工業(yè) 4.0 的愿景是將智能傳感器取工業(yè)設(shè)備相結(jié)合，以進(jìn)步生產(chǎn)力、進(jìn)步可靠性并下降運(yùn)營本錢。這此中很多傳感器將經(jīng)由過程無線體式格局相互連接（比方，經(jīng)由過程網(wǎng)狀設(shè)置）或經(jīng)由過程傳感器網(wǎng)關(guān)。然后，該網(wǎng)絡(luò)將連收到能夠收集、闡發(fā)和處置懲罰數(shù)據(jù)的云。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IIoT) 取物聯(lián)網(wǎng)的不同之處在于設(shè)備必需實(shí)時履行操縱并知足工業(yè)可靠性尺度。
工業(yè)機(jī)器人是一類特別的工業(yè)設(shè)備，能夠高效、正確且可反復(fù)地實(shí)行手動義務(wù)。自 1960 年月以來，它們一向適用于工場及貿(mào)易舉措措施中。伴隨著工業(yè) 4.0 的到來，這一些機(jī)器人正在整合智能和新功能，使智能工場成為可能。
除正在執(zhí)行任務(wù)時加倍靈動以外，工業(yè)機(jī)器人還可以收集和闡明有關(guān)本身的數(shù)據(jù)，以進(jìn)步生產(chǎn)力、服務(wù)質(zhì)量和可靠性，與此同時低落總體總具有本錢。當(dāng)連收到云端時，可以辨認(rèn)全部機(jī)器人的操縱形式和趨向。
比方，可以闡發(fā)毛病以創(chuàng)立猜測性保護(hù)算法，當(dāng)機(jī)器人的操縱設(shè)置記載文件有錯誤時會觸發(fā)警報。使得題目可以正在招致設(shè)備毛病和停機(jī)之前得到解決，進(jìn)而最大限度地淘汰損失。
伴隨著越來越多的工業(yè)自動化 OEM 對機(jī)器人手藝舉行投資，工業(yè)機(jī)器人的增加仍在持續(xù)。自 2016 年以來，機(jī)器人行業(yè)以每一年 7.6% 的速度增加（CAGR）。
1. OEM 持續(xù)投資于工業(yè)機(jī)器人技能，自 2016 年以來機(jī)器人行業(yè)以每一年 7.6% 的速度增加（CAGR），即便將 COVID-19 思量在內(nèi)。
將來幾年，工業(yè)機(jī)器人的開發(fā)者將面對一系列的題目。伴隨著這一些體系變得愈來愈龐雜，可靠性變得愈來愈重要。本文將討論以數(shù)據(jù)日記的情勢由工業(yè)機(jī)器人收集運(yùn)轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)的挑釁，包含若何處置必需收集的數(shù)據(jù)和如安在體系故障時代最大限度地淘汰數(shù)據(jù)喪失。
工業(yè)機(jī)器人的復(fù)雜性
正在最基本的情勢中，工業(yè)機(jī)器人由機(jī)器手和控制器構(gòu)成。機(jī)器手，平常被稱為機(jī)器臂，能夠挪動、扭轉(zhuǎn)和施行行動。
2. 工業(yè)機(jī)器人框圖。
每一個機(jī)器人機(jī)器手的各個一些根據(jù)機(jī)器樞紐銜接，每一個樞紐皆供應(yīng)一個運(yùn)動軸。一個典范的機(jī)器手有六個運(yùn)動樞紐或六個運(yùn)動軸。
由高精度伺服或步進(jìn)機(jī)電賣力的每一個軸都被限定正在特定的活動局限內(nèi)。別的，每一個軸以分歧的速度挪動，通常正在數(shù)據(jù)表中以每秒挪動的度數(shù)列出?；顒泳窒拊酱?，樞紐的最高速度越快，節(jié)制活動所需的精度就越高。對更高協(xié)調(diào)性和精度的需求還加了需要從跟蹤機(jī)械手的每一個傳感器記載的操縱數(shù)據(jù)量。
由可靠性來看，工業(yè)機(jī)器人必需可以由種種電源事務(wù)中規(guī)復(fù)，比方斷電。抱負(fù)情況下，一旦電源妨礙清掃，即便體系已重置，機(jī)器人還可以由中斷的位置立刻規(guī)復(fù)操縱。
為此，每臺機(jī)電都必須可以生存關(guān)頭參數(shù)和數(shù)據(jù)狀況，包孕機(jī)器臂的扭轉(zhuǎn)角度和位置。一樣，掌握器須要保護(hù)具體的掌握日記，記實(shí)每一個軸的操縱參數(shù)，包孕其下令位置、編碼器值和有效載荷。
另外，控制器必需連結(jié)伺服機(jī)電記載跟蹤速度、扭矩、機(jī)電反應(yīng)傳感（即電流、位置、速度）和活動角度?？煽康赜涊d所有這些數(shù)據(jù)須要某種情勢的非易失性存儲器，以便數(shù)據(jù)不容易因斷電而喪失。
