協(xié)作機(jī)器人：工廠自動(dòng)化的“新寵”

隨著工業(yè)4.0時(shí)代的到來(lái)，工廠自動(dòng)化已成為制造業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵。自動(dòng)化驅(qū)動(dòng)生產(chǎn)力，生產(chǎn)力則推動(dòng)盈利。幾十年來(lái)，機(jī)器人一直是制造工廠自動(dòng)化的重要組成部分。傳統(tǒng)的工業(yè)機(jī)器人以其高效率和精確性在制造業(yè)中占據(jù)了主導(dǎo)地位。然而，隨著智能化和柔性制造的需求日益增長(zhǎng)，傳統(tǒng)機(jī)器人的局限性逐漸顯現(xiàn)。

近年來(lái)出現(xiàn)了一種新趨勢(shì)——協(xié)作機(jī)器人，又稱“協(xié)作型機(jī)器人”或“Cobots”，正迅速成為工廠自動(dòng)化的新寵。與傳統(tǒng)的工業(yè)機(jī)器人不同，協(xié)作機(jī)器人強(qiáng)調(diào)與人類工人的互動(dòng)與協(xié)同，它們是工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的一股清新之風(fēng)，代表了自動(dòng)化技術(shù)的一個(gè)新方向。

協(xié)作機(jī)器人：打破傳統(tǒng)，共創(chuàng)未來(lái)工廠

協(xié)作機(jī)器人自2000年代初開(kāi)始受到認(rèn)可。協(xié)作機(jī)器人的最大特點(diǎn)是其與人類工人的協(xié)同工作能力。它們?cè)O(shè)計(jì)用于直接與人類共享工作空間，而無(wú)需傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人那樣的安全柵欄或隔離措施。在很多現(xiàn)代化工廠中，協(xié)作機(jī)器人不再是單純的機(jī)械替代，而是成為人類工作者的“同事”。它們可以在需要高度靈活性和創(chuàng)造力的場(chǎng)合中輔助人類，使生產(chǎn)過(guò)程更加高效和個(gè)性化。

過(guò)去10年間，協(xié)作機(jī)器人經(jīng)歷了顯著的增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)這一趨勢(shì)將持續(xù)下去。據(jù)分析機(jī)構(gòu)Grand View Research預(yù)測(cè)，從2023年到2030年，這項(xiàng)技術(shù)的復(fù)合年增長(zhǎng)率（CAGR）將達(dá)到32%，全球市場(chǎng)規(guī)模將從當(dāng)年的15.8億美元增長(zhǎng)到2030年的110.4億美元。

具體到中國(guó)市場(chǎng)也是一樣，在技術(shù)進(jìn)步的帶動(dòng)、市場(chǎng)需求的牽引以及國(guó)家利好政策的支持等因素的共同推動(dòng)下，協(xié)作機(jī)器人產(chǎn)業(yè)穩(wěn)步發(fā)展，市場(chǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大。據(jù)高工機(jī)器人產(chǎn)業(yè)研究所（GGII）預(yù)測(cè)，未來(lái)協(xié)作機(jī)器人行業(yè)將進(jìn)入平穩(wěn)增長(zhǎng)期，預(yù)計(jì)至2026年，中國(guó)協(xié)作機(jī)器人的年銷量將接近10萬(wàn)臺(tái)，市場(chǎng)規(guī)模將超過(guò)60億元人民幣。尤其是在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，協(xié)作機(jī)器人扮演著非常重要的角色，將成為制造業(yè)向智能化、自動(dòng)化轉(zhuǎn)型升級(jí)的重要推手，有著廣闊的應(yīng)用前景。

利用協(xié)作機(jī)器人承擔(dān)高精度、高度重復(fù)和復(fù)雜的任務(wù)，以提高工廠效率，降低生產(chǎn)成本，是打造自動(dòng)化智能制造工廠的重要一環(huán)。舉例來(lái)講，早在數(shù)年前推出的ABB YuMi 14軸雙臂協(xié)作機(jī)器人，改變了機(jī)器人和自動(dòng)化世界。它專為小部件裝配等需要高精度和靈活性的精細(xì)操作而設(shè)計(jì)。YuMi的雙臂可以共同或獨(dú)立工作，使其能夠執(zhí)行通常需要多個(gè)機(jī)器人或人類操作員的復(fù)雜任務(wù)。

