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試想這樣一個(gè)世界：經(jīng)濟(jì)實(shí)惠且可持續(xù)的住宅不再是遙不可及的夢(mèng)想，而是觸手可及的現(xiàn)實(shí)。而實(shí)現(xiàn)這一愿景卻面臨著兩大障礙：其一是建筑成本飛漲，其二是熟練勞動(dòng)力的嚴(yán)重短缺。加拿大初創(chuàng)企業(yè) Promise Robotics 應(yīng)運(yùn)而生，正如他們所說(shuō)，他們正在重塑預(yù)制：借助倍福先進(jìn)的自動(dòng)化技術(shù)與人工智能（AI）控制的機(jī)器人解決方案，實(shí)現(xiàn)高效預(yù)制，現(xiàn)場(chǎng)組裝效率最高可提升 70%。

總部位于阿爾伯塔省埃德蒙頓的 Promise Robotics 公司正在為建筑業(yè)帶來(lái)最智能、最靈活、最緊湊的工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)。該工業(yè)解決方案由基于云的專有軟件平臺(tái)提供支持，該平臺(tái)管理從規(guī)劃到工廠車間運(yùn)營(yíng)、調(diào)度和物流的整個(gè)生產(chǎn)生命周期。該平臺(tái)引入了住宅建筑工廠即服務(wù)的創(chuàng)新理念，與傳統(tǒng)方法相比，住宅建筑商有望將房屋的現(xiàn)場(chǎng)裝配時(shí)間大幅縮短 70%。例如，一棟單戶住宅可以在大約五個(gè)小時(shí)內(nèi)裝配完，一棟 64 個(gè)單元的三層公寓樓可以在兩周內(nèi)裝配完。

“自動(dòng)化在建筑行業(yè)尚未普及，該行業(yè)仍屬于勞動(dòng)密集型產(chǎn)業(yè)。”Promise Robotics 公司聯(lián)合創(chuàng)始人兼 CEO Ramtin Attar 表示，“我們的目標(biāo)是構(gòu)建基礎(chǔ)技術(shù)，即一套具有可觀投資回報(bào)、且無(wú)市場(chǎng)應(yīng)用壁壘的自動(dòng)化系統(tǒng)。”

01  住宅建筑機(jī)器人帶來(lái)的技術(shù)挑戰(zhàn)

開(kāi)發(fā) Promise Robotics 創(chuàng)新建筑系統(tǒng)帶來(lái)了獨(dú)特的技術(shù)挑戰(zhàn)。主要的障礙是需要一個(gè)強(qiáng)大、高性能的控制系統(tǒng)。具體來(lái)說(shuō)，實(shí)時(shí)處理對(duì)于精確的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)和反饋控制至關(guān)重要。

我們學(xué)到的重要經(jīng)驗(yàn)之一是如何使用感知技術(shù)處理生產(chǎn)過(guò)程中可能發(fā)生的材料變化。必須向機(jī)器人提供反饋，并適應(yīng)可能破壞流程的獨(dú)特場(chǎng)景。這是一個(gè)持續(xù)優(yōu)化的學(xué)習(xí)曲線 — 我們通過(guò)測(cè)試和構(gòu)建不同的結(jié)構(gòu)、形狀并處理意外情況來(lái)提升我們的系統(tǒng)性能。”

—— Promise Robotics 軟件總監(jiān)

Farid Mobasser

另一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)是確保系統(tǒng)設(shè)計(jì)的緊湊性和集成度。在空間有限的動(dòng)態(tài)施工環(huán)境中，最大限度地減少布線及復(fù)雜性對(duì)實(shí)現(xiàn)快速部署至關(guān)重要。

02  基于 EtherCAT 和 PC 的控制技術(shù)助力奠定堅(jiān)實(shí)的自動(dòng)化基礎(chǔ)

為了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，Promise Robotics 采用了倍福的多款核心產(chǎn)品，包括 TwinCAT 3 自動(dòng)化軟件、用于實(shí)現(xiàn)控制器間數(shù)據(jù)傳輸?shù)?EtherCAT 系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)器和 I/O 組件。TwinCAT 為所有自動(dòng)化功能提供了一個(gè)端到端的開(kāi)發(fā)和 Runtime 平臺(tái)，從設(shè)備控制邏輯、運(yùn)動(dòng)控制到安全功能和 HMI。TwinCAT 開(kāi)發(fā)環(huán)境使 Promise 公司的工程師能夠利用各種編程語(yǔ)言，包括結(jié)構(gòu)化文本、梯形邏輯和 C++ 來(lái)快速構(gòu)建穩(wěn)健的應(yīng)用程序。