適用于數(shù)據(jù)記載的非易失性存儲器
正在已往的幾十年中，樞紐數(shù)據(jù)一向保存正在電池供電的 SRAM 中。可是，這類要領(lǐng)有許多錯誤謬誤：
須要一些組件（電池，電源辦理控制器），占用更多的 PCB 空間和增添妨礙點(diǎn)的數(shù)目。
為幸免電池受熱，一般需要在回流工藝以后安裝電池，進(jìn)而加了制作本錢。
工業(yè)機(jī)器人常常暴露在振動中，這大概招致將電池固定到位的連接器泛起機(jī)械故障，進(jìn)而下降團(tuán)體可靠性。
電池需求開展保護(hù)和改換。
電池不符合 RoHS 請求，為廠商帶來了措置題目。
因?yàn)檫@一些緣故和其他緣故，OEM 已轉(zhuǎn)向非易失性存儲設(shè)備來替換電池供電的 SRAM。該表表現(xiàn)了可供 OEM 利用的一系列非易失性存儲器技能。
因?yàn)?EEPROM 的耐用性較低，是以大多使用都可以將其解除在外。工業(yè)機(jī)器人 24/7 全天候運(yùn)轉(zhuǎn)，而且必需紀(jì)錄大批實(shí)時數(shù)據(jù)。因?yàn)檫@一些機(jī)器人可能會連氣兒運(yùn)轉(zhuǎn)好多年，EEPROM 最終會磨損，是以這不是一個可行的挑選。
Flash 的續(xù)航才能還有限。然則，閃存的耐用性問題一般能夠使用在主機(jī)處理器上的磨損平衡軟件技術(shù)來辦理。當(dāng)一個塊入手下手呈現(xiàn)凌駕設(shè)定閾值的錯誤時，磨損平衡算法會將數(shù)據(jù)移動到一個靠得住實(shí)行的塊中。
磨損平衡經(jīng)由過程將磨損平均地分布正在閃存中，有效地延長了內(nèi)存的使用壽命。可是，正在全部內(nèi)存中跟蹤和挪動數(shù)據(jù)的歷程會提升主機(jī) CPU 負(fù)載并引入寫入操縱延遲。
利用閃存舉行數(shù)據(jù)記實(shí)時，最主要的思量因素多是它以塊的情勢寫入數(shù)據(jù)。日記數(shù)據(jù)必需收集正在緩沖區(qū)中，直到全部塊準(zhǔn)備好寫入。磨損平衡算法也許觸及正在大表中舉行基于軟件的查找，然后挑選應(yīng)寫入數(shù)據(jù)的塊。最終，閃存必需先擦除塊才可以寫入。
只有完成這一些義務(wù)后，能力終究寫入日記數(shù)據(jù)。所有這一些因素城市招致預(yù)期數(shù)據(jù)收集取寫入直接的長延遲。
實(shí)時可靠性
如前所述，數(shù)據(jù)紀(jì)錄的兩個首要原因是隨時間推移的性能剖析和電源事務(wù)規(guī)復(fù)。關(guān)于這兩個功效，可以說最主要的信息全是正在產(chǎn)生毛病時收集的數(shù)據(jù)。
正在電源毛病的情形下，數(shù)據(jù)將適用于規(guī)復(fù)和規(guī)復(fù)工業(yè)機(jī)器人中斷運(yùn)轉(zhuǎn)的切實(shí)位置。關(guān)于性能剖析，此“末了時刻”數(shù)據(jù)關(guān)于掌握毛病前產(chǎn)生的情形和大概致使毛病產(chǎn)生的緣故至關(guān)重要。
當(dāng)體系產(chǎn)生妨礙或產(chǎn)生電源題目時，幾乎沒有時候做出反映。利用閃存和 EEPROM，緩沖區(qū)中的任何內(nèi)容都將喪失。然而，這是最主要的數(shù)據(jù)。寫入內(nèi)存所需的時候越長，喪失環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)的風(fēng)險就越大。斟酌一個正在高貴部件上運(yùn)轉(zhuǎn)的高精度機(jī)器人。若是機(jī)器人碰到電源妨礙，體系需求可以以高精度復(fù)位到停止的位置。不然，此次加工的零件可能要報廢。
為了維持具有高可靠性的操縱參數(shù)和數(shù)據(jù)日記，必需連氣兒捕捉數(shù)據(jù)并將其存儲正在非易失性存儲器中。出于這個緣故原由，機(jī)器人開發(fā)者正正在轉(zhuǎn)向鐵電隨機(jī)存取存儲器 (F-RAM)。由表中能夠看得出，F(xiàn)-RAM 具有很多上風(fēng)，使其成為存儲樞紐操縱參數(shù)和數(shù)據(jù)記實(shí)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)記實(shí)應(yīng)用程序具有無限耐用性。另外，F(xiàn)-RAM不需要磨損平衡，進(jìn)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)存取存儲器。無需緩沖數(shù)據(jù)塊，由于數(shù)據(jù)能夠當(dāng)即存儲正在非易失性存儲器中。另外，F(xiàn)-RAM 的隨機(jī)存取特征消除內(nèi)存分頁帶來的延遲。當(dāng)數(shù)據(jù)被捕捉時，它會被當(dāng)即存儲。
