深度：盤點芯片商瓜分工業(yè)機器人的“吃相”

　　晶片商與工業(yè)電腦廠正大舉搶攻機器手臂與機器視覺運算應用商機。工業(yè)型機器人應用前景看好，連帶讓機器人內部控制元件的行情跟著看俏，包括MCU、DSP、FPGA、工控平臺等解決方案供應商亦正大舉獻計，期許能順著工業(yè)智慧自動化的潮流，大發(fā)工業(yè)機器人財。

　　工業(yè)型機器人需求掘起，可望帶動龐

　　晶片商與工業(yè)電腦廠正大舉搶攻機器手臂與機器視覺運算應用商機。工業(yè)型機器人應用前景看好，連帶讓機器人內部控制元件的行情跟著看俏，包括MCU、DSP、FPGA、工控平臺等解決方案供應商亦正大舉獻計，期許能順著工業(yè)智慧自動化的潮流，大發(fā)工業(yè)機器人財。

　　工業(yè)型機器人需求掘起，可望帶動龐大市場商機。工業(yè)型機器人的核心能力在于智慧感測以及運動控制(Motion Control);而目前最普遍的工業(yè)型機器人樣態(tài)即是模仿人類手臂的機器手臂。

　　機器手臂已開始在智慧工廠的產線上發(fā)揮重要功能，成為智慧製造中不可或缺的要角。機器手臂可取代人工進行焊接、涂裝及裝配等流程，達到更經濟、快速和準確完成標準的常規(guī)作業(yè);而隨著機器手臂日益受到重視，在機器手臂馬達控制中擔當重任的微控制器(MCU)，亦可望跟著受惠。

　　機器手臂馬達控制需求增　MCU業(yè)者迎利多

　　意法半導體(ST)大中華暨南亞區(qū)產品行銷經理楊正廉表示，由于工廠產線上單一具機器人或是機器手臂，通常涉及多種運作機制，彼此雖各司其職但也要互相協調，因此內建于機器人中的控制器或處理器更是身負重任，可望搭上此波工業(yè)自動化風潮的順風車快速成長。

　　楊正廉進一步指出，在多種控制器或處理器中，又以MCU的市場前景最為可期。他解釋，雖然MCU的處理效能比不上微處理器(MPU)、數位訊號處理器(DSP)或是現場可編程閘陣列(FPGA)等元件，不過由于目前智慧工廠產線上的機器人多以機器手臂為主，高精度、大型且完全擬真人的機器人還不普遍，而機器手臂注重的是馬達控制效能，因此已在馬達控制領域占有一席之地的MCU業(yè)者將最直接受惠。

　　據了解，機器人系統的自由度(Degrees of Freedom, DOF)高低取決于移動關節(jié)數目，關節(jié)數愈多，自由度越高，位移精準度也愈出色，然所須使用的馬達數量就相對較多;換言之，愈精密的工業(yè)型機器人，其內建的馬達數量愈多，也意味著控制器或處理器的數量將相應增加。

　　因此楊正廉表示，工業(yè)型機器人市場需求愈旺，對MCU業(yè)者來說商機也愈大;以單支機器手臂為例，其內建的控制器平均約有八成為MCU，剩下的才是MPU等高效能處理器。

　　為滿足機器人馬達控制應用，MCU業(yè)者除須提供易開發(fā)的嵌入式平臺、設計工具及通用軟體外，更要建立好MCU周邊完善的通訊環(huán)境，亦即MCU須能處理各種工業(yè)通訊協議，包括控制區(qū)域網路匯流排(CAN BUS)、通用序列匯流排(USB)、序列周邊介面匯流排(SPI)、乙太網路、無線區(qū)域網路(Wi-Fi)、藍牙(Bluetooth)等基本通訊。

