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國產研發單芯片運動控制器問世

2019-08-12 11:11:39  來源:第一財經

這款產品不僅將打破傳統工業總線的瓶頸,還將擺脫對英特爾X86處理器、微軟Windows操作系統的依賴,真正實現自主可控技術,打破國外品牌長期占據高端市場的格局。

高性能工業機器人作為核心裝備,一直被國外品牌壟斷,而運動控制器的自主可控一直是國產機器人領域的一大痛點。

日前,由實時俠智能控制技術有限公司(下稱“實時俠”)研制的全球首款單芯片多軸驅控一體運動控制器(簡稱SCIMC)完成了技術驗證,即將在8月底舉行的上海世界人工智能大會(WAIC)上亮相發布。

這款產品將擺脫對英特爾X86處理器、微軟Windows操作系統的依賴,以完全獨立開發的運動規劃、電機控制、通信、應用軟件等IP模塊,真正實現自主可控技術,打破國外品牌長期占據運動控制器高端市場的格局。

智能制造的核心技術

凱文·凱利在《失控》一書中寫道:“布魯克斯總結了設計移動式機器人的五條經驗,其中就包括傳感器和執行器的緊密耦合——要低級反射,不要高級思考。” 強調了感覺與控制的緊密耦合。

作為工業機器人當中的核心技術之一,運動控制器在機器人的執行過程中起到控制機器人運動的關鍵作用,被稱為制造裝備的“心臟”和“大腦”,是“智能制造”的基礎,也是連接“智能”與“制造”的橋梁。

作為我國亟待攻克的35項核心技術之一,工信部將控制器列為我國需要著力補齊的關鍵技術短板之一,納入《工業強基工程實施指南(2016-2020)》“一條龍”應用計劃。

機械工程專家譚健榮院士也表示:“機器人引領智能制造,核心控制器是機器人的核心技術之一,是中國最需要突破的領域。”

不過目前運動控制器領域仍由來自德國、日本的巨頭占據主要市場,其中包括德國倍福、西門子、庫卡,日本的三菱、發那科等,國產技術與國外高端產品差距仍然很大,導致國產機器人穩定性不佳,準確度不高,故障率居高不下。

在這樣的背景下,今年上海提出的《上海市智能制造三年行動計劃》中,明確提到聚焦智能制造應用端,推進重點行業的智能化升級轉型;著力攻克一批“卡脖子”的核心零部件和關鍵技術裝備,并著力培育一批智能制造獨角獸、隱形冠軍企業;創新推動5G、人工智能和大數據在智能制造中的深度應用,創新長三角智能制造協同發展機制,創新智能制造應用機制、政策的支持重點和支持方式。

實時俠就是一家誕生在上海漕河涇華鑫天地智慧園區的上海本土創業公司。公司創始人、董事長蔣耀對第一財經記者表示:“運動控制器是基礎性、共性技術,對智能制造,國家產業競爭力、產業安全有不可替代的作用,這與舉國關注芯片自主可控是一樣的。中國在裝備工業對發達國家的依賴同樣非常嚴重,容易被‘卡住脖子’。”

擺脫工業總線的束縛

隨著技術的進步和完善,實時俠敏銳地洞察到了芯片技術的進步以及可能對運動控制領域產生的顛覆性影響,開始嘗試利用SOC-FPGA芯片進行運動規劃與多軸電機控制的單芯片集中控制,這能夠使運行復雜算法的控制器的成本大幅降低。而這些算法對機械的運動學建模和需要以精確的方式移動的電機控制信號是很有必要的。

蔣耀向第一財經記者介紹道,過去借助于工業總線,運動規劃和電機控制之間的交互信息變得越來越多,可以支持更加復雜的算法,這使得機器人的速度、精度和穩定性有了很大的提升。但是工業總線的瓶頸也逐漸明顯,比如帶寬、絕對延遲以及多節點之間的同步性等。這些瓶頸制約了機器人性能的進一步提升,也抑制了業界對于需要更加大量數據交互才能完成的控制策略的想象空間。

如何擺脫對工業總線的束縛,同時不再依賴于英特爾X86控制器和微軟的Windows操作系統?早在2015年蔣耀就開始思考這個問題,并著手組建團隊自主研發技術可控的運動控制器。

歷時四年研發,投入上億資金,實時俠團隊通過不斷的技術驗證打造出這款全球首款單芯片多軸驅控一體運動控制器,并開發了一款桌面型的六軸工業機器人Ritimeman P7A對其進行性能的測試,對標德國庫卡KR6機器人。根據今年7月國家認證機構發布的性能檢測報告,P7A的技術指標已經全面趕超了庫卡KR6。

與達到同等性能的工業機器人相比,實時俠的運動控制器具有體積小、重量輕、功耗低等特點,并能夠廣泛應用于電動汽車輪轂電機、無人機、多軸加工中心、外骨骼動力裝甲和柔性手抓等領域。

在國際上,運動控制器的應用場景已經開始拓寬邊界。

早在2016年,由蘇黎世聯邦理工學院組織的一個比賽中,冰島主動修復技術制造商ssur開發的第一個用于批量生產的、具有電動膝蓋和踝關節的假肢正式亮相,該先進假肢為嵌入式運動控制器如何加速創新機電產品的開發提供了一個真實案例。未來,運動控制器在包括消費、工業、物聯網、醫療、辦公等更加廣泛的領域將開拓應用市場。

不過需要指出的是,盡管運動控制器需求增長迅速,但即便到明年,整體市場規模仍不到10億元。相比之下,中國的自動化及工業控制市場規模已經接近2000億。根據工信部的規劃,到2020年,將我國智能制造裝備產業培育成為具有國際競爭力的先導產業,建立完善的智能制造裝備產業體系產業銷售將超過3萬億元。

不過國內的工業控制市場中,國外品牌企業仍占據高端市場,國內企業定位于中低端市場。對此,實時俠總經理賀巖對第一財經記者表示,實時俠即將發布的這款運動控制器瞄準的是國內的中高端市場,但是性價比遠高于國外的競爭對手,如果大規模量產,價格可以達到國際同類產品的一半。

幫助人工智能落地

更大的市場需求來自于未來的服務機器人領域。

近日,加州大學伯克利分校研發出一款新型機器人Blue,可以完成洗碗、疊衣服、收拾房間等動作。相比工業機器人所能達到的精度,Blue的工作要簡單很多。

伯克利大學的機械工程師David Gealy表示:“雖然這些機器人反應很好,但是目前最大的問題是,如果使用工業機器人,我們必須為它添加傳感器和反饋控制器,這樣就會大大地增加成本。”

據介紹,Blue機器人手臂材料成本就要3000美元,但一旦大規模量產后,其售價可以控制在5000美元,可以完成比較簡單的任務。“這款機器人的設計理念是,未來機器人將被使用視覺反饋和力反饋的人工智能系統,實現更加智能的控制,就像人類控制自己的手臂一樣。”蔣耀對第一財經記者表示,“這也是我們未來的服務機器人努力的方向。”

賀巖告訴第一財經記者,實時俠基于現有的控制系統開發基礎視覺功能和力覺功能,并且提出了全新的單芯片“驅、控、感”一體的運動控制器,進一步融合感覺與控制,使機器人更加聰明、反應更快。

“大腦是做決策的,小腦是做執行的。我們希望通過這一‘驅、控、感’一體的運動控制器來實現類似于人類小腦的功能,幫助人工智能更好地落地。”實時俠副總經理唐文彬博士對第一財經記者表示。

責編:胡軍華

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