EtherCAT 能以最小的延遲處理實(shí)時(shí)通信，這是精確控制機(jī)器人的關(guān)鍵要求。該高性能現(xiàn)場(chǎng)總線無(wú)縫集成運(yùn)動(dòng)控制、安全功能及其它設(shè)備組件，確保實(shí)現(xiàn)高數(shù)據(jù)傳輸速率，使復(fù)雜的建造系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)環(huán)境中平穩(wěn)運(yùn)行。“EtherCAT 的靈活性和可擴(kuò)展性是我們技術(shù)選型時(shí)的關(guān)鍵決策要素。它是目前速度最快的工業(yè)以太網(wǎng)通信協(xié)議，配合倍福提供的完整硬件產(chǎn)品，從 CX2043 嵌入式控制器到各類 I/O 組件，乃至包含電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器、電纜在內(nèi)的全套驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品，構(gòu)成了完整的解決方案。”Promise Robotics 硬件總監(jiān) Darren Brix 指出，“這套交鑰匙解決方案顯著優(yōu)化了工藝流程和系統(tǒng)設(shè)計(jì)。EtherCAT 能夠簡(jiǎn)單高效地構(gòu)建出高度協(xié)調(diào)、標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的工業(yè)級(jí)解決方案。”

倍福 CX2043 嵌入式控制器搭載主頻為 3.35 GHz 的四核 AMD Ryzen? 處理器，是控制系統(tǒng)的核心，可以無(wú)縫集成所有倍福 I/O 組件。它可與 TwinCAT 自動(dòng)化軟件配合使用，成為高性能 PLC 和運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，同時(shí)支持 32 位和 64 位模式，提供高精度、確定性控制所需的短周期時(shí)間，以應(yīng)對(duì)這一高動(dòng)態(tài)環(huán)境中的挑戰(zhàn)。CP3924 多點(diǎn)觸控控制面板采用 CP-Link 4 單電纜技術(shù)與工業(yè) PC 連接，作為操作人員控制機(jī)器人系統(tǒng)的主界面。

03  分布式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)控制

倍福的 AMI8122 驅(qū)控一體伺服電機(jī)用于實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械臂和執(zhí)行器的精準(zhǔn)控制，它將伺服電機(jī)、輸出段和現(xiàn)場(chǎng)總線接口結(jié)合于一體，外觀小巧，節(jié)省安裝空間。Promise Robotics 利用這款驅(qū)控一體伺服電機(jī)，構(gòu)建了一個(gè)與庫(kù)卡機(jī)器人配對(duì)的定制末端執(zhí)行器，以滿足不同結(jié)構(gòu)、形狀和尺寸建筑構(gòu)件的高精度定位需求。作為倍福分布式驅(qū)動(dòng)解決方案的核心組件，AMI8122 將驅(qū)動(dòng)技術(shù)從控制柜中“解放”出來(lái)，直接部署在設(shè)備上。這種設(shè)計(jì)顯著縮小了控制柜體積，減少了設(shè)備整體占地面積并縮短了電纜長(zhǎng)度，使其成為動(dòng)態(tài)建筑環(huán)境的理想選擇。

高速 EtherCAT 通信協(xié)議與 TwinCAT 3 Drive Manager 2 進(jìn)一步簡(jiǎn)化了實(shí)際施工場(chǎng)景中的系統(tǒng)實(shí)施和調(diào)試流程。由于安全至關(guān)重要，TwinSAFE 端子模塊 EL6900 為所有設(shè)備的安全運(yùn)行提供保障。這款系統(tǒng)系統(tǒng)集成的 EtherCAT 端子模塊搭載 TwinSAFE 邏輯，能夠處理基于布爾值的安全應(yīng)用：通過(guò)功能塊處理安全輸入信號(hào)并生成安全輸出信號(hào)。此外，它支持連接多達(dá) 128 個(gè)安全設(shè)備，并具備備份和恢復(fù)功能，以便快速更換控制器，從而全面提升解決方案的可靠性與安全性。

未來(lái)藍(lán)圖

通過(guò)將倍福自動(dòng)化技術(shù)確立為標(biāo)準(zhǔn)化控制系統(tǒng)，并依托靈活、開(kāi)放的 EtherCAT 現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)，Promise Robotics 顯著加快了研發(fā)周期并縮短了調(diào)試時(shí)間。這種標(biāo)準(zhǔn)化簡(jiǎn)化了維護(hù)工作，確保所有設(shè)備的一致運(yùn)行，并允許無(wú)縫集成新的創(chuàng)新技術(shù)，從而減少停機(jī)時(shí)間并提升生產(chǎn)效率。“目前，我們專注于木質(zhì)框架結(jié)構(gòu)，這約占美國(guó)和加拿大住宅建筑的 80%。但從根本上講，我們正在構(gòu)建一個(gè)面向機(jī)器人裝配任務(wù)的超大規(guī)模 AI 知識(shí)庫(kù)，其最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)建筑裝配全領(lǐng)域的智能化升級(jí)。”Ramtin Attar 在闡述行業(yè)變革所面臨的挑戰(zhàn)時(shí)說(shuō)道，“自動(dòng)化技術(shù)未能在這個(gè)規(guī)模達(dá)數(shù)萬(wàn)億美元的產(chǎn)業(yè)中普及有其深層原因：雖然已經(jīng)有一些成功的定制案例，但可擴(kuò)展性和快速部署能力一直相當(dāng)有限。我們的目標(biāo)是在非定制工廠中非常快速地部署這些系統(tǒng)，在那里客戶可以接管倉(cāng)庫(kù)，開(kāi)燈，并開(kāi)始實(shí)現(xiàn)投資回報(bào)。”