工業(yè)機器人是一類特殊的工業(yè)設(shè)備，可以高效、準確且可重復(fù)地執(zhí)行手動任務(wù)。自 1960 年代以來，它們一直用于工廠及商業(yè)設(shè)施中。隨著工業(yè) 4.0 的到來，這些機器人正在整合智能和新功能，使智能工廠成為可能。

　　除了在執(zhí)行任務(wù)時更加靈活之外，工業(yè)機器人還能夠收集和分析有關(guān)自身的數(shù)據(jù)，以提高生產(chǎn)力、服務(wù)質(zhì)量和可靠性，同時降低總體總擁有成本。當連接到云端時，可以識別所有機器人的操作模式和趨勢。

　　例如，可以分析故障以創(chuàng)建預(yù)測性維護算法，當機器人的操作配置記錄文件有錯誤時會觸發(fā)警報。使得問題能夠在導致設(shè)備故障和停機之前得到解決，從而最大限度地減少損失。

　　隨著越來越多的工業(yè)自動化 OEM 對機器人技術(shù)進行投資，工業(yè)機器人的增長仍在繼續(xù)。自 2016 年以來，機器人行業(yè)以每年 7.6% 的速度增長(CAGR)。

　　1. OEM 繼續(xù)投資于工業(yè)機器人技術(shù)，自 2016 年以來機器人行業(yè)以每年 7.6% 的速度增長(CAGR)，即使將 COVID-19 考慮在內(nèi)。

　　未來幾年，工業(yè)機器人的開發(fā)者將面臨一系列的問題。隨著這些系統(tǒng)變得越來越復(fù)雜，可靠性變得越來越重要。本文將探討以數(shù)據(jù)日志的形式從工業(yè)機器人收集運行數(shù)據(jù)的挑戰(zhàn)，包括如何處理必須收集的數(shù)據(jù)以及如何在系統(tǒng)故障期間最大限度地減少數(shù)據(jù)丟失。

　　工業(yè)機器人的復(fù)雜性

　　在最基本的形式中，工業(yè)機器人由機械手和控制器組成。機械手，通常被稱為機械臂，可以移動、旋轉(zhuǎn)和執(zhí)行動作。

　　2. 工業(yè)機器人框圖。

　　每個機器人機械手的各個部分通過機械關(guān)節(jié)連接，每個關(guān)節(jié)都提供一個運動軸。一個典型的機械手有六個活動關(guān)節(jié)或六個運動軸。

　　由高精度伺服或步進電機負責的每個軸都被限制在特定的運動范圍內(nèi)。此外，每個軸以不同的速度移動，通常在數(shù)據(jù)表中以每秒移動的度數(shù)列出。運動范圍越大，關(guān)節(jié)的最高速度越快，控制運動所需的精度就越高。對更高協(xié)調(diào)性和精度的需求也增加了需要從跟蹤機械手的每個傳感器記錄的操作數(shù)據(jù)量。

　　從可靠性來看，工業(yè)機器人必須能夠從各種電源事件中恢復(fù)，例如斷電。理想情況下，一旦電源故障排除，即使系統(tǒng)已重置，機器人也可以從停止的位置立即恢復(fù)操作。

　　為此，每臺電機都必須能夠保存關(guān)鍵參數(shù)和數(shù)據(jù)狀態(tài)，包括機械臂的旋轉(zhuǎn)角度和位置。同樣，控制器需要維護詳細的控制日志，記錄每個軸的操作參數(shù)，包括其命令位置、編碼器值和有效載荷。

　　此外，控制器必須保持伺服電機記錄跟蹤速度、扭矩、電機反饋傳感(即電流、位置、速度)和運動角度?？煽康赜涗浰羞@些數(shù)據(jù)需要某種形式的非易失性存儲器，以便數(shù)據(jù)不會因斷電而丟失。

　　用于數(shù)據(jù)記錄的非易失性存儲器

　　在過去的幾十年中，關(guān)鍵數(shù)據(jù)一直保存在電池供電的 SRAM 中。但是，這種方法有很多缺點：

　　需要幾個組件(電池，電源管理控制器)，占用更多的 PCB 空間以及增加故障點的數(shù)量。

　　為避免電池受熱，通常需要在回流工藝之后安裝電池，從而增加了制造成本。

　　工業(yè)機器人經(jīng)常暴露在振動中，這可能導致將電池固定到位的連接器出現(xiàn)機械故障，從而降低整體可靠性。

　　電池需要進行維護和更換。

　　電池不符合 RoHS 要求，給廠商帶來了處置問題。

　　由于這些原因和其他原因，OEM 已轉(zhuǎn)向非易失性存儲設(shè)備來替代電池供電的 SRAM。該表顯示了可供 OEM 使用的一系列非易失性存儲器技術(shù)。