ABB YuMi

考慮到協(xié)作機(jī)器人對(duì)高精度和靈活性的追求，在設(shè)計(jì)時(shí)需要采用多軸電機(jī)控制。為此，安富利的行業(yè)合作伙伴意法半導(dǎo)體開(kāi)發(fā)了，由基于Cortex^?-M7內(nèi)核的STM32F767ZI微控制器、STDRIVE101柵極驅(qū)動(dòng)器和STH270N8F7-2功率MOSFET組成的STEVAL-ETH001V1套件，可以幫助開(kāi)發(fā)者開(kāi)發(fā)面向協(xié)作機(jī)器人的多軸PMSM位置伺服驅(qū)動(dòng)應(yīng)用。STEVAL-ETH001V1能夠提供最大700 W的輸出功率，同時(shí)支持Ethercat實(shí)時(shí)通信協(xié)議和正交編碼器接口。

尤其值得關(guān)注的是，安富利還與意法半導(dǎo)體針對(duì)馬達(dá)控制應(yīng)用，建立了聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，為客戶的設(shè)計(jì)及產(chǎn)品化提供支持及完整解決方案。

STEVAL-ETH001V1套件

協(xié)作機(jī)器人的主要優(yōu)勢(shì)在于它們能夠執(zhí)行重復(fù)性高、危險(xiǎn)或?qū)θ祟惒挥押玫娜蝿?wù)，同時(shí)也能在更加復(fù)雜和精細(xì)的操作中發(fā)揮作用。在許多行業(yè)中，例如汽車、電子、食品和藥品制造，協(xié)作機(jī)器人已經(jīng)開(kāi)始承擔(dān)起組裝、包裝、檢查和搬運(yùn)等多種任務(wù)。它們的多功能性和易于部署的特性，使得企業(yè)能夠更快地響應(yīng)市場(chǎng)變化和客戶需求。這種人機(jī)共處的工作方式不僅提高了工作效率，還增強(qiáng)了工作環(huán)境的靈活性。工人可以在需要時(shí)親自介入操作，實(shí)現(xiàn)更細(xì)致的控制和更高效的工作流程。

此外，實(shí)時(shí)性控制是保障協(xié)作機(jī)器人安全操作的前提，也是多機(jī)合作的基礎(chǔ)。TSN （Time-Sensitive Network，TSN）的引入為協(xié)作機(jī)器人技術(shù)等領(lǐng)域的實(shí)時(shí)應(yīng)用帶來(lái)了巨大的潛力和機(jī)會(huì)。例如， TSN可以實(shí)現(xiàn)對(duì)協(xié)作機(jī)器人的實(shí)時(shí)控制和協(xié)同操作，提高生產(chǎn)效率和安全性；與此同時(shí)，TSN還可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人之間的實(shí)時(shí)協(xié)作和協(xié)調(diào)，提高機(jī)器人系統(tǒng)的靈活性和響應(yīng)能力。

在這方面，安富利的行業(yè)合作伙伴之一恩智浦提供的解決方案組合，可為推進(jìn)自動(dòng)化的安全網(wǎng)絡(luò)設(shè)備提供基礎(chǔ)器件，包括功能豐富的微控制器（例如i.MX RT1180）、帶有集成安全和離散安全元件的處理器（例如LS1028A）、軟件堆棧和開(kāi)發(fā)板（例如LS1028ARDB）。恩智浦的解決方案組合支持廣泛的工業(yè)協(xié)議，如EtherCAT、Profinet、Ethernet/IP或CC Link IE，以及較新的TSN和基于OPC-Ua的協(xié)議，能夠助力實(shí)現(xiàn)協(xié)作機(jī)器人的無(wú)縫連接和安全互操作性。

