白皮書丨工業4.0和IIoT：工業機器人日益崛起

最基礎的工業機器人由操作機和控制器構成。操作機通常被稱為機械臂，可以移動、旋轉和執行動作。控制器驅動並控制操作機（圖2）。

圖2

機器人操作機的各個部分由機械關節連接，每個關節具備一個運動軸。典型操作機具備6個可移動關節，即6個運動軸。

每個軸均由高精度伺服電機或步進電機驅動，僅可在規定範圍內運動。此外，每個軸的運動速度各不相同，數據表通常列出其角速度。運動範圍越大，關節的最大速度越快，所需的運動控制精度也越高。為了加強協調並提高精度，負責跟蹤操作機的傳感器需要記錄更多操作數據。

就可靠性而言，工業機器人必須能夠在發生諸如斷電等多種不同的電源事件後恢復運行。理想情況下，電源事件一經解決，機器人就能從其中斷之處恢復操作，哪怕系統被重啟也不受影響。

要做到這一點，每台電機必須保存關鍵參數和數據狀態，包括機械臂的旋轉角度和位置。同樣地，控制器也必須保存詳盡的控制日誌，記錄每個軸的操作參數，包括其命令位置、編碼器值和有效載荷。

除此之外，控制器必須保存其自有伺服電機日誌，以跟蹤速度、扭矩、電機反饋迴路傳感器輸出（即，電流、位置、速度）和運動角度等。可靠地記錄所有這些數據需要使用某種形式的非易失性存儲器，以便確保斷電不會造成數據丟失。

過去幾十年，一直採用電池供電的SRAM來儲存關鍵數據。然而，這種方法有許多缺點：

• 需要多個元件（電池、電源管理控制器），占用更多PCB空間，並且故障點數量更多。

• 為避免電池受熱，通常在回流焊工藝完成之後再貼裝電池，這增加了製造成本。

• 工業機器人經常受到振動，這可能導致用於將電池固定到位的連接器發生機械故障，從而降低整體可靠性。

• 典型工業機器人使用壽命很長，在此期間需要維護和更換電池。

• 電池不符合RoHS要求，給經營者帶來處置問題。

出於這些原因及其他原因，設備製造商已經轉而使用非易失性存儲器件來取代電池供電的SRAM。表中列出了部分可供設備製造商選用非易失性存儲器技術。

由於耐久性不長，EEPROM不適用於大多數應用。工業機器人全天候工作，並且必須記錄大量實時數據。這些機器人可能連續工作許多年，而EEPROM終將磨損，因此並非可行之選。

閃存的耐久性也短。然而，一般可以通過在主處理器軟體中實現均衡磨損機制，來解決閃存的耐久性問題。當某個存儲塊發生的錯誤超過設定閾值時，均衡磨損算法會將數據轉移到能夠可靠運行的存儲塊。

均衡磨損機制可使磨損均勻地分布於整個閃存，從而有效延長存儲器使用壽命。然而，在整個存儲器內跟蹤和轉移數據的代價是加劇複雜度，這會增加主CPU載荷，並造成寫操作時延。

在將閃存用於數據記錄應用時，最重要的考慮因素或許是它將數據寫入存儲塊。在整個存儲塊準備就緒可以進行寫入之前，必須在緩衝區保存日誌數據。均衡磨損算法可以通過運行軟體來查找大型表，再選擇用於寫入數據的存儲塊。最後，閃存必須先將存儲塊擦除，然後才能寫入。

僅當完成這些任務之後，方可最終寫入日誌數據。在所有這些因素的綜合作用下，從捕獲存儲塊中的第一個數據位，到實際將其存入非易失性存儲器，中間存在相對較長的延遲。

如前所述，數據記錄應用的兩個主要目的是分析性能隨時間而變化的情況和在發生電源事件後恢復操作。對於這兩個功能，可以說最重要的信息就是故障發生之時採集的數據。

當發生電源故障時，將利用這些數據，使工業機器人從其中斷之處恢復操作。在性能分析方面，這些“最後時刻”數據對於理解故障前夕發生的情況以及導致故障的潛在原因至關重要。

當系統出現故障時或發生電源事件時，幾乎沒有時間做出反應。對於閃存和EEPROM，緩衝區中的所有數據都將丟失。但這些卻是最為重要的數據。寫入存儲器所需時間越長，丟失關鍵數據的風險就越大。不妨設想，一台高精度機器人正在對一個昂貴的零件執行操作。如果這台機器人發生電源故障，那麼，系統必須能夠以很高精確度重新回到中斷之處。否則，零件可能報廢。

為了高度可靠地保存操作參數和數據日誌，必須不間斷地捕獲數據並將其存儲到非易失性存儲器中。為此，機器人設計人員紛紛改為使用鐵電隨機存取存儲器（F-RAM）。從表中可以看出，F-RAM具有許多優點，這使它成為用於存儲關鍵操作參數和數據記錄應用的首選。

F-RAM具備10¹⁴個寫入周期耐久性，可為數據記錄應用提供近乎無限的耐久性。此外，它無需進行磨損均衡，因而簡化了存儲器寫入操作並縮短了時延。

F-RAM是一種不需要擦除周期的隨機存取存儲器，這也有利於加快寫入速度。可以立即將數據保存到非易失性存儲器中，不再需要數據緩衝塊。此外，作為隨機存取存儲器，F-RAM避免了分頁存儲器存在的延時問題。數據一經捕獲便立即保存到存儲器中。

開發人員必須決定是在主控制器內集中進行數據記錄，還是在每台電機的邊緣記錄數據。目前，在電機實現數據記錄應用需要最多1MB存儲空間，而控制器數據記錄應用則需要高達16MB存儲空間。

對於像六軸機器人控制器這樣的高速應用，英飛凌最新一代非易失性存儲器Excelon F-RAM可提供高密度存儲器型號，其四SPI接口有助於提高吞吐量。對於數據記錄需求較小的應用，Excelon F-RAM可提供帶串行外圍接口（SPI）的低密度型號。

然而，隨著工業機器人配備的軸和傳感器數量持續增加，數據記錄需求只會不斷增長（圖3）。與此同時，基於人工智慧的性能算法和預測性維護算法需要獲取範圍更廣、粒度更高的參數，因此，必須採集和存儲的數據總量亦隨之增長。

圖3

除數據記錄存儲器之外，工業機器人系統還採用了許多其他存儲技術，包括利用擴展存儲器來保存引導代碼。隨著工業4.0的問世，保護系統不受網絡威脅影響的需求激增。

黑客的主要目標之一是閃存器件，這種存儲器負責保存引導代碼、安全密鑰以及其他對於系統功能正常作用至關重要的關鍵數據。在這方面，英飛凌開發了符合功能安全標準的SEMPER Secure NOR Flash，該產品集成了安全功能，可保護代碼免受黑客攻擊。

由於機器人控制器日益複雜，許多機器人還配備了薄膜電晶體（TFT）顯示屏，以便技術人員除進行遠程控制之外，也可以直接與機器人交互。對於緩衝數據、音頻、圖像和視頻，或者用作便箋存儲器以支持數學和數據密集型運算，HyperRAM非常適於用作工業顯示器的擴展內存。其低引腳數串行HyperBus接口可提供最高800MB/s吞吐量。