择,能让开发人员轻松升级过去8bit设计。并利用最新配电架构,将外部电源和接地连接简化减至一对针脚之後,能将被许多嵌入式专案视为宝贵资源的更多封装针脚分配给使用者连接。ST还为此低针脚数封装提供较大储存容量,其快闪记忆体容量囊括16~512kB不等,而512kB的最小封装为32针脚,能在更小空间内设计更多效能、功能、安全和价值更高的复杂应用。


新一代MCU更采用省电创新技术,媲美专门设计的超低功耗微控制器,当MCU运行模式功耗低於100μA/MHz时,可提供多种低功耗模式以节省电能、延长电池续航时间;当即时时钟(Real-Time Clock, RTC)运作时,停止模式功耗仅3~8μA、待机功耗则为500nA。



图2 : 意法半导体STM32G0生态系统扩充功能支援通用微控制器以USB-C作为标准介面。(source:ST)
图2 : 意法半导体STM32G0生态系统扩充功能支援通用微控制器以USB-C作为标准介面。(source:ST)

为了提升性能、速度和精确度,以迎合当前快速成长的新需求,STM32G0也针对周边外部介面升级、强化周边功能,支援最新的USB Type-C和Power Delivery 3.0版本,让设备连接和充电变得更快速且更为方便。


杨正廉进一步指出,由於不断融入客户开发机器人或无人搬运车(AGV)所需马达控制、通讯、数位电源、雷射测距仪等模组及特殊运算模式,只有少数专业厂商具备量产能力,也会使得MCU功能越来越完整,并加速使用者开发上市时间。


此外,随着最新智慧电子增加越来越多的感测器驱动功能,并采用碳化矽、氮化??等效能更高的功率技术来节省电力,ST也针对先进的数位电源应用,以及消费性电子和工业设备的马达控制,趁势推出了下一代STM32G4系列MCU,强调可以较省力扩充应用范围。并藉由整合丰富的增强型周边配备和介面等,得以同时简化设计、降低功耗,并提升下一代数位电源应用之性能、效能和安全性。


其系通过导入两个最新硬体数学运算加速器来提升应用的晶片运算处理速度,并利用CORDIC专用引擎和Filter-Math Accelerator(FMAC)滤波函数演算法等各种技术来增加性能和效能、精确度与多功能整合,让电力发挥得更有效率。例如在讯号调节或数位电源控制演算法中的滤波演算法,运算速度通常较通用主处理器更快、效率更高,这种减负方式还可让内核心释放更多资源,经由先进类比周边配备,用来接收更多感测器资料和控制等使用功能。


最近发表的STM32H7新款MCU则整合了强大的双核心(Cortex-M4、Cortex-M7)处理器、节能型功能,以及强化网路安全功能於一身。为了最隹化功耗及效能,於每个内核心都有独立的电源域,可在不使用时单独关闭;同时利用该公司Chrom-ART加速器,提升了图形处理表现,让开发人员可以轻松升级来弹性地使用这两个核心。


举马达控制为例,即可将以往在Cortex-M4单核心MCU上的原始程式码移转到STM32H7中的Cortex-M4上,并由Cortex-M7来执行更先进且复杂的图形化使用者介面。双核架构还有助於简化程式码的开发,并缩短专案开发周期,可将使用者介面程式码里的即时控制或通讯功能的开发分开进行。



图3 : 意法半导体推出具机器学习功能的LSM6DSOX iNEMO运动感测器提升运动追踪精度和电池续航能力。(source:ST)
图3 : 意法半导体推出具机器学习功能的LSM6DSOX iNEMO运动感测器提升运动追踪精度和电池续航能力。(source:ST)

相较无ROM处理器的MCU,STM32H7还在晶片上额外提供高达2MB快闪记忆体和1MB SRAM,有效解决了储存空间的限制,并简化了在具有即时性或AI处理需求的工业、消费和医疗智慧的产品设计。


如今,ST已在STM32Cube生态系统内增加了STM32CubeH7 韧体模组和应用程式码,及TouchGFX和STemWin图形堆叠库的图形解决方案。新增硬体工具包括评估板、探索开发套件和Nucleo开发板。开发人员可以使用STM32Cube开发环境的所有标准元件,包括ST-MC-SUITE马达控制工具包、STM32Cube.AI机器学习工具包、STM32CubeMX、STM32CubeProgrammer,以及已取得相关认证的合作夥伴的STM32解决方案。


面对当前AI、边缘运算潮流,ST也能协助客户建立一些较小规模的AI智慧模型,在MCU执行侦测马达震动状态,以提前预诊、排修;未来若进入5G时代的传输速度快、资料量更大,也有机会达到与有线传输一样的效能,且不会受限於拉线布署的空间不足。