　　另一方面，MCU運算效能亦須與時俱進。楊正廉指出，目前MCU的平均效能約介于80?100DMIPS之間，高階MCU則上看200DMIPS，而為了助力工業(yè)型機器人的控制效能、精準度不斷提升，未來MCU業(yè)者的首要開發(fā)目標是將效能提升至300?400DMIPS，同時持續(xù)優(yōu)化周邊元件的性能，如將類比數位轉換器(ADC)從主流的12位元逐漸汰換成16位元;此外，也要戮力改善MCU對周邊開發(fā)環(huán)境的IP支援。

　　值得注意的是，瞄準機器手臂馬達控制應用，DSP也開始導入Cortex-M4核心。繼MCU廠大舉採用安謀國際(ARM)Cortex-M4核心后，亞德諾(ADI)與飛思卡爾(Freescale)等晶片業(yè)者，也競相推出基于Cortex-M4核心的DSP解決方案，期利用ARM核心完整生態(tài)系統，加速馬達系統開發(fā)商產品設計即上市時程，大舉搶攻馬達控制應用商機。

　　借力Cortex核心　DSP商搶攻馬達控制商機

　　亞德諾臺灣區(qū)DSP/MCU產品技術經理郭兆桁表示，隨著工業(yè)自動化逐漸往智慧自動化發(fā)展，產線上對于高效能且智慧化運作的機器人需求日益迫切，因此該公司決定採用Cortex-M4核心開發(fā)新的DSP方案，以實現更高精準度的馬達控制，滿足機器人智動化應用。

　　郭兆桁進一步指出，過去馬達控制大多是MCU業(yè)者的天下，然而隨著以Cortex-M4架構開發(fā)的DSP方案問世，DSP將可擺脫高成本及限于高階影像運算應用的框架，跨足高階馬達控制市場，與MCU互爭地盤。

　　郭兆桁提到，選用Cortex-M4架構開發(fā)產品的主要因素，是考量到ARM生態(tài)系統完整性。他解釋，過去DSP廠大多是以自行開發(fā)的核心架構為基礎;然而，若要跨足MCU應用大本營，也就是馬達控制市場，則須選用軟體架構、開發(fā)平臺都較為完整，且元件相容性較高的ARM架構，較易吸引機器人馬達控制系統開發(fā)商的青睞。

　　據了解，亞德諾的混合訊號處理器--ADSP-CM40x，即搭載一顆240MHz Cortex-M4處理器核心，且為業(yè)界首款嵌入雙通道16位元ADC的DSP。郭兆桁強調，亞德諾分別採用65奈米與0.25微米製程生產DSP處理器核心與ADC，使每個元件的效能得以發(fā)揮到極大值，并借力SINC濾波器，使其可直接採用分流電阻式電流檢測系統架構中的隔離式Σ-Δ型調變器，因此可大幅提升馬達控制效率。

　　飛思卡爾(Freescale)微控制器高級系統工程師施長浩進一步指出，事實上，不論嵌入式處理器效能多麼強大，單顆的MCU或DSP方案都已經無法滿足工業(yè)型領域的客戶，目前的趨勢是應用處理器(AP)和MCU協同工作，或是MCU整合DSP的方案，以此提供智慧自動化所需要的運算效能、人機介面應用和各種即時運算。因此飛思卡爾系選擇擴展ARM架構嵌入式處理器產品線，在各平臺全面導入ARM核心，搶攻馬達控制、人機介面、機器視覺等工業(yè)型機器人商機。

　　目前，飛思卡爾開發(fā)的ARM產品線，包含從最低階的Kinetis MCU(基于Cortex-M0+/M4核心)，到鎖定即時運算和人機介面應用的Vybrid處理器(基于Cortex-A5+M4核心)，直到同時整合繪圖處理器(GPU)、影像處理器(IPU)，可替代獨立DSP與加速處理器(APU)，且滿足機器視覺(Machine Vision)運算需求的高階i.MX應用處理器(基于Cortex-A9核心)，可為開發(fā)商提供一站式解決方案。

