安川:将英特尔® FPGA 应用于机器人控制器

安川在其高性能机器人控制器中采用英特尔® FPGA,用于伺服控制和功能安全。

概览:

  • 安川电机公司是一家工业机器人的主要制造商。

  • 安川电机公司在其 YRC1000 机器人控制器中采用多款英特尔® FPGA,以实现更高的性能和精度。该公司使用英特尔的功能安全数据包简化并加速控制器的安全认证。

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劳动力缩减是工业机器人使用率增加背后的因素之一

在工业机械领域,机器人产业市场增长强劲。由于多国劳动力缩减和人口老龄化造成劳动力供应短缺和成本上升,提高流程效率和自动化程度比以往任何时候都更加迫切。因此,在制造业和其他工作场所中,能够执行各种操作和运输任务的多轴机器人的使用范围正在迅速扩大。除了在安全围栏后操作的传统机器人以外,能够与人类共享空间的协作机器人和自动导引车 (AGV) 的使用也在增加。

虽然过去的做法是采用定制的大规模集成 (LSI) 实现机器人控制,但随着半导体工艺的日益微型化,开发成本也随之上升,开发时间有时长达数年。对于机器人来说,安全措施也是一项基本要求。例如,需要使用光帘或其他此类传感器,在检测到人类闯入安全围栏时,立即停止机器人操作。因此,机器人制造商有义务获得认证,以证明其产品符合某些地区的相关标准。1

这就是为什么能够进行逻辑复制的英特尔® FPGA 被越来越多地应用于机器人(作为 ASIC 的替代方案)的原因之一。英特尔® FPGA 提供高设备可靠性,已经被广泛应用于各种工业机械中。英特尔也是 FPGA 行业中首批按照功能安全标准和相关认证开展业务的公司之一。本案例研究描述了安川电机在机器人控制器中如何使用英特尔® FPGA。

安川电机的 YRC1000 机器人控制器集占地空间小以及快速和精准控制于一体

安川电机公司是一家工业机器人的主要制造商。该公司的 6 轴垂直多关节机器人(品牌为 Motoman)在全球销售,用途广泛。这些应用包括弧焊、点焊、涂装、搬运和组装、生物医学应用、码垛、压制件搬运、剪切、切割、激光切割、去毛刺、抛光、涂层以及用于 LCD 或光伏电池的半导体晶圆和玻璃面板的运输。近年来,该公司还将重点放在了开发能够在生产线上与真人并肩工作的协作机器人 (Cobot)。

除了机械手(一支带有多个运动轴的手臂)以外,工业机器人还需要一个叫做编程示教器的设备(用来教机器人做动作)和一个控制器(根据示教器的指令在各个轴上重复动作)。

YRC1000 高性能机器人控制器在加速度控制方面作出了改进,取代了过去使用的速度控制机制,这意味着控制器能够以最大速度操作机械手。与此类似,一种用于臂尖轨迹控制的新技术能够确保严格复制相同的轨迹(不论速度如何),包括在测试操作期间和回放模式中。YRC1000 也是安川电机机器人控制器中最小的一款,体积比之前的 DX200 型号小 50%。其他功能包括兼容不同国家/地区的不同电源标准(图 1)。

图 1.安川电机 YRC1000 机器人控制器的功能 2

选择多种型号的英特尔® FPGA,用于实施机器人控制、伺服控制和功能安全

为了获得更高的性能和精度,安川电机选择采用多款英特尔® FPGA,用于机器人控制、伺服控制和功能安全等应用(图 2)。

图 2.安川电机 YRC1000 机器人控制器中使用的多款 FPGA。

对于安川电机来说,采用英特尔® FPGA 的主要优势如下(图 3):

图 3.使用英特尔® FPGA 所带来的优势。

(1) 提高伺服控制性能、降低功耗:移动多轴机械手需要计算实现所需运动的控制值,然后再将这些控制值输出到各个电机。这包括,基于编码器为每个轴确定的当前位置和角度进行复杂的三角函数计算和其他计算。

与运行在微处理器上的软件相比,在硬件上执行这种运动学计算更容易实现精度和速度。换句话说,它是英特尔® FPGA 的理想应用方式,配备板载数字信号处理,可在硬件上执行高速 32 位双精度浮点运算,并提供具有确定性的性能。

英特尔® FPGA 还提供包括 PCI Express 在内的多种硬件 IP,从而通过在确保总线连接可靠性的同时实现外围逻辑集成,促进电路的微型化并降低功耗。

功耗的降低意味着可以采用无风扇外壳,从而不再需要容易磨损的机械部件,并避免吸入粉尘。

(2) IEC 61508 和其他功能安全标准所要求的大部分与安全相关的系统,都可以整合到英特尔® FPGA 中。此外,使用多个设备意味着它们可以相互监控。同时,上述硬件实现所带来的确定性性能,对于不允许延迟的安全监控应用来说十分理想。

英特尔还提供经 IEC 61508 认证的功能安全数据包(TÜV 莱茵认证),以帮助安川电机减轻为控制器取得功能安全认证所需的工作量。

(3) 降低成本:通过使 FPGA 本身更具成本竞争力,以及其他因素(如集成外围逻辑、缩小电路尺寸,以及借助 FPGA 逻辑配置的灵活性缩短开发时间)实现了半导体工艺的微型化和合理化,从而降低了系统的总成本。