協(xié)作機(jī)器人：安全是重中之重

關(guān)于協(xié)作機(jī)器人，首要考慮的問(wèn)題往往是：它們是否安全地與人類共同工作？2016年發(fā)布的ISO/TS 15066是一個(gè)里程碑，它為協(xié)作機(jī)器人的安全運(yùn)行提供了詳盡的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。這些標(biāo)準(zhǔn)包括機(jī)器人的功率、速度和力量限制，所需的安全控制系統(tǒng)、人機(jī)工程學(xué)、操作員培訓(xùn)，以及必要的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。通過(guò)遵循這些標(biāo)準(zhǔn)，制造商能夠設(shè)計(jì)出既能高效協(xié)作又能確保人類同事安全的機(jī)器人。

安全是協(xié)作機(jī)器人領(lǐng)域的重中之重。持續(xù)的創(chuàng)新和改進(jìn)將引領(lǐng)協(xié)作機(jī)器人邁向更加智能和安全的未來(lái)。因此，為了確保協(xié)作機(jī)器人在快速變化的工廠自動(dòng)化環(huán)境中既安全又能與人類高效協(xié)作，需要考慮以下四個(gè)關(guān)鍵方面：

1.感知能力： 高級(jí)傳感器使得協(xié)作機(jī)器人能夠?qū)崟r(shí)感知周圍環(huán)境，包括人類同事的位置和行動(dòng)。這種感知能力是實(shí)現(xiàn)安全協(xié)作的基礎(chǔ)。

安全傳感器主要有位置傳感器、紅外接近傳感器、TOF、超聲波傳感器，毫米波雷達(dá)等等。其中，Vishay（威世）的RAME系列旋轉(zhuǎn)磁絕對(duì)值位移編碼器，具有高精度高分辨率、即插即用、不需要任何校準(zhǔn)安裝、體積小等特性，適合于機(jī)器人手臂關(guān)節(jié)等嵌入式設(shè)備所適用的高精度和可重復(fù)性應(yīng)用場(chǎng)景。意法半導(dǎo)體的VL53L4CD TOF 支持1.3m的超精準(zhǔn)距離測(cè)量、1.8度FOV，具有優(yōu)秀的短距離線性度 (>0.1cm)，可用于障礙物檢測(cè)。

2.智能決策： 借助人工智能，這些機(jī)器人可以做出快速反應(yīng)，有效避免潛在風(fēng)險(xiǎn)，增強(qiáng)安全保障。借助安富利行業(yè)合作伙伴瑞薩電子提供的AI解決方案，可以快速實(shí)現(xiàn)智能決策。

瑞薩電子的RZ/A2M 機(jī)器人解決方案采用 Arm^? Cortex^?-A9 CPU，專為需要高速圖像處理的基于 e-AI 的成像而設(shè)計(jì)。它結(jié)合專有動(dòng)態(tài)可配置處理器 (DRP) 技術(shù)，提供獨(dú)特的圖像識(shí)別和機(jī)器視覺(jué)混合方法，實(shí)現(xiàn)了圖像數(shù)據(jù)快速預(yù)處理和特征提取。該解決方案提供了適用于機(jī)器人的先進(jìn)技術(shù)，將人工智能 (AI) 引入了機(jī)器人終端, 如工業(yè)機(jī)器人和機(jī)器人通信。

3.力量限制：通過(guò)對(duì)機(jī)械臂的力量和速度進(jìn)行限制，確保即使發(fā)生意外接觸也能最大程度地降低造成的傷害。

針對(duì)這一要求，力/扭矩傳感器能夠?yàn)闄C(jī)器人提供了靈敏的觸覺(jué)，可以對(duì)機(jī)器人手臂上的力量進(jìn)行監(jiān)控，也可以來(lái)檢測(cè)正常的負(fù)載變化扭矩，以及通過(guò)檢測(cè)外部力矩的快速變化識(shí)別出異常，讓執(zhí)行器件產(chǎn)生相應(yīng)動(dòng)作避免對(duì)人造成傷害。