　　在馬達控制方面，飛思卡爾則推出Kinetis E系列、V系列以及DSC系列產品，全面涵蓋各類馬達控制應用。

　　除了嵌入式處理器廠商之外，FPGA廠也將大啖機器手臂馬達控制商機。FPGA業(yè)者正積極挾高效能、高靈活性與擴展性的產品優(yōu)勢，搶攻機器手臂多軸化引發(fā)的馬達控制商機，助力機器手臂達到完全擬人的效果，并降低生產成本及提高作業(yè)效率。

　　挾高效能優(yōu)勢　FPGA滿足機器手臂多軸化設計

　　賽靈思(Xilinx)亞太區(qū)Zynq業(yè)務開發(fā)經理羅霖表示，因應工廠產線精密化，目前生產線上的機器手臂有朝向多軸化發(fā)展的趨勢，這是為了讓機器手臂能完全替代人類手臂，以執(zhí)行多種精密、複雜的擬人動作，如此一來還可將過去須要透過多道不同運動控制類型的機器手臂產線轉為合併成單一產線，降低生產成本及提高工廠作業(yè)效率。 為了迎合機器手臂的多軸化發(fā)展趨勢，機器手臂內建的馬達數量及軸數都必須增加，當其中一個馬達軸旋轉到特定角度時，與其同處一個連動系統的馬達軸也須旋轉至相應的正確角度，且不同系統之間的搭配協調也至關重要;因此羅霖指出，相較于只能在單一節(jié)點上運作的MCU，FPGA的擴展性及運作效能將更能應付設計日趨複雜的多軸馬達運算需求。

　　羅霖進一步分析，FPGA在同一機器手臂內，針對低、中、高階內部系統皆能提供開發(fā)商一致的擴展性和靈活性;如開發(fā)商可選擇在各個分散式控制的小型節(jié)點中都內建FPGA，也可選擇在大型節(jié)點中置入效能更為強大的FPGA系統單晶片(SoC)，以單一顆FPGA SoC就能完成機器手臂整體的多軸馬達控制。 以馬達控制的核心--電流環(huán)為例，若以低階的DSP來做為馬達控制核心，則系統平均約須200微秒(μs)來啟動電流環(huán)運作;不過若是透過FPGA則僅須耗時約50微秒，可大幅降低馬達反應時間及提高運作速度。羅霖強調，透過FPGA控制可將電流環(huán)的驅動反應時間縮短，加快系統運作速度，此將更有利于多軸馬達的操作。

　　另一方面，目前工控領域各種標準及協定百家爭鳴，且仍持續(xù)汰換升級，因此一般的特定應用積體電路(ASIC)及特定應用標準產品(ASSP)將難以提供系統商靈活的開發(fā)平臺;反之，FPGA則能為系統開發(fā)商提供高彈性、高擴展性的開發(fā)環(huán)境。

　　值得注意的是，近來FPGA元件商積極發(fā)展的FPGA SoC產品，也在工控領域大有斬獲。由于工業(yè)領域具有垂直封閉的特色，各種協定、軟體支援常?；ゲ幌嗳?，此時，單純的硬體整合方案，如FPGA SoC，對于工業(yè)領域的系統開發(fā)商來說反而極具優(yōu)勢。因此，賽靈思也將其打造的All Programmable Zynq-7000 SoC視為進軍工業(yè)智慧自動化領域的重要武器。

　　賽靈思日前更于2014年嵌入式電子與工業(yè)電腦應用展(Embedded World 2014)中，為其FPGA SoC下一代產品線--Zynq UltraScale MPSoC，發(fā)布新一代採用臺積電16奈米鰭式場效電晶體(FinFET)製程的UltraScale多元處理(Multi-Processing, MP)架構。

