誰在重塑工業(yè)機(jī)器人的未來？

無論是在外科手術(shù)還是在制造車間，機(jī)器人都越來越多地成為日常生活和工業(yè)領(lǐng)域的一部分。根據(jù)機(jī)器人行業(yè)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，現(xiàn)在88%的企業(yè)計(jì)劃在其組織中投資增加機(jī)器人技術(shù)，全球約有300萬個工業(yè)機(jī)器人在使用中，另外，每年將有近40萬個新機(jī)器人進(jìn)入市場。

圖源：jcomp/freepik.com

機(jī)器人

無論是在外科手術(shù)還是在制造車間，機(jī)器人都越來越多地成為日常生活和工業(yè)領(lǐng)域的一部分。根據(jù)機(jī)器人行業(yè)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，現(xiàn)在88%的企業(yè)計(jì)劃在其組織中投資增加機(jī)器人技術(shù)，全球約有300萬個工業(yè)機(jī)器人在使用中，另外，每年將有近40萬個新機(jī)器人進(jìn)入市場。

按收入計(jì)算，工業(yè)機(jī)器人行業(yè)的全球市值達(dá)到了438億美元。其中，汽車行業(yè)使用的工業(yè)機(jī)器人是所有行業(yè)中最多的，截至2017年，該行業(yè)共有近90萬個機(jī)器人在使用，2021年，汽車行業(yè)新安裝了約9,782臺機(jī)器人，這個數(shù)量每年還在不斷增加。緊隨汽車行業(yè)之后工業(yè)機(jī)器人使用量較多的是電氣和電子行業(yè)以及塑料和化工行業(yè)。

圖1：機(jī)器人行業(yè)年度市場增長情況

（圖源：Statista）

機(jī)器人的主要類型

市場上大多數(shù)的機(jī)器人都屬于工業(yè)機(jī)器人，這些機(jī)器為人類做各種工作，包括制造汽車、制造零件，甚至進(jìn)行外科手術(shù)。根據(jù)市場調(diào)研公司的數(shù)據(jù)，約87%的公司使用的是傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人，而74%的公司使用的是AGV（自動導(dǎo)引車）。

經(jīng)過幾十年的發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人形成了較多的品類，歸納起來主要有固定機(jī)器人、自主移動機(jī)器人（AMR）、自動導(dǎo)引車（AGV）以及飛行機(jī)器人（無人機(jī)）和水下機(jī)器人等。

固定機(jī)器人（機(jī)械臂）

這是一種發(fā)展最早、應(yīng)用最廣泛的工業(yè)機(jī)器人。一般來說，固定機(jī)器人是專為拾取和放置、分揀、組裝、焊接和精加工等任務(wù)而設(shè)計(jì)的機(jī)械臂。根據(jù)特性和用途劃分，目前市場上有七種主要類型的固定機(jī)器人，包括：鉸接式機(jī)械臂、笛卡爾或矩形機(jī)器人、SCARA機(jī)器人、球形機(jī)器人、德爾塔機(jī)器人、圓柱形機(jī)器人、協(xié)作機(jī)器人等。

下面我們將就這些機(jī)器人的具體特性以及優(yōu)缺點(diǎn)加以區(qū)分。

圖源：jcomp/freepik.com

01 鉸接式機(jī)械臂

對于工業(yè)機(jī)器人來說，復(fù)制人類手臂和手的所有細(xì)微移動方式將過于昂貴和復(fù)雜。目前業(yè)界的共識是，工業(yè)機(jī)器人手臂的6個自由度將足以完成幾乎任何需要的任務(wù)，或者說，一個典型的鉸接式機(jī)械臂有六個軸或關(guān)節(jié)。

根據(jù)應(yīng)用和制造商的不同，這個數(shù)量可能有所不同。當(dāng)然，機(jī)器人的關(guān)節(jié)越多，其運(yùn)動就越平穩(wěn)，也就越不像“機(jī)器人”。

優(yōu)點(diǎn)：動作靈活，能夠舉起重物；

缺點(diǎn)：可能需要用柵欄隔開，速度較慢，比其他機(jī)械臂更貴，需要更復(fù)雜的控制系統(tǒng)。

02 笛卡爾或矩形機(jī)器人

這些機(jī)器人使用笛卡爾坐標(biāo)系（X、Y和Z）沿著三個軸（向前和向后、向上和向下以及左右）進(jìn)行線性運(yùn)動。所有三個關(guān)節(jié)都是平移的，這意味著關(guān)節(jié)的運(yùn)動被限制在一條直線上。