(4) 产品供应时间长:维护方面的考虑需要延长设备供应期,因为工业设备的使用寿命通常长达 10 年或更长。英特尔® FPGA 延长的产品生命周期可满足工业领域客户的需求。

(5) 开发时间表:与 ASIC 开发相比,除了缩短开发和验证周期之外,使用 FPGA 还意味着在出现问题时可以快速更改逻辑,或者在必要时可以对功能需求进行修改或增强。

如图 2 所示,控制器采用英特尔® 处理器、英特尔® 网络控制器和英特尔® FPGA。

根据功能安全标准实施的多个英特尔® FPGA 安全功能对编码器进行交叉监控

在使用机器人或其他工业机械时,严格的安全措施是必不可少的,这有助于确保在发生操作错误或故障时不会对附近的人或财产造成伤害,并能够将任何此类事件的后果降至最低。虽然这些安全功能的提供方式各异(例如使用安全通告或安全围圈提供物理屏障),但“功能安全”这个术语指的是通过电路、电子线路或软件来降低风险。

为了符合功能安全标准,通常需要通过添加额外的安全功能来提升控制系统。在 YRC1000 上,这些与安全相关的系统被实施在单独的电路板(“安全电路板”)上(图 4)。

图 4.YRC1000 功能安全概述。

英特尔® FPGA 在安全电路板上的任务是根据来自各个轴的编码器的数据,持续监控机械臂的位置和速度。举例说明安全功能:当机械臂因为某种原因移动到预定义区域之外,或超过预定义速度时,有一个机制会立即停止轴电机。

YRC1000 还集成了各种其他的可靠性和安全性增强功能,包括让不同的英特尔® FPGA 交叉监控彼此的编码器数据。

使用英特尔的 IEC 61508 认证软件包有助于缩短取得控制器认证所需的时间并减轻工作量

遵守功能安全标准是许多国家和地区的强制性要求。例如,欧盟的 2006/42/EC 机械指令要求遵守 IEC 61508。这意味着设备供应商有义务更新其内部质量管理系统以纳入相关标准,并整合到开发和验证流程中。

此外,使用第三方机构来认证公司设备符合功能安全标准也是一种常见的方法。

英特尔认识到该标准的重要性,于 2010 年(同年,IEC 61508 第二版发布)推出了业界首个通过 IEC 61508 认证的功能安全数据包,以缩短采用英特尔® FPGA 的系统通过功能安全合规认证所需的时间。

功能安全数据包适用于 IEC 61508 安全完整性 3 级 (SIL3) 及以下的设计,其认证由德国第三方认证机构 TÜV 莱茵负责。数据包包含以下几项内容。请参见下面的表 1 以了解功能安全数据包内容的详细信息:

(1) 指南——使用英特尔® FPGA 开发方法和工具设计满足 IEC 61508 认证要求的系统。

(2) FMEDA 工具——用于计算采用英特尔® FPGA 的系统的故障率和安全故障比例 (SFF)。

(3) 安全手册——说明如何以符合 IEC 61508 的方式使用英特尔® Quartus® Prime 设计软件和英特尔® FPGA 系统。

(4) 用于 Nios® II 处理器等硬件的认证 IP,以及用于监控 FPGA、内存和时钟信号完整性的符合 IEC-61508 标准的诊断 IP(包括源代码)。

(5) 英特尔® FPGA 的最新可靠性报告。

(6) 由 TÜV 莱茵出具的合规证书。

功能安全数据包与本文中介绍的机器人控制器一起,帮助缩短了实施功能安全和获得安全关键型工业机械(如工业伺服驱动器、逆变器、安全设备和自动化控制器)认证所需的时间和成本(图 5)。英特尔估计产品开发时间可以大大缩短,依具体情况而定。3

在安川电机,英特尔功能安全数据包被成功用于开发图 5 所示的 YRC1000 安全相关系统,缩短了通过 IEC 61508 SIL2、EN ISO 10218-1:2011 和 EN ISO 13849-1:2015 安全标准认证所需的时间。

图 5.面向工业应用的英特尔® FPGA 功能安全数据包。3

表 1.面向英特尔® FPGA 的功能安全数据包。4

英特尔® FPGA 和功能安全数据包满足工业机器人不断变化的需求

在无止境追求生产力和效率、IT 进步,以及多国劳动力缩减的背景下,以更智能的运营为特色的智能工厂概念正在引起人们的注意。

这些智能实践的广泛采用可能还会伴随着协作机器人、自主机器人和自主 AGV 等技术,特别是本文描述的工业机器人的进一步普及。整合第五代 (5G) 电信和专用 5G 系统的远程控制应用已经开始试验。在提高性能和精度的同时,还需要进一步增强安全性和可靠性。

对于满足安全要求以及应对这些全新智能实践和其他快速的市场变化来说,英特尔® FPGA 及其为修改逻辑提供的灵活性必将是一笔宝贵的财富。作为工业机器人领域的全球领先企业之一,安川电机已经将英特尔® FPGA 投入使用,以提高机器人控制器的性能和精度,并促进功能安全性的实施。通过采用英特尔功能安全数据包,他们还减轻了获得功能安全认证所需的工作量。

随着机器人和其他工业机械环境的不断发展,英特尔® FPGA 和功能安全数据包已准备就绪。

有关工业功能安全的更多信息,请访问:https://www.intel.cn/content/www/cn/zh/industrial-automation/programmable/applications/automation/functional-safety.html

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产品和性能信息

3实际开发时间可以缩短的程度取决于具体情况。
4截至 2020 年 10 月。