安富利的行業(yè)合作伙伴泰科電子（TE Connectivity）提供的安全扭矩傳感器，為下一代人機(jī)協(xié)作提供了功能安全性，提高了準(zhǔn)確性和速度，可用于機(jī)器人訓(xùn)練和安全控制。

4.多模態(tài)交互：除了物理操作界面，語(yǔ)音和手勢(shì)控制等多模態(tài)交互方式使得工人更容易與機(jī)器人溝通和協(xié)作。

完美回應(yīng)此種需求，安富利的行業(yè)合作伙伴英飛凌提供的BGT60LTR11AIP ，是一款完全集成的Motion傳感器，包括封裝天線（AIP）以及內(nèi)置的Motion和Direction檢測(cè)器，且無(wú)需外部MCU，即可實(shí)現(xiàn)從0.5米到7米的可配置檢測(cè)范圍，主要用于人機(jī)互動(dòng)、手勢(shì)識(shí)別等。此外，英飛凌的XENSIV?MEMS麥克風(fēng)，旨在以前所未有的精度和質(zhì)量捕獲音頻信號(hào)，非常適合用于協(xié)作機(jī)器人的語(yǔ)音識(shí)別應(yīng)用。

在這個(gè)自動(dòng)化不斷演進(jìn)的時(shí)代，協(xié)作機(jī)器人的智能化和自主性正成為關(guān)鍵趨勢(shì)。隨著人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，協(xié)作機(jī)器人的智能化程度也在不斷提升，未來(lái)的協(xié)作機(jī)器人將更加獨(dú)立地學(xué)習(xí)和適應(yīng)，能夠自動(dòng)執(zhí)行更復(fù)雜的任務(wù)。此外，隨著物聯(lián)網(wǎng)（IoT）技術(shù)的日益普及，協(xié)作機(jī)器人將更緊密地整合入整個(gè)生產(chǎn)流程和供應(yīng)鏈中，實(shí)現(xiàn)更加高效的數(shù)據(jù)分析和資源優(yōu)化，從而推動(dòng)制造業(yè)向更智能、更高效的方向發(fā)展。

這個(gè)過(guò)程真正考驗(yàn)的可能是協(xié)作機(jī)器人制造商和最終用戶采用人工智能和高速連接等賦能技術(shù)的速度和效果。安富利將持續(xù)關(guān)注技術(shù)領(lǐng)域的迭代和演進(jìn)趨勢(shì)，并相應(yīng)地調(diào)整業(yè)務(wù)，提供先進(jìn)的技術(shù)和解決方案支持，以滿足客戶、供應(yīng)商和合作伙伴的需求。

安富利為推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)特別是工廠自動(dòng)化穩(wěn)步向前發(fā)展，做出了持續(xù)不懈的努力，也得到了業(yè)界的廣泛認(rèn)可。近期，在“物聯(lián)之星”2023中國(guó)物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)年度榜單評(píng)選中，安富利旗下子公司安富利電子科技（深圳）有限公司榮登2023年度中國(guó)物聯(lián)網(wǎng)企業(yè)100強(qiáng)。這份榮譽(yù)既是對(duì)安富利長(zhǎng)期以來(lái)憑借自身深厚的技術(shù)積淀和豐富的行業(yè)經(jīng)驗(yàn)以及強(qiáng)大的設(shè)計(jì)連和供應(yīng)鏈服務(wù)，為推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展做出卓越貢獻(xiàn)的肯定，也是對(duì)未來(lái)安富利持續(xù)攜手業(yè)內(nèi)合作伙伴通過(guò)技術(shù)和應(yīng)用創(chuàng)新，為工業(yè)自動(dòng)化乃至整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域向智能化方向堅(jiān)實(shí)邁進(jìn)，貢獻(xiàn)新質(zhì)生產(chǎn)力的激勵(lì)。

作為全球領(lǐng)先的技術(shù)分銷商和解決方案提供商，安富利在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域深耕十余年，擁有廣泛的生態(tài)系統(tǒng)。依托豐富的原廠資源、OEM客戶群及合作伙伴，