智能工业起狼烟,知名大厂大啖机器人商机

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简介:智能工业时代,机器手臂与机器视觉运算在生产线上发挥重要作用,成为工业系统中不可或缺的一环。芯片商与工业电脑也正大举抢攻智能工业商机,连带机器人的内部控制元件也走势看俏,包括MCU、DSP、FPGA、工控平台等解决方案供应商亦大举献计,大发工业机器人财。

智能工业时代,机器手臂与机器视觉运算在生产线上发挥重要作用,成为工业系统中不可或缺的一环。芯片商与工业电脑也正大举抢攻智能工业商机,连带机器人的内部控制元件也走势看俏,包括MCU、DSP、FPGA、工控平台等解决方案供应商亦大举献计,大发工业机器人财。

机器人马达控制需求增,MCU业者盈利多

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;也意味著控制器或处理器的数量将相应增加。

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的处理性能比不上DSP或是现场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。

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、设计工具及通用软件外,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。 另一方面,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。

DSP商抢攻马达控制领域,亚德诺飞思卡尔斗法

过去,马达控制大多是MCU业者的天下,然而随着以Cortex-M4架构开发的DSP方案问世,DSP亦可跨足高阶马达控制市场,与MCU互争地盘。

亚德诺的混合信号处理器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。亚德诺分别采用65纳奈米与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,使其可直接采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。

飞思卡尔微控制器高级系统工程师施长浩指出,不论嵌入式处理器效能多强大,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。进军工业智能领域,赛灵思打造全新FPGA产品#e#

进军工业智能领域,赛灵思打造全新FPGA产品

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,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复杂的多轴马达运算需求。

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,赛灵思也将其打造的All Programmable Zynq-7000 SoC视为进军工业智能自动化领域的重要武器。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,结合软硬件引擎进行即时控制和图像处理、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。

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纳米鳍式场效电晶体(FinFET)制程的UltraScale多元处理(Multi-Processing, MP)架构。

DSP结合PRU,德仪提高机器视觉性能

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。

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。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。PRU的高弹性有助于开发人员在终端产品中整合更多的通信界面,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。

40纳米领域稳扎稳打,莱迪思进攻人机界面应用

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,因此人机界面在工厂智能自动化应用中亦是另一重要课题。随著电机电子技术的发达,工厂内的人机界面正不断汰旧换新,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。不同于其他两家FPGA大厂——赛灵思及Altera,以 28/20纳米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界面应用,并持续于40纳米制程中稳扎稳打。

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界面解决方案,如人机介面单晶片(HMI on Chip,HOI),即是完全基于莱迪思FPGA的单晶片人机界面应用参考设计。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界面设计的方便性;不同于基于MCU的解决方案,莱迪思的人机界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松上手。

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