笛卡爾機(jī)器人可用于拾取和放置、材料處理、包裝自動化、存儲和檢索、切割和鉆孔以及更多應(yīng)用。

優(yōu)點(diǎn)：控制系統(tǒng)簡單。根據(jù)型號的不同，可以舉起非常重的物體，且價(jià)格比鉸接式機(jī)械臂便宜。

缺點(diǎn)：不能做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。

03 SCARA機(jī)器人

SCARA機(jī)器人與笛卡爾機(jī)器人相似，它們在3個關(guān)節(jié)或軸上移動。然而，與笛卡爾機(jī)器人相比，SCARA機(jī)器人的兩個關(guān)節(jié)是旋轉(zhuǎn)的。因此，它們能夠進(jìn)行比笛卡爾機(jī)器人更復(fù)雜的運(yùn)動。

優(yōu)點(diǎn)：適用于許多裝配應(yīng)用，快速準(zhǔn)確，裝配操作具有成本效益。SCARA機(jī)器人的工作包絡(luò)是圓柱形的。

缺點(diǎn)：不如鉸接式機(jī)械臂靈活，不如笛卡爾臂精確，沒有德爾塔機(jī)器人手臂那么快。

04 球形機(jī)器人

球形機(jī)器人是一種較老的技術(shù)，創(chuàng)建于20世紀(jì)50年代的第一個工業(yè)機(jī)器人就是一個球形機(jī)器人。有時(shí)可以用鉸接式機(jī)械臂取代。該種機(jī)器人由兩個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和一個線性關(guān)節(jié)組成，可用于注塑、噴漆、電弧焊和點(diǎn)焊。

優(yōu)點(diǎn)：控制系統(tǒng)比鉸接式機(jī)械臂更簡單，可以有很長的工作范圍。

缺點(diǎn)：不如鉸接式機(jī)械臂靈活，通常需要相當(dāng)大的占地面積。

05 德爾塔機(jī)器人

德爾塔機(jī)器人也稱為平行機(jī)器人，有三個平行四邊形的機(jī)械臂，有時(shí)會在手臂末端放置旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，以增加其運(yùn)動的靈活性。該機(jī)器人最初的設(shè)計(jì)目的是讓巧克力制造商能夠拾取巧克力塊并將其放入盒子中。

優(yōu)點(diǎn)：用于拾取和放置操作的機(jī)械臂速度很快，關(guān)節(jié)和手臂非常輕，能實(shí)現(xiàn)高速和精確的操作。

缺點(diǎn)：不能攜帶重型有效載荷，限制了臂端工具（EoAT）的類型及其可以處理的任務(wù)，且不適合在垂直平面中處理任務(wù)。

06 圓柱形機(jī)器人

圓柱形機(jī)器人在底座上至少有一個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和兩個線性關(guān)節(jié)。它通常用于狹小的工作空間，非常適合需要圓形對稱的物體（如電線、管道），如磨削、裝配和點(diǎn)焊等應(yīng)用。

優(yōu)點(diǎn)：精確度高。

缺點(diǎn)：技術(shù)陳舊，運(yùn)動靈活性有限。

07 協(xié)作機(jī)器人（Cobot）

Cobot可在安全的工作環(huán)境中實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，而不需要圍欄或傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用中采取的其他安全措施。

優(yōu)點(diǎn)：能夠安全地與人一起工作，且操作員能夠在不必編寫編程代碼的情況下教機(jī)器人手臂進(jìn)行動作，具體過程是操作員只需抓住機(jī)器人手臂，按照機(jī)器人需要的方式進(jìn)行物理移動，然后，機(jī)器人手臂即可復(fù)制演示的動作。

