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国产研发单芯片运动控制器问世

2019-08-12 11:11:39  来源:第一财经

这款产品不仅将打破传统工业总线的瓶颈,还将摆脱对英特尔X86处理器、微软Windows操作系统的依赖,真正实现自主可控技术,打破国外品牌长期占据高端市场的格局。

高性能工业机器人作为核心装备,一直被国外品牌垄断,而运动控制器的自主可控一直是国产机器人领域的一大痛点。

日前,由实时侠智能控制技术有限公司(下称“实时侠”)研制的全球首款单芯片多轴驱控一体运动控制器(简称SCIMC)完成了技术验证,即将在8月底举行的上海世界人工智能大会(WAIC)上亮相发布。

这款产品将摆脱对英特尔X86处理器、微软Windows操作系统的依赖,以完全独立开发的运动规划、电机控制、通信、应用软件等IP模块,真正实现自主可控技术,打破国外品牌长期占据运动控制器高端市场的格局。

智能制造的核心技术

凯文·凯利在《失控》一书中写道:“布鲁克斯总结了设计移动式机器人的五条经验,其中就包括传感器和执行器的紧密耦合——要低级反射,不要高级思考。” 强调了感觉与控制的紧密耦合。

作为工业机器人当中的核心技术之一,运动控制器在机器人的执行过程中起到控制机器人运动的关键作用,被称为制造装备的“心脏”和“大脑”,是“智能制造”的基础,也是连接“智能”与“制造”的桥梁。

作为我国亟待攻克的35项核心技术之一,工信部将控制器列为我国需要着力补齐的关键技术短板之一,纳入《工业强基工程实施指南(2016-2020)》“一条龙”应用计划。

机械工程专家谭健荣院士也表示:“机器人引领智能制造,核心控制器是机器人的核心技术之一,是中国最需要突破的领域。”

不过目前运动控制器领域仍由来自德国、日本的巨头占据主要市场,其中包括德国倍福、西门子、库卡,日本的三菱、发那科等,国产技术与国外高端产品差距仍然很大,导致国产机器人稳定性不佳,准确度不高,故障率居高不下。

在这样的背景下,今年上海提出的《上海市智能制造三年行动计划》中,明确提到聚焦智能制造应用端,推进重点行业的智能化升级转型;着力攻克一批“卡脖子”的核心零部件和关键技术装备,并着力培育一批智能制造独角兽、隐形冠军企业;创新推动5G、人工智能和大数据在智能制造中的深度应用,创新长三角智能制造协同发展机制,创新智能制造应用机制、政策的支持重点和支持方式。

实时侠就是一家诞生在上海漕河泾华鑫天地智慧园区的上海本土创业公司。公司创始人、董事长蒋耀对第一财经记者表示:“运动控制器是基础性、共性技术,对智能制造,国家产业竞争力、产业安全有不可替代的作用,这与举国关注芯片自主可控是一样的。中国在装备工业对发达国家的依赖同样非常严重,容易被‘卡住脖子’。”

摆脱工业总线的束缚

随着技术的进步和完善,实时侠敏锐地洞察到了芯片技术的进步以及可能对运动控制领域产生的颠覆性影响,开始尝试利用SOC-FPGA芯片进行运动规划与多轴电机控制的单芯片集中控制,这能够使运行复杂算法的控制器的成本大幅降低。而这些算法对机械的运动学建模和需要以精确的方式移动的电机控制信号是很有必要的。

蒋耀向第一财经记者介绍道,过去借助于工业总线,运动规划和电机控制之间的交互信息变得越来越多,可以支持更加复杂的算法,这使得机器人的速度、精度和稳定性有了很大的提升。但是工业总线的瓶颈也逐渐明显,比如带宽、绝对延迟以及多节点之间的同步性等。这些瓶颈制约了机器人性能的进一步提升,也抑制了业界对于需要更加大量数据交互才能完成的控制策略的想象空间。

如何摆脱对工业总线的束缚,同时不再依赖于英特尔X86控制器和微软的Windows操作系统?早在2015年蒋耀就开始思考这个问题,并着手组建团队自主研发技术可控的运动控制器。

历时四年研发,投入上亿资金,实时侠团队通过不断的技术验证打造出这款全球首款单芯片多轴驱控一体运动控制器,并开发了一款桌面型的六轴工业机器人Ritimeman P7A对其进行性能的测试,对标德国库卡KR6机器人。根据今年7月国家认证机构发布的性能检测报告,P7A的技术指标已经全面赶超了库卡KR6。

与达到同等性能的工业机器人相比,实时侠的运动控制器具有体积小、重量轻、功耗低等特点,并能够广泛应用于电动汽车轮毂电机、无人机、多轴加工中心、外骨骼动力装甲和柔性手抓等领域。

在国际上,运动控制器的应用场景已经开始拓宽边界。

早在2016年,由苏黎世联邦理工学院组织的一个比赛中,冰岛主动修复技术制造商ssur开发的第一个用于批量生产的、具有电动膝盖和踝关节的假肢正式亮相,该先进假肢为嵌入式运动控制器如何加速创新机电产品的开发提供了一个真实案例。未来,运动控制器在包括消费、工业、物联网、医疗、办公等更加广泛的领域将开拓应用市场。

不过需要指出的是,尽管运动控制器需求增长迅速,但即便到明年,整体市场规模仍不到10亿元。相比之下,中国的自动化及工业控制市场规模已经接近2000亿。根据工信部的规划,到2020年,将我国智能制造装备产业培育成为具有国际竞争力的先导产业,建立完善的智能制造装备产业体系产业销售将超过3万亿元。

不过国内的工业控制市场中,国外品牌企业仍占据高端市场,国内企业定位于中低端市场。对此,实时侠总经理贺岩对第一财经记者表示,实时侠即将发布的这款运动控制器瞄准的是国内的中高端市场,但是性价比远高于国外的竞争对手,如果大规模量产,价格可以达到国际同类产品的一半。

帮助人工智能落地

更大的市场需求来自于未来的服务机器人领域。

近日,加州大学伯克利分校研发出一款新型机器人Blue,可以完成洗碗、叠衣服、收拾房间等动作。相比工业机器人所能达到的精度,Blue的工作要简单很多。

伯克利大学的机械工程师David Gealy表示:“虽然这些机器人反应很好,但是目前最大的问题是,如果使用工业机器人,我们必须为它添加传感器和反馈控制器,这样就会大大地增加成本。”

据介绍,Blue机器人手臂材料成本就要3000美元,但一旦大规模量产后,其售价可以控制在5000美元,可以完成比较简单的任务。“这款机器人的设计理念是,未来机器人将被使用视觉反馈和力反馈的人工智能系统,实现更加智能的控制,就像人类控制自己的手臂一样。”蒋耀对第一财经记者表示,“这也是我们未来的服务机器人努力的方向。”

贺岩告诉第一财经记者,实时侠基于现有的控制系统开发基础视觉功能和力觉功能,并且提出了全新的单芯片“驱、控、感”一体的运动控制器,进一步融合感觉与控制,使机器人更加聪明、反应更快。

“大脑是做决策的,小脑是做执行的。我们希望通过这一‘驱、控、感’一体的运动控制器来实现类似于人类小脑的功能,帮助人工智能更好地落地。”实时侠副总经理唐文彬博士对第一财经记者表示。

责编:胡军华

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