　　據了解，賽靈思All Programmable MPSoC架構可為處理器提供32到64位元的擴充能力，并可支援虛擬化應用，結合軟硬體引擎進行即時控制和圖像/影像處理、波形與封包處理、新一代的一致性互聯和記憶體、高階電源管理，以及可提供多層防護、安全性和可靠度的加強技術。

　　羅霖補充，具備強大平行運算功能的FPGA，不只能應付多軸機器手臂的需求，亦能實現機器視覺系統高彈性的靈活配置。

　　另一方面，為了不讓FPGA廠商通吃機器視覺應用大餅，DSP廠商亦正設法提高元件的設計彈性。

　　DSP結合PRU　機器視覺系統擴充性大增

　　由于工業(yè)控制環(huán)境須支援多種複雜的通訊協議，因此為了讓機器視覺系統可彈性擴充，以支援不同類型的通訊介面，德州儀器(TI)研發(fā)出可編程即時元件(Programmable Real-time Unit, PRU)整合數位訊號處理器DSP的新方案，藉此建立完善的可編程環(huán)境，提高機器視覺系統的設計靈活性。

　　德州儀器半導體行銷應用協理暨資深科技委員會委員鄭曜庭表示，瞄準機器視覺運算商機，各類嵌入式處理器供應商正積極展開布局;而在各種嵌入式處理器中，又以內建DSP的SoC方案，最適合用來設計機器視覺系統。

　　鄭曜庭進一步分析，以MCU為例，雖然安謀國際Cortex-M4架構已經內建浮點運算單元(FPU)，不過Cortex-M4 MCU仍只能實現低階影像訊號處理，如指紋辨識影像分析，因此并不適用于要求高精準度影像運算的工業(yè)控制領域;而以傳統x86架構開發(fā)而成的工業(yè)電腦(Industrial PC, IPC)平臺，雖然開發(fā)環(huán)境、生態(tài)系統、軟硬體支援等都較為成熟，但x86 IPC對于機器視覺運算系統而言，功耗及成本負擔始終是個疑慮。相較而言，DSP在性能及成本考量上都較為適宜，不論是單顆DSP，抑或是內嵌多核心DSP及中央處理器(CPU)的SoC方案，皆適于用來設計機器視覺的主、次系統。

　　除看重影像訊號分析及處理效能外，嵌入式處理器亦須盡可能支援各種工業(yè)用通訊介面。鄭曜庭指出，智慧型嵌入式系統最主要的構成要件有「3C」，也就是運算(Computing)、連結(Connectivity)和云端(Cloud)，三者缺一不可;而有鑑于工控領域須應付多種工規(guī)等級的複雜通訊協定，如EtherCAT、EtherNet/IP、CC-Link IE、MECHATROLINK、Modbus TCP、PROFINET或是PowerLink等，因此通訊連結的支援更是機器視覺系統的重要開發(fā)挑戰(zhàn)。

　　為了避免因同時支援所有通訊周邊，導致DSP元件尺寸過大、功耗及成本過高，DSP廠商通常會選擇開發(fā)支援不同通訊介面的多種組合方案;不過，如此一來，機器視覺系統的開發(fā)彈性也就相應受限，許多系統開發(fā)商也因而轉用設計彈性較高的FPGA方案。

　　有鑑于此，德州儀器便在DSP SoC中，加入PRU區(qū)塊，用以補足處理器未能提供的通訊輸入/輸出(I/O)接腳。鄭曜庭指出，PRU的高彈性有助于開發(fā)人員在終端產品中整合更多的通訊介面，更重要的是，整合PRU的DSP能提高系統開發(fā)商的設計彈性，讓DSP在通訊介面的支援上得以媲美FPGA方案。

　　據了解，為了應付低階到高階的機器視覺系統設計，德州儀器在整合DSP的SoC產品線上亦多方布局，如在KeyStone系列中，其單一SoC上最多可整合八顆DSP以及二顆PRU，外加四個ARM架構的CPU，用以滿足高階機器視覺運算，并提供高擴展性的編程環(huán)境。

