无论是德国率先提出的“工业4.0”概念，美国推行的“先进制造伙伴关系”计划，还是日本正在实施的“智慧制造系统”和中国工信部通过的“中国制造2025规划”，这些都指向同一个目标，那就是希望通过先进的IT与自动化技术来促进制造业的革新，以实现“智能化”，提升效率，降低成本。而要实现这个目标工业机器人是不可或缺的一环。

以前，工业机器人应用最为广泛的是汽车制造业；现在，工业机器人制造企业正努力向其他领域拓展。工业机器人制造企业也如雨后春笋般不断涌现，据统计仅去年中国国内差不多增加了200多加工业机器人制造厂商。对于工业机器人的市场前景，业界都是一致看好，普遍认为未来5~10年将会迎来工业机器人的一个爆发期。不过，要想在这一波浪潮中得益的话也并不容易。因为工业机器人涉及的系统相当复杂，仅核心零部件就包括了机械系统、控制器、伺服器和减速器等等。本刊就工业机器人的关键技术问题采访了一些半导体厂商，详细介绍了工业机器人当中的一些电子核心零部件。

控制器平台之争

在Altera公司亚太区工业业务部市场开发首席经理江允贵看来，有三个趋势在推动着工业自动化市场的蓬勃发展。

一是，提升能源效率，降低能源成本；

二是提升生产效率，这包括功能安全、生产线的稳定安全、保护操作人员的安全、以及机器损坏的降低和更长的生命周期和可靠度；

三是所谓的智能工厂。而只有前面两个因素达到后，才有可能实现智能工厂。他认为工业机器人是自动化里的很关键一部分。

江允贵拿智能工厂举例，他说现在一个典型的的智能工厂，从企业到工厂，以及工厂内如都是以工业以太网相连接的，他认为用工业以太网取代传统的以太网，主要是因为工业以太网的实时性更好。工业以太网可以连接主站和从站，连接主站中的PLC、PAC/运动控制器和HMI，和从站中的伺服器、I/O模块等等。

他进一步指出，其实工业机器人就是由这些关键零组件组合而成。由这些主站和从站可以组合成一个工业机器人，也可以做成一个CNC，CNC也是工厂自动化的一个关键。

虽然工业机器人可以看成是由上面的零组件组合而成，但具体到工业机器人里面的话也会有所不同。工业机器人的主要结构有机器人的控制器和伺服器。目前来说工业机器人有两轴、3轴的、最高也有7轴的。不过常用的是3~6轴的SCARA或Delta机械手臂。

由于中国是生产制造大国，由于缺工，智能手机和汽车制造商的需求，工业机器人市场增长非常迅速。江允贵表示，对于工业机器人的主控平台来说，一般都是以基于PC的X86的工控机为主，特别是在欧美工业机器人市场。一般在这样的X86平台上，FPGA是作为辅助存在的，主要充当加速的功能。在一个X86工控机主控平台上经常会出现多张PCI-E或PCI卡来实现多轴控制功能。不过这样的主控平台一般用于比较高端的工业机器人当中，因为它性能高，成本也高。

还有一种主控平台是用多核心的高端DSP为核心设计的，不过不是很常见的。

另外还有嵌入式主控平台。江允贵表示，目前Altera正在关注这部分的市场。他们希望可以使用单芯片就能实现工业机器人的控制，而不需要昂贵的X86平台再加上FPGA来做机器人的控制。

工业机器人的种类比较多，其最主要的功能有焊接、搬运、摆放、切割和喷漆等等。按照应用场景的不同，机器人的设计要求也会不一样，比如有的需要高速手臂、有的需要慢速、有的需要扭力大、有的需要很高的精密度等等不一而足。

“近期Altera就利用单颗SoC芯片制作出了一个快速、摆放型工业机器人参考设计方案。”江允贵这样对本刊记者表示。该工业机器人的主站控制平台由基于Cyclone V SoC的开发板实现。可以应用在生产线上，包括螺丝的摆放，饮食业中食品(方便面，糖果等)的摆放。对摆放型工业机器人来说，速度和精确度是最重要的参考指标，因为只有这样才能提高生产效率。“为达到高速和高精确度的指标，我们在这个参考设计中采用了目前最受欢迎的EtherCAT工业以太网。EtherCAT属于以太网，但经过我们改良物理层后，可以达到更好的实时性。”江允贵表示。

为了证明这个工业机器人的性能，他通过视频展示了该摆放型工业机器人在下跳棋、巡边和画圆周等运动方式。他认为这三个运动方式可以很明显地看出机器人的效能。

基于Altera Cyclone V SoC的单芯片工业机器人系统架构

目前市场上还比较少见使用单芯片来实现工业机器人的主站控制。从图2中的系统架构图中可以看到，在主芯片的Cyclone V SoC中，双核Cortex A9 ARM有一个核用作运动控制，另一个核用来做EtherCAT主站。双核各自负责自己的功能，运动控制功能主要负责机器人3只手臂的协调工作，算法都放在ARM中。FPGA主要用来做Nios软核功能。通过FPGA中的MAC出去以后，连接了3个伺服驱动器。据江允贵透露，参考设计中的伺服驱动来自台达。每个伺服驱动里面都有一个FPGA用来做EtherCAT接口。目前伺服驱动里的算法还是通过DSP来实现的。