數(shù)據(jù)記載市場趨勢
開發(fā)人員必需決定是正在主控制器內(nèi)會合記實(shí)數(shù)據(jù)，照樣正在每一個機(jī)電的邊沿記實(shí)數(shù)據(jù)?，F(xiàn)在，正在機(jī)電邊沿側(cè)的數(shù)據(jù)記實(shí)須要高達(dá) 1 Mb 的容量，而控制器則須要高達(dá) 16 Mb 的容量。
關(guān)于六軸機(jī)器人控制器等高速使用，英飛凌最新一代的非易失性存儲器 Excelon F-RAM 給予更高密度的存儲器和四通道 SPI 接口，以幫忙進(jìn)步吞吐量。關(guān)于數(shù)據(jù)紀(jì)錄請求較小的使用，則有密度較低單通道SPI的產(chǎn)物。
然而，跟著工業(yè)機(jī)器人中軸和傳感器數(shù)目的不休增加，數(shù)據(jù)紀(jì)錄的規(guī)定只會擴(kuò)大（圖 3）。與此同時，基于人工智能的性能和展望性保護(hù)算法將需要以更高的邃密度拜訪更遍及的參數(shù)，進(jìn)而提升必需收集和存儲的數(shù)據(jù)總量。
3. 跟著工業(yè)機(jī)器人軸數(shù)和傳感器數(shù)目的不時增添，數(shù)據(jù)記實(shí)請求將跟著工夫的推移而增加。
危害非易失性存儲器密度的另一個趨向是將記實(shí)功效移到更接近網(wǎng)絡(luò)邊沿的位置。正在每一個機(jī)電中的高可靠性和功效寧靜的邊沿測算取存儲，能夠清除將數(shù)據(jù)發(fā)送回主控制器的延遲。
很多制造商正在每一個機(jī)電上皆利用微型控制器，其行動由主六軸控制器調(diào)和。是以，每一個機(jī)電皆會跟蹤自身的參數(shù)和傳感器。反過來，這將使更進(jìn)步前輩的人工智能和機(jī)械進(jìn)修 (ML) 本領(lǐng)轉(zhuǎn)移到邊沿和單個機(jī)電成為可能。
工業(yè)機(jī)械人中的其他存儲器
除數(shù)據(jù)紀(jì)錄存儲器外，工業(yè)機(jī)器人還在體系中采用了很多其他存儲器手藝，包含將引誘代碼存儲為擴(kuò)大存儲器。跟著工業(yè) 4.0 的呈現(xiàn)，掩護(hù)體系免受網(wǎng)絡(luò)要挾的需求激增。
黑客的首要方針之一是閃存設(shè)備，它存儲啟動代碼、平安密鑰和其他對體系一般功用至關(guān)重要的樞紐數(shù)據(jù)。在這里層面，英飛凌開發(fā)了契合功用平安尺度的 SEMPER Secure NOR 閃存，并集成了平安功用以護(hù)衛(wèi)代碼免遭黑客攻擊。
機(jī)器人節(jié)制器的日趨復(fù)雜性致使很多機(jī)器人節(jié)制器還具有本人的TFT顯示器，以撐持取技術(shù)人員的直接交互和長途節(jié)制。關(guān)于緩沖數(shù)據(jù)、音頻、圖象和視頻，或用作數(shù)學(xué)和數(shù)據(jù)密集型運(yùn)算的暫存器，HyperRAM則很是合適作為工業(yè)顯示器的擴(kuò)大存儲器。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)記實(shí)是工業(yè)機(jī)器人的基本功效，能夠由妨礙和電源事務(wù)中規(guī)復(fù)，而不容易對出產(chǎn)發(fā)生負(fù)面影響。經(jīng)過供應(yīng)將推進(jìn)這一些應(yīng)用程序立異的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)記實(shí)在啟用新興 AI 和 ML 功效（比方展望性保護(hù)）層面還施展著重要作用。
F-RAM 的無限耐用性與其實(shí)時性、非易失性、高吞吐量和靠得住的數(shù)據(jù)捕捉相結(jié)合，使其成為針對工業(yè)機(jī)械人中高性能數(shù)據(jù)紀(jì)錄的非易失性存儲器的強(qiáng)盛挑選。因?yàn)镕-RAM能夠包管正在電源事故時期數(shù)據(jù)喪失起碼，是以能夠履行高精度規(guī)復(fù)，機(jī)械人能夠正在復(fù)位或毛病之前停滯的位置持續(xù)操縱。