工業(yè) 4.0 的愿景是將智能傳感器與工業(yè)設(shè)備相結(jié)合，以提高生產(chǎn)力、提高可靠性并降低運(yùn)營成本。這其中許多傳感器將通過無線方式相互連接（例如，通過網(wǎng)狀配置）或通過傳感器網(wǎng)關(guān)。然后，該網(wǎng)絡(luò)將連接到可以收集、分析和處理數(shù)據(jù)的云。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IIoT) 與物聯(lián)網(wǎng)的不同之處在于設(shè)備必須實(shí)時(shí)執(zhí)行操作并滿足工業(yè)可靠性標(biāo)準(zhǔn)。

　　工業(yè)機(jī)器人是一類特殊的工業(yè)設(shè)備，可以高效、準(zhǔn)確且可重復(fù)地執(zhí)行手動(dòng)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(jī)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(shí)更加靈活之外，工業(yè)機(jī)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(shí)降低總體總擁有成本。當(dāng)連接到云端時(shí)，可以識(shí)別所有機(jī)器人的操作模式和趨勢(shì)。

　　例如，可以分析故障以創(chuàng)建預(yù)測(cè)性維護(hù)算法，當(dāng)機(jī)器人的操作配置記錄文件有錯(cuò)誤時(shí)會(huì)觸發(fā)警報(bào)。使得問題能夠在導(dǎo)致設(shè)備故障和停機(jī)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(dòng)化 OEM 對(duì)機(jī)器人技術(shù)進(jìn)行投資，工業(yè)機(jī)器人的增長仍在繼續(xù)。自 2016 年以來，機(jī)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(jī)器人技術(shù)，自 2016 年以來機(jī)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(jī)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(jī)器人收集運(yùn)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(jī)器人的復(fù)雜性

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

　　2. 工業(yè)機(jī)器人框圖。

　　每個(gè)機(jī)器人機(jī)械手的各個(gè)部分通過機(jī)械關(guān)節(jié)連接，每個(gè)關(guān)節(jié)都提供一個(gè)運(yùn)動(dòng)軸。一個(gè)典型的機(jī)械手有六個(gè)活動(dòng)關(guān)節(jié)或六個(gè)運(yùn)動(dòng)軸。

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

　　從可靠性來看，工業(yè)機(jī)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(jī)器人也可以從停止的位置立即恢復(fù)操作。

　　為此，每臺(tái)電機(jī)都必須能夠保存關(guān)鍵參數(shù)和數(shù)據(jù)狀態(tài)，包括機(jī)械臂的旋轉(zhuǎn)角度和位置。同樣，控制器需要維護(hù)詳細(xì)的控制日志，記錄每個(gè)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(jī)記錄跟蹤速度、扭矩、電機(jī)反饋傳感（即電流、位置、速度）和運(yùn)動(dòng)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(chǔ)器，以便數(shù)據(jù)不會(huì)因斷電而丟失。

　　用于數(shù)據(jù)記錄的非易失性存儲(chǔ)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(diǎn)：

　　需要幾個(gè)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(diǎn)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(jī)器人經(jīng)常暴露在振動(dòng)中，這可能導(dǎo)致將電池固定到位的連接器出現(xiàn)機(jī)械故障，從而降低整體可靠性。

　　電池需要進(jìn)行維護(hù)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(chǔ)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(chǔ)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(jī)器人 24/7 全天候運(yùn)行，并且必須記錄大量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。由于這些機(jī)器人可能會(huì)連續(xù)運(yùn)行多年，EEPROM 最終會(huì)磨損，因此不是一個(gè)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?？梢允褂迷谥鳈C(jī)處理器上的磨損均衡軟件技術(shù)來解決。當(dāng)一個(gè)塊開始出現(xiàn)超過設(shè)定閾值的錯(cuò)誤時(shí)，磨損均衡算法會(huì)將數(shù)據(jù)移動(dòng)到一個(gè)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(gè)內(nèi)存中跟蹤和移動(dòng)數(shù)據(jù)的過程會(huì)增加主機(jī) CPU 負(fù)載并引入寫入操作延遲。

　　使用閃存進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄時(shí)，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(gè)塊準(zhǔn)備好寫入。磨損均衡算法可能涉及在大表中進(jìn)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(huì)導(dǎo)致實(shí)際數(shù)據(jù)采集與寫入直接的長延遲。