　　鄭曜庭認為，目前在工業(yè)自動化產線上，除了應用較為成熟的機器手臂之外，影像的分析、運算與處理也漸漸成為工廠智慧自動化應用中不可或缺的要素，包括自動光學檢測(Automatic Optical Inspection, AOI)、嵌入式機器視覺等系統皆深具應用潛力，尤其是機器視覺運算未來將可大幅簡化生產線上的工作流程。

　　以印刷電路板(PCB)的表面黏著技術(Surface Mount Technology, SMT)為例，目前採用此技術的生產線，其運作方式大多系藉由機器手臂來取代透過人力進行通孔安裝的傳統方式;亦即，機器手臂可直接將電子零件黏貼在PCB表面，再經由自動光學檢測系統掃描、分析、檢測半成品，最后透過可編程邏輯控制器(PLC)設計的產線分流機制，揀選不合格之產品，藉由上述重重機制把關產線良率;不過，若在產線上加入機器視覺運算功能，將可大幅簡化產線運作流程設計，讓整條產線更加簡單、智慧化。

　　值得注意的是，在智慧自動化應用中，運動控制、機器視覺的整合是未來重要的發(fā)展趨勢，因此機器人需要功能更為全面的強大控制中樞，看準此應用前景，工業(yè)電腦大廠亦正挾其高效能的工控平臺搶攻此波商機。

　　運動控制整合視覺運算成趨勢　IPC大廠爭搶機器人商機

　　凌華科技量測與自動化產品事業(yè)處I/O平臺產品中心協理張晃華表示，雖然目前工業(yè)型機器人的樣態(tài)仍以單純的機器手臂為主，但在高階精密的工業(yè)領域中，機器人將朝向全人形演進，并將同時整合多種感知與控制能力，如機器視覺與運動控制等，以執(zhí)行更多樣且多工的任務。因此，未來機器人製造商在其所設計的機器人上同時開發(fā)機器視覺系統與整合型機器手臂，將是未來主要的發(fā)展趨勢。

　　不過，若要讓機器人同時具備機器視覺與運動控制功能，光靠低階的嵌入式處理器恐難滿足此需求。張晃華進一步解釋，單就機器視覺運算而言，內部的控制平臺須具備高密度的平行運算能力，一般ARM架構嵌入式處理器的運算能力，要應付機器視覺運算系統就已相當吃緊，遑論尚須同時進行機器手臂運動控制，因此機器人開發(fā)商將傾向借重擴充彈性較大的工業(yè)電腦平臺來達到此目標。

　　張晃華提到，x86架構的工業(yè)電腦、嵌入式無風扇電腦與可擴充式無風扇電腦，無論在穩(wěn)定性及效能方面都深受工業(yè)領域的客戶肯定，這些優(yōu)勢對于工作條件嚴苛的環(huán)境(高溫、雜塵多等)來說尤其至關重要;而工業(yè)電腦亦可隨著生產線需求，自由擴充各種運動控制、視覺運算控制卡(Control Card)。

　　看準工業(yè)型機器人應用前景，工業(yè)電腦大廠亦正爭相競逐此商機，如凌華推出的智慧型電腦應用平臺(Application Ready Intelligent Platform, ARIP)，以及研華的「MVP (Motion, Vision, Platform)」平臺即是為此應運而生，期為智動化產線開發(fā)商，提供各種整合運動控制與機器視覺運算的應用。

　　除提供硬體支援之外，工業(yè)電腦大廠亦開始專為智動化產線編寫應用軟體，如凌華為其ARIP平臺添加了中介軟體、應用程式介面(API)等附加資源，力求能最大幅度縮短機器人智動化產線的設計時程。

