人機協作安全性/精準度再升級 半導體技術實現工業4.0願景

2020-03-31
機器人長期以來一直是現代工廠生產線的主力,讓全球製造商受益於生產力提升及成本最佳化。在工業4.0和智慧工廠的背景下,最新一代工業機器人正徹底改變傳統的生產製程。這一代機器人是所謂的協作型機器人,也稱為Cobot。這類機器人與人類一起工作,在個別製程提供支援,因為具備高度精準及安全的工作方式,最終可提升成品品質。
英飛凌科技工業電源控制事業處總裁Peter Wawer

新機器人類型:精巧/靈活/安全

感測器技術的精進、資料處理效率的提升、人工智慧及電力電子技術演進,使新一代機器人成為可能。同時,機器人市場正急遽變化。除了知名的頂尖業者外,許多小規模新創公司已經在市場嶄露頭角,而這股趨勢仍在繼續,以特殊演算法作為新機器人概念的基礎,而非投入過多時間處理機構設計和所需的電子硬體。

舉例來說,這些專業的新創機器人公司,能在數週內建立開發平台,於此基礎開發機器人用於各種廣泛領域。這類機器人不似早期的機器人,需要針對個別目標應用進行複雜編程,新型機器人可以輕鬆且靈活地被重新編程,並調整動作順序(有時甚至可獨立調整)以適應新的狀況。新一代機器人為現代半導體產品提供廣泛的應用領域,範圍涵蓋馬達控制、高效能位置和物體偵測、高效精巧的驅動器、電源供應器和充電器。其中也包括實作虛擬安全門,乃至於具備安全認證和校正的安全功能。如果沒有安全性,連網生產環境就無法落實功能安全。此外智慧財產權保護也是必要條件,特別是對專業知識以演算法為基礎的新創公司。

如果想從圍欄中解放機器人,就必須確保機器人在高速精準處理工作時,人們不會進入臨界範圍內,以免人員因為誤入或機器故障而受傷。只有採用精密感測器技術,才能設計出具有對應靈敏度的機器人。

基本上,讓人員與機器人之間的區域更安全是很重要的,維持機器人之間的安全範圍亦是如此。這是關於如何創造一個更具彈性的保護區域,也就是說,隨著機器人手臂的移動,動態地擁有更小的保護區域。在建置虛擬圍籬時採用了這樣的區域概念。例如,當人員進入第一層警告的區域時,僅會觸發警報,機器人仍繼續全速運作。若人員進一步接近,機器人將減速並發出相對應的警報。只有在立即危險的區域,機器人才會停止運作。

適當的保護機制需要極其精確的物體辨識。備援取樣可確保最高的功能安全。這也有助於掌握運動方向,例如人員是接近然後再離開,或是進入危險區域。能夠偵測真實危險情況的智慧偵測可避免非必要停機時間或是減慢機器人工作速度,進而造成生產損失和成本。

沒有資安防護就沒有安全

「只有在確保資料安全性(Data Security)時,才能打造安全的系統以及功能安全」,這在工業4.0和物聯網環境中越來越重要。密碼加密可避免非授權使用者修改機器人的軟體程式碼,確保機器人僅執行其應執行的功能。特別是,生產線上的機器人必須受到安全防護,避免遭到竄改,但另一方面也要以有線或遠端的方式進行軟體更新,其中也需要對使用者和新增元件進行安全認證。

校正是機器人正常運作的必要條件。若駭客竄改校正結果,機器人的運作就可能超過其指定的限制。資安防護與安全息息相關,沒有有效的資料安全防護,就沒有功能安全。這是未來系統的一項重要需求,可透過專用安全晶片或具有硬體安全模組(HSM)等功能的微控制器實現。由於安全功能已經建置於硬體中,使用者僅需具備少許的詳細加密知識,且對現有軟體實作的影響極低。

更長續航力

高效且精巧的電源供應器和充電功能對打造行動機器人非常重要。因應此趨勢,半導體業者(如英飛凌)也以CoolMOS、SiC和GaN技術,致力將電池充電器的功率密度提升2至5倍,並縮短行動機器人的充電時間,在未來,無線充電也是可能的方式。如果電池透過制動程序進行再充電,則可以更有效率的方式使用能源。

現今的功率半導體以及UPS中電池使用的改善實現了上述目標,例如實現了緩衝能量。由於工業4.0工廠持續增加採用由電池供電的無人搬運車(AGV),將大幅降低在製造期間所需額外UPS電池的經費與成本。因為,在連網的情況下,充電站的AGV電池可在一定程度上,作為工廠內部供電網路的緊急電源。

簡化布線

傳統工業機器人通常基於包括中央馬達控制和軸上的多個驅動器,如此在機器手臂上都需要相當多的布線,如每個馬達都有主馬達纜線,及用於控制和讀出感測器資料的額外通訊匯流排。

而現今半導體以及類電力線調變與馬達控制電子裝置整合,可大幅降低相關費用,重量及成本也獲得改善。舉例來說,在英飛凌實驗室的實驗中,已成功將機器手臂上的纜線數量從近30條減少至2~3條。同時訊號通訊的傳輸速度則已遠高於100Mbps。減少布線也意味在嚴苛的製造環境中減少介面的數量,進而提升可靠性。這種整合必要元件的馬達控制之初始原型正在準備當中。

而因應市場發展趨勢,半導體業者持續致力於提供從控制器、電力電子裝置乃至於感測器及具安全及資安防護功能的晶片,可用於實作新一代機器人的高效率電子裝置。

(本文作者為英飛凌科技工業電源控制事業處總裁)

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