　　實(shí)時(shí)可靠性

　　如前所述，數(shù)據(jù)記錄的兩個(gè)主要原因是隨時(shí)間推移的性能分析和電源事件恢復(fù)。對(duì)于這兩個(gè)功能，可以說最重要的信息都是在發(fā)生故障時(shí)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(jī)器人停止運(yùn)行的確切位置。對(duì)于性能分析，此“最后時(shí)刻”數(shù)據(jù)對(duì)于了解故障前發(fā)生的情況以及可能導(dǎo)致故障發(fā)生的原因至關(guān)重要。

　　當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障或發(fā)生電源問題時(shí)，幾乎沒有時(shí)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(shí)間越長，丟失關(guān)鍵數(shù)據(jù)的風(fēng)險(xiǎn)就越大?？紤]一個(gè)在昂貴部件上運(yùn)行的高精度機(jī)器人。如果機(jī)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(bào)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(chǔ)在非易失性存儲(chǔ)器中。出于這個(gè)原因，機(jī)器人開發(fā)者正在轉(zhuǎn)向鐵電隨機(jī)存取存儲(chǔ)器 (F-RAM)。從表中可以看出，F(xiàn)-RAM 具有許多優(yōu)勢(shì)，使其成為存儲(chǔ)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(duì)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(jī)存取存儲(chǔ)器。無需緩沖數(shù)據(jù)塊，因?yàn)閿?shù)據(jù)可以立即存儲(chǔ)在非易失性存儲(chǔ)器中。此外，F(xiàn)-RAM 的隨機(jī)存取特性消除了內(nèi)存分頁帶來的延遲。當(dāng)數(shù)據(jù)被捕獲時(shí)，它會(huì)被立即存儲(chǔ)。

　　數(shù)據(jù)記錄市場趨勢(shì)

　　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(gè)電機(jī)的邊緣記錄數(shù)據(jù)。如今，在電機(jī)邊緣側(cè)的數(shù)據(jù)記錄需要高達(dá) 1 Mb 的容量，而控制器則需要高達(dá) 16 Mb 的容量。

　　對(duì)于六軸機(jī)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(chǔ)器 Excelon F-RAM 提供更高密度的存儲(chǔ)器和四通道 SPI 接口，以幫助提高吞吐量。對(duì)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(jī)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(huì)擴(kuò)大（圖 3）。同時(shí)，基于人工智能的性能和預(yù)測(cè)性維護(hù)算法將需要以更高的精細(xì)度訪問更廣泛的參數(shù)，從而增加必須收集和存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)總量。

　　3. 隨著工業(yè)機(jī)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(shí)間的推移而增長。

　　影響非易失性存儲(chǔ)器密度的另一個(gè)趨勢(shì)是將記錄功能移到更靠近網(wǎng)絡(luò)邊緣的位置。在每個(gè)電機(jī)中的高可靠性和功能安全的邊緣計(jì)算與存儲(chǔ)，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(gè)電機(jī)上都使用微型控制器，其動(dòng)作由主六軸控制器協(xié)調(diào)。因此，每個(gè)電機(jī)都會(huì)跟蹤自己的參數(shù)和傳感器。反過來，這將使更先進(jìn)的人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí) (ML) 能力轉(zhuǎn)移到邊緣以及單個(gè)電機(jī)成為可能。

　　工業(yè)機(jī)器人中的其他存儲(chǔ)器

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

　　黑客的主要目標(biāo)之一是閃存設(shè)備，它存儲(chǔ)啟動(dòng)代碼、安全密鑰和其他對(duì)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(biāo)準(zhǔn)的 SEMPER Secure NOR 閃存，并集成了安全功能以保護(hù)代碼免遭黑客攻擊。

　　機(jī)器人控制器的日益復(fù)雜性導(dǎo)致許多機(jī)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(yuǎn)程控制。對(duì)于緩沖數(shù)據(jù)、音頻、圖像和視頻，或用作數(shù)學(xué)和數(shù)據(jù)密集型運(yùn)算的暫存器，HyperRAM則非常適合作為工業(yè)顯示器的擴(kuò)展存儲(chǔ)器。它在低引腳數(shù)串行 HyperBus 接口上具有高達(dá) 800MB/s 的傳輸率。

　　結(jié)論

　　數(shù)據(jù)記錄是工業(yè)機(jī)器人的基本功能，可以從故障和電源事件中恢復(fù)，而不會(huì)對(duì)生產(chǎn)產(chǎn)生負(fù)面影響。通過提供將推動(dòng)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(cè)性維護(hù)）方面也發(fā)揮著重要作用。

　　F-RAM 的無限耐用性與其實(shí)時(shí)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(duì)工業(yè)機(jī)器人中高性能數(shù)據(jù)記錄的非易失性存儲(chǔ)器的強(qiáng)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(jī)器人可以在復(fù)位或故障之前停止的位置繼續(xù)操作。