ST与ADI各拥AI、整合优势 竞逐工业感测领域

值得一提的是,ST另有感测元件部门也在近年来大举投入较高利润的工业感测器市场,分别结合3D加速计、3D陀螺仪既有数学演算法,来判断机器运动及震动状态,或计算角速度与方位。ST大中华暨南亚区类比、微机电与感测元件产品部产品行销经理陈建成认为:「尤其工业感测器的功耗更为重要,才能在机器人或MCU休眠状态下,仍以0.45~0.5mA电力来运行判断动作,使用者也较倾向於工规产品甚於商规。」


ST感测元件效能虽不见得优於目前市面上所有高价工业用感测器,却能在满足工规严格测试品质及相等效能的前提下,仅需便宜一倍以上价格;同时提供更多样化介面与产品,支援厂商带来更有弹性的设计能力,并保证10年以上的使用和供货年限,让合作夥伴能够专心在应用情境开发。」


最新推出ST独有机器学习功能(Machine Learning)的6轴运动感测器LSM6DSOX,即包含一个3D MEMS加速度计和3D MEMS陀螺仪,并利用机器学习内核心,可根据已知运动模式分类处理运动数据,接替主处理器处理运动追踪的第一阶段任务,提升对於复杂运动的追踪精度,经AI运算设定叁数;进而藉此硬体嵌入式智慧和其他强化功能,大幅降低包含MCU整体系统功耗节能,典型工作电流仅为0.55mA,大幅降低电池负载,延长续航时间。


同时相较於传统感测器,LSM6DSOX还整合了更大的内部储存,并配备最先进的高速I3C数位介面,使感测器与主控制器的互动间隔更长,连接时间更短,且节能省电效果更好。陈建成特别推荐所支援I3C数位介面感测器,不仅传输速度还比SPI介面快,且能确保即时传输大量即时资讯到云端分析、演算处理过後的资料一致性,适用於接轨未来5G情境,机器人动作也会越来越准确,倘若在系统不稳而断电时,机器人可以回复安全姿态,避免碰撞也方便人员在关灯工厂维修。


针对其他麦克风、温度、湿度与压力感测器等环境感测器,ST也能协助透过物联网和机器的相互作用,使机器能感知周围人员,甚至提供智慧工具、扩增实境和免接触式介面等新介面,让互动更轻松也更安全,同时加速工业应用发展。例如压力计搭配AGV的厂内图资导航,一旦上下垂直运动时,也能用来判别不同楼层的大气压力变化,缩短制程、时间。


陈建成表示:「由於客户自有Domain knowledge,且希??塑造差异化,防止泄露机密,所以ST虽会在协同设计开发机器人产品或模组前,与使用者密切讨论该如何善用自有产品的特色功能,却不会提供完整solution。且能藉此得知客户精准规格需求与使用sensor data习惯行为,更有利於融入客户演算法。」


高性能类比IC大厂ADI亚太区工业自动化行业市场部经理于常涛也特别说明该公司如何利用既有应用於工业机器人的多种感测器,例如:MEMS、LiDAR、RADAR、TOF和接近感测等技术,使机器人能拥有更多的「眼睛」和「耳朵」。其中,该公司MEMS感测器包括加速度计、陀螺仪和IMU等,由於在零偏稳定性、温度回置特性、长时稳定性和震动条件下的性能都远远超过消费级MEMS产品,而被广泛应用於各种机器人、无人机的导航、稳定等功能。



图4 : ADI亚太区工业自动化行业市场部经理于常涛也特别说明该公司如何利用既有应用於工业机器人的多种感测器,使机器人能拥有更多的「眼睛」和「耳朵」。(Source:ADI)
图4 : ADI亚太区工业自动化行业市场部经理于常涛也特别说明该公司如何利用既有应用於工业机器人的多种感测器,使机器人能拥有更多的「眼睛」和「耳朵」。(Source:ADI)

最新推出的ADIS16470系列高性能IMU,系透过三轴MEMS加速度计和陀螺仪提供6自由度(DoF)检测,并注重工业「运动物联网」对於精准地理定位的需求,使得系统能精确地表徵运动,不受湍流、振动、风、温度和其他环境干扰,从而实现更精准的导航和引导和/或仪器稳定度。


于常涛进一步指出,基於ADI产品的LiDAR和TOF技术可以实现高精度的蔽障功能,适用於AGV等领域。加上2018年收购的symeo公司,使得ADI在毫米波雷达方面能同时提供晶片及整体解决方案。例如利用60GHz雷达以实现mm等级的距离测量,将相关产品广泛应用於大型采矿设备的精确定位和自动化运作上。在马达控制及即时乙太网路方面,ADI也有相对应的解决方案,足以满足未来机器人更快、更准确、更安全的要求。


于常涛强调,ADI的独特之处,在於能够将传统大型机器人的所有关键技术与快速成长的协同机器人Cobot领域结合,并提供精确、同步的控制和通信解决方案,同时提高能源效率和机器人生产力。在机器人的各关节处应用感测器技术,检测当前的角度,例如在大负载情况下,机器人的手臂抖动情况;以及在工作过程当中,特别是需要跟工作人员紧密配合时,绝对不能对人造成伤害。


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