　　由于 EEPROM 的耐用性較低，因此大多數(shù)應(yīng)用都可以將其排除在外。工業(yè)機器人 24/7 全天候運行，并且必須記錄大量實時數(shù)據(jù)。由于這些機器人可能會連續(xù)運行多年，EEPROM 最終會磨損，因此不是一個可行的選擇。

　　Flash 的續(xù)航能力也有限。但是，閃存的耐用性問題通常可以使用在主機處理器上的磨損均衡軟件技術(shù)來解決。當一個塊開始出現(xiàn)超過設(shè)定閾值的錯誤時，磨損均衡算法會將數(shù)據(jù)移動到一個可靠執(zhí)行的塊中。

　　磨損均衡通過將磨損均勻地分布在閃存中，有效地延長了內(nèi)存的使用壽命。但是，在整個內(nèi)存中跟蹤和移動數(shù)據(jù)的過程會增加主機 CPU 負載并引入寫入操作延遲。

　　使用閃存進行數(shù)據(jù)記錄時，最重要的考慮因素可能是它以塊的形式寫入數(shù)據(jù)。日志數(shù)據(jù)必須收集在緩沖區(qū)中，直到整個塊準備好寫入。磨損均衡算法可能涉及在大表中進行基于軟件的查找，然后選擇應(yīng)寫入數(shù)據(jù)的塊。最后，閃存必須先擦除塊才能寫入。

　　只有完成這些任務(wù)后，才能最終寫入日志數(shù)據(jù)。所有這些因素都會導致實際數(shù)據(jù)采集與寫入直接的長延遲。

　　實時可靠性

　　如前所述，數(shù)據(jù)記錄的兩個主要原因是隨時間推移的性能分析和電源事件恢復(fù)。對于這兩個功能，可以說最重要的信息都是在發(fā)生故障時收集的數(shù)據(jù)。

　　在電源故障的情況下，數(shù)據(jù)將用于恢復(fù)和恢復(fù)工業(yè)機器人停止運行的確切位置。對于性能分析，此“最后時刻”數(shù)據(jù)對于了解故障前發(fā)生的情況以及可能導致故障發(fā)生的原因至關(guān)重要。

　　當系統(tǒng)發(fā)生故障或發(fā)生電源問題時，幾乎沒有時間做出反應(yīng)。使用閃存和 EEPROM，緩沖區(qū)中的任何內(nèi)容都將丟失。然而，這是最重要的數(shù)據(jù)。寫入內(nèi)存所需的時間越長，丟失關(guān)鍵數(shù)據(jù)的風險就越大?？紤]一個在昂貴部件上運行的高精度機器人。如果機器人遇到電源故障，系統(tǒng)需要能夠以高精度復(fù)位到中斷的位置。否則，此次加工的零件可能要報廢。

　　為了保持具有高可靠性的操作參數(shù)和數(shù)據(jù)日志，必須連續(xù)捕獲數(shù)據(jù)并將其存儲在非易失性存儲器中。出于這個原因，機器人開發(fā)者正在轉(zhuǎn)向鐵電隨機存取存儲器 (F-RAM)。從表中可以看出，F(xiàn)-RAM 具有許多優(yōu)勢，使其成為存儲關(guān)鍵操作參數(shù)和數(shù)據(jù)記錄的首選。

　　F-RAM 具有 10的14 次方寫入周期的耐用性，對數(shù)據(jù)記錄應(yīng)用程序具有無限耐用性。此外，F(xiàn)-RAM不需要磨損均衡，從而簡化并降低了寫入內(nèi)存的延遲。

　　F-RAM 是一種不需要刷新周期的隨機存取存儲器。無需緩沖數(shù)據(jù)塊，因為數(shù)據(jù)可以立即存儲在非易失性存儲器中。此外，F(xiàn)-RAM 的隨機存取特性消除了內(nèi)存分頁帶來的延遲。當數(shù)據(jù)被捕獲時，它會被立即存儲。