缺點(diǎn)：力量和速度有限，不適合重型應(yīng)用或非常高速的任務(wù)。

自主移動機(jī)器人（AMR）

自主移動機(jī)器人代表了工業(yè)機(jī)器人市場中一個快速增長的細(xì)分市場，它們有多種形狀和尺寸。手推車或帶輪子的車輛形式的AMR通常用于在工廠或倉庫設(shè)施內(nèi)運(yùn)輸貨物，它們配備了傳感器、車載計(jì)算能力和電動機(jī)，使其能夠在設(shè)施周圍移動并創(chuàng)建設(shè)施的內(nèi)部地圖。一旦創(chuàng)建了內(nèi)部地圖，就可以向AMR指示其需要前往的目的地。

AMR的一個關(guān)鍵特征是，它們可以“自主”地從一個地方移動到另一個地方，同時(shí)避開沿途的障礙，甚至可以規(guī)劃一條全新的路線到達(dá)目的地。隨著計(jì)算機(jī)視覺、人工智能和抓取技術(shù)的進(jìn)步，使得機(jī)器人對機(jī)器人（robot-to-robot）的協(xié)作成為可能。在這種情況下，輪式推車AMR將貨物帶到機(jī)械臂上，關(guān)節(jié)式機(jī)械臂再將貨物放到指定位置。

自動導(dǎo)引車（AGV）

AGV通常采用帶輪子的車輛形式，是一種比AMR更古老的技術(shù)。它們的機(jī)載智能較少，因此不如AMR那樣具有自主性，不具備繪制設(shè)施地圖的能力。相反，它們依賴于為自己制定的道路，路徑由放置在地板上的導(dǎo)引線、特殊膠帶或其他類型的導(dǎo)軌定義。如果AGV在行駛途中遇到障礙，它只能停下來尋求幫助。隨著AGV被賦予了更多的車載計(jì)算能力，AGV和AMR之間的區(qū)別正變得越來越模糊。

壓力傳感器在醫(yī)療電子中的應(yīng)用非常廣泛，可用在輸液泵、血壓計(jì)和睡眠呼吸暫停機(jī)等設(shè)備中。TE的FX29是一種緊湊型壓力傳感器，在具有毫伏、模擬或數(shù)字輸出信號的堅(jiān)固的傳感器系列中展現(xiàn)出了出色的性價(jià)比，并針對嵌入式力傳感應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化，包括一次性醫(yī)療設(shè)備和健身器材。

飛行機(jī)器人（無人機(jī)）

無人機(jī)（UAV）正在越來越多地被用于各種工業(yè)目的。根據(jù)設(shè)計(jì)，工業(yè)無人機(jī)可以是一種自主移動機(jī)器人（AMR），一些型號能自動檢測并避開障礙物，獨(dú)立導(dǎo)航至目的地。現(xiàn)在，一些工業(yè)無人機(jī)被賦予了很多任務(wù)，包括飛越露天采礦作業(yè)或基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目、監(jiān)控建筑項(xiàng)目的進(jìn)展、進(jìn)行倉庫庫存管理等。

水下機(jī)器人

用于水下的機(jī)器人種類繁多，一些水下機(jī)器人被設(shè)計(jì)成自主的（自動水下航行器AUV），一些則被設(shè)計(jì)成有線或無線遠(yuǎn)程控制。水下機(jī)器人可用于海洋石油平臺、管道的檢查和科學(xué)研究，其他應(yīng)用包括使用水下機(jī)器人檢查橋梁底部、水電大壩進(jìn)水口和珊瑚礁等。

工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)有多大？

人類的工作會被工業(yè)機(jī)器人取代嗎？目前來看，只有那些重復(fù)性工作將逐漸被機(jī)器人所取代，而高智商、需要創(chuàng)造力的工作則很難被機(jī)器人代替。在快餐店做薯?xiàng)l、焊接、駕駛火車和回答基本的客戶服務(wù)問題這些重復(fù)性工作對機(jī)器人來說相對容易接管。

據(jù)估計(jì)，到2025年，機(jī)器人將取代目前由人類占據(jù)的8,500萬個工作崗位。由于機(jī)器人通常能勝任入門級職位所需的基本任務(wù)，這一變化也將為人類開辟更多高級管理崗位。

最近幾年，機(jī)器人行業(yè)正以相對較快的速度增長，全球約有300萬臺工業(yè)機(jī)器人在使用中。另據(jù)Statista的數(shù)據(jù)，到2024年，全球工業(yè)機(jī)器人出貨量預(yù)計(jì)將達(dá)到51.8萬臺，高于2020年的39.4萬臺。