　　設置完智動化產線之后，仍須有人負責產線及工業(yè)型機器人的操作與控制，因此流暢的人機介面(Human Machine Interface, HMI)已成為工廠智慧自動化系統開發(fā)商的著力重點。有鑑于此，萊迪思(Lattice)近來即將人機介面解決方案視為該公司于工業(yè)應用領域中的重點布局方向，期能在競爭激烈的工控FPGA市場奪得一席之地。

　　瞄準工業(yè)智動化商機　萊迪思強攻人機介面應用

　　萊迪思臺灣區(qū)總經理李泰成表示，在各種自動化設備引進工廠之后，仍須要有作業(yè)員來照顧、監(jiān)視機臺運作，因此人機介面在工廠智慧自動化應用中亦是另一重要課題;而隨著電機電子技術的發(fā)達，工廠內的人機介面正不斷汰舊換新，如何設計出流暢的人機介面應用，更是工業(yè)智動化系統開發(fā)商角力的重點。

　　瞄準人機介面應用商機，萊迪思亦正卯足全力偕同系統商開發(fā)相關解決方案。李泰成提到，不同于其他兩家FPGA大廠--賽靈思及Altera，以28/20奈米FPGA進軍高階工業(yè)控制領域，萊迪思選擇將目標市場放在工控系統人機介面應用，并持續(xù)于40奈米製程中穩(wěn)扎穩(wěn)打。

　　李泰成進一步分析，因應工業(yè)智慧自動化風潮興起，許多業(yè)者推出的自有產品往往會搭配自家的通訊協定，導致控制機臺主控端往往須支援多種通訊介面，才能與不同的系統完成溝通，不同的應用又須擴充各自的輸入/輸出接腳;而相較于MCU或是MPU方案，FPGA與生俱來的可編程優(yōu)勢使其能支援多種工業(yè)通訊協定，也讓FPGA成為用來擴充人機介面通訊周邊的最佳方案。

　　據了解，萊迪思已于2014年德國紐倫堡舉辦的國際嵌入式電子與工業(yè)電腦應用展上展示一系列人機介面解決方案，如人機介面單晶片(HMI on Chip, HOI)，即是完全基于萊迪思FPGA的單晶片人機介面應用參考設計。

　　萊迪思策略行銷與業(yè)務開發(fā)經理Kambiz Khalilian表示，萊迪思HOI方案最大的好處是帶來了可擴展性、高階的圖像處理、快速的反應時間和人機介面設計的方便性;不同于基于MCU的解決方案，萊迪思的人機介面解決方案系基于編輯器(Editor-based)，所以即使沒有程式設計或作業(yè)系統操作專業(yè)經驗的工程師也能輕鬆上手。

　　至于目前工廠智慧自動化人機介面的應用前景，李泰成指出，智慧工廠內的人機介面正從傳統的按鈕操作逐漸汰換為觸控螢幕;他也預計在未來幾年內，觸控操作將成為工業(yè)領域中人機介面應用的主流操控方式。

　　另一方面，除了操作方式的轉變外，智慧工廠內的人機介面系統亦正逐漸邁向與前端系統整合的潮流，如操控機臺與監(jiān)控和資料擷取系統(Supervisory Control and Data Acquisition, SCADA)的整合應用，能讓生產線上的所有動態(tài)資料能即時回傳至資料庫，可應用于生產力分析、故障檢測/診斷，以及生產流程之優(yōu)化;而人機介面系統與生產執(zhí)行系統(MES)或企業(yè)資源管理系統(ERP)的整合，則能讓工廠內的運作與企業(yè)內部資訊流通更為即時、無縫接軌。

　　顯而易見，隨著工業(yè)智慧自動化風潮興盛，亦將帶動工業(yè)型機器人的商機蓬勃發(fā)展，晶片商、系統廠之間的角力大戰(zhàn)亦將全面引爆，無論是機器手臂、機器視覺，抑或是人機介面應用，各個嵌入式處理器、FPGA、IPC廠商皆期盼能順勢搭上工業(yè)型機器人的順風車，在工業(yè)智慧自動化領域奪得一席之地。