　　數(shù)據(jù)記錄市場趨勢

　　開發(fā)人員必須決定是在主控制器內(nèi)集中記錄數(shù)據(jù)，還是在每個電機的邊緣記錄數(shù)據(jù)。如今，在電機邊緣側(cè)的數(shù)據(jù)記錄需要高達 1 Mb 的容量，而控制器則需要高達 16 Mb 的容量。

　　對于六軸機器人控制器等高速應(yīng)用，英飛凌最新一代的非易失性存儲器 Excelon F-RAM 提供更高密度的存儲器和四通道 SPI 接口，以幫助提高吞吐量。對于數(shù)據(jù)記錄要求較小的應(yīng)用，則有密度較低單通道SPI的產(chǎn)品。

　　然而，隨著工業(yè)機器人中軸和傳感器數(shù)量的不斷增長，數(shù)據(jù)記錄的要求只會擴大(圖 3)。同時，基于人工智能的性能和預(yù)測性維護算法將需要以更高的精細度訪問更廣泛的參數(shù)，從而增加必須收集和存儲的數(shù)據(jù)總量。

　　3. 隨著工業(yè)機器人軸數(shù)和傳感器數(shù)量的不斷增加，數(shù)據(jù)記錄要求將隨著時間的推移而增長。

　　影響非易失性存儲器密度的另一個趨勢是將記錄功能移到更靠近網(wǎng)絡(luò)邊緣的位置。在每個電機中的高可靠性和功能安全的邊緣計算與存儲，可以消除將數(shù)據(jù)發(fā)送回主控制器的延遲。

　　許多制造商在每個電機上都使用微型控制器，其動作由主六軸控制器協(xié)調(diào)。因此，每個電機都會跟蹤自己的參數(shù)和傳感器。反過來，這將使更先進的人工智能和機器學習 (ML) 能力轉(zhuǎn)移到邊緣以及單個電機成為可能。

　　工業(yè)機器人中的其他存儲器

　　除了數(shù)據(jù)記錄存儲器外，工業(yè)機器人還在系統(tǒng)中采用了許多其他存儲器技術(shù)，包括將引導代碼存儲為擴展存儲器。隨著工業(yè) 4.0 的出現(xiàn)，保護系統(tǒng)免受網(wǎng)絡(luò)威脅的需求激增。

　　黑客的主要目標之一是閃存設(shè)備，它存儲啟動代碼、安全密鑰和其他對系統(tǒng)正常功能至關(guān)重要的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。在這方面，英飛凌開發(fā)了符合功能安全標準的 SEMPER Secure NOR 閃存，并集成了安全功能以保護代碼免遭黑客攻擊。

　　機器人控制器的日益復(fù)雜性導致許多機器人控制器還擁有自己的TFT顯示器，以支持與技術(shù)人員的直接交互以及遠程控制。對于緩沖數(shù)據(jù)、音頻、圖像和視頻，或用作數(shù)學和數(shù)據(jù)密集型運算的暫存器，HyperRAM則非常適合作為工業(yè)顯示器的擴展存儲器。它在低引腳數(shù)串行 HyperBus 接口上具有高達 800MB/s 的傳輸率。

　　結(jié)論

　　數(shù)據(jù)記錄是工業(yè)機器人的基本功能，可以從故障和電源事件中恢復(fù)，而不會對生產(chǎn)產(chǎn)生負面影響。通過提供將推動這些應(yīng)用程序創(chuàng)新的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)記錄在啟用新興 AI 和 ML 功能(例如預(yù)測性維護)方面也發(fā)揮著重要作用。

　　F-RAM 的無限耐用性與其實時性、非易失性、高吞吐量和可靠的數(shù)據(jù)捕獲相結(jié)合，使其成為針對工業(yè)機器人中高性能數(shù)據(jù)記錄的非易失性存儲器的強大選擇。由于F-RAM可以保證在電源事故期間數(shù)據(jù)丟失最少，因此可以執(zhí)行高精度恢復(fù)，機器人可以在復(fù)位或故障之前停止的位置繼續(xù)操作。

　　F-RAM 有低密度和高密度可供選擇，以滿足不同應(yīng)用的要求。這也使開發(fā)人員能夠靈活地滿足下一代機器人不斷變化的需求，因為 AI 和 ML 功能越來越接近邊緣。