根據(jù)2020年11月Reportlinker的一份報(bào)告，工業(yè)機(jī)器人在制造業(yè)和工業(yè)設(shè)施中的使用迅速擴(kuò)大，是最大的機(jī)器人細(xì)分市場。預(yù)計(jì)到2025年將從2020年的766億美元增長到1,768億美元，復(fù)合年增長率為18.2%。這一增長主要是由制造商推動的。

工業(yè)機(jī)器人中的電機(jī)驅(qū)動與控制

機(jī)器人是一個多元化的行業(yè)，運(yùn)動是機(jī)器人功能的一部分，電機(jī)可將機(jī)器人的運(yùn)動勢能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。一些機(jī)器人的部件與人類相似，例如：手臂、手腕、手等。使用的主要運(yùn)動形式包括：手臂的垂直、徑向和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動；手腕的俯仰、滾轉(zhuǎn)和偏航；從一個地方移動到另一個地方的運(yùn)動能力。

機(jī)器人的每個動作以及可移動部分都需要某種類型的電機(jī)支持。所使用的電機(jī)類型從注重轉(zhuǎn)矩的交流電機(jī)到需要更多角度控制的步進(jìn)電機(jī)。在兩者之間，可選擇有刷直流電機(jī)，這種電機(jī)具有成本效益且簡單，但效率低且易磨損。

目前優(yōu)秀的替代方案是采用無刷直流（BLDC）電機(jī)，它的效率更高，與使用機(jī)械開關(guān)的有刷電機(jī)相比，BLDC電機(jī)沒有機(jī)械開關(guān)，而是使用帶刷的旋轉(zhuǎn)電樞進(jìn)行電氣連接。運(yùn)動部件的減少使BLDC電機(jī)的使用壽命更長，僅受滾珠軸承磨損的限制。因?yàn)闆]有電刷，BLDC電機(jī)還表現(xiàn)出優(yōu)異的耐用性和低噪聲特性。德國航空航天中心的David機(jī)器人就擁有76個BLDC電機(jī)和165個位置傳感器，它的工作速度和能力幾乎與人類相當(dāng)。

電機(jī)控制是一個非?；钴S的研究領(lǐng)域，所有領(lǐng)先的半導(dǎo)體供應(yīng)商都在不斷開發(fā)新的產(chǎn)品以提供更高效的電機(jī)控制。

1? ST STEVAL-SPIN3201

STMicroelectronics的STSPIN32F0無刷直流控制器是一款系統(tǒng)級封裝器件，提供了適用于不同驅(qū)動模式的三相BLDC電機(jī)驅(qū)動方案。器件有三個半橋式柵極驅(qū)動，電流容量為600mA，能夠驅(qū)動功率MOSFET或IGBT。由于集成的互鎖功能，不能同時(shí)打開同一半橋的高、低側(cè)開關(guān)。

此外，器件內(nèi)部的3.3V DC/DC降壓轉(zhuǎn)換器可為MCU和外部元件供電，而其內(nèi)部的LDO線性穩(wěn)壓器則可為柵極驅(qū)動器供電。集成的MCU（STM32F031C6）能夠?qū)崿F(xiàn)電機(jī)磁場矢量控制（FOC）、6步無傳感器等其它先進(jìn)的驅(qū)動算法，包括速度控制環(huán)等。同時(shí)，STSPIN32F0器件具有的過溫和欠壓鎖定保護(hù)功能，可將器件置于待機(jī)模式，以減少功耗。

STEVAL-SPIN3201是一款基于STSPIN32F0和STD140N6F7 MOSFET的三相BLDC電機(jī)驅(qū)動板，為低壓電機(jī)驅(qū)動應(yīng)用提供了一種經(jīng)濟(jì)簡易的解決方案。

圖2：STEVAL-SPIN3201三相BLDC電機(jī)驅(qū)動板

（圖源：STMicroelectronics）

BLDC提供了高效率，在許多應(yīng)用中使用了出色的扭矩和速度值。扭矩代表電機(jī)的旋轉(zhuǎn)力大小，BLDC的主要設(shè)計(jì)宗旨是優(yōu)化轉(zhuǎn)矩。速度和扭矩由瞬態(tài)的開/關(guān)持續(xù)時(shí)間比控制。通常，采用用于驅(qū)動繞組的PWM信號的形式。單相、兩相和三相電機(jī)的使用使這種情況更加復(fù)雜。尤其是當(dāng)控制器在低電流信號下工作時(shí)，電機(jī)需要高電流量。因此，電機(jī)驅(qū)動器要能夠獲取低電流控制信號，然后將其轉(zhuǎn)換為可以驅(qū)動電機(jī)的高電流信號。

2? TI DRV8313

Texas Instruments的DRV8313是一款最大電壓為65V的3A峰值三相電機(jī)驅(qū)動器，提供三個可獨(dú)立控制的半H橋驅(qū)動器。雖然也可被用于驅(qū)動螺線管或其它負(fù)載，但它主要用于驅(qū)動一個三相BLDC電機(jī)。每個輸出的驅(qū)動通道包含采用半H橋配置的功率N-MOSFET。這個設(shè)計(jì)將每個驅(qū)動器的接地端子接至引腳，以在每個輸出上執(zhí)行電流感測。此外，該器件還具備過流保護(hù)、短路保護(hù)、欠壓閉鎖和過溫保護(hù)的內(nèi)部關(guān)斷功能。

圖3：DRV8313評估版為在梯形換向中運(yùn)行三相BLDC電機(jī)提供了一種經(jīng)濟(jì)高效的無傳感器解決方案（圖源：Mouser）

電機(jī)驅(qū)動器的目標(biāo)是確保正確的電機(jī)控制，以便在應(yīng)用中相應(yīng)地控制電機(jī)的速度和方向。微控制器（MCU）非常適合用于開發(fā)直流（和交流）電機(jī)高效控制回路所需的計(jì)算功能。

3? Renesas RL78/G14

現(xiàn)在，許多半導(dǎo)體供應(yīng)商開始大量提供以BLDC電機(jī)控制為目標(biāo)的MCU，例如，Renesas Electronics的RL78/G14系列微控制器(MCU)就是一款多功能通用微控制器，適合用于電機(jī)控制、工業(yè)和計(jì)量應(yīng)用，在低功耗電流和高計(jì)算性能之間實(shí)現(xiàn)了平衡。RL78/G14 MCU的內(nèi)置多功能定時(shí)器通過三相互補(bǔ)PWM輸出支持三相電機(jī)控制。此外，RL78/G14系列還集成了片上振蕩器、數(shù)據(jù)閃存、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)模轉(zhuǎn)換器以及比較器等電路。

圖4：RL78/G14系列微控制器

（圖源：Renesas Electronics）

人工智能與工業(yè)機(jī)器人

人工智能可能會給工業(yè)機(jī)器人帶來更強(qiáng)的自主性，使它們能夠在零人工輸入的情況下自我糾正、學(xué)習(xí)和改進(jìn)，從而提升機(jī)器人在行業(yè)中的價(jià)值。遺憾的是，截至2021年，我們在行業(yè)中還無法看到真正的人工智能機(jī)器人。不過，Market research Future（MRFR）的一份綜合研究報(bào)告《人工智能機(jī)器人市場按產(chǎn)品、類型、技術(shù)和應(yīng)用——2030年預(yù)測》則給出了樂觀的估計(jì)，報(bào)告預(yù)計(jì)人工智能機(jī)器人市場將在2022年至2030年期間以約22.30%的復(fù)合年增長率快速增長，到2030年底估值將達(dá)到約445億美元。

人工智能和其他技術(shù)進(jìn)步將增強(qiáng)人與機(jī)器人的互動，在涉及機(jī)器智能、連接和控制的技術(shù)方面迅速取得突破將擴(kuò)大機(jī)器人的能力和范圍，同時(shí)簡化人機(jī)交互。在最有前途的創(chuàng)新中，人工智能將使機(jī)器人能夠處理無人監(jiān)督的意外情況。同時(shí)，群體智能將增加移動機(jī)器人在位置上共享和更改任務(wù)的靈活性。成像系統(tǒng)將增強(qiáng)機(jī)器人的自主檢查、分析和移動能力。機(jī)器人技術(shù)具有巨大的上行潛力，人工智能機(jī)器人的能力會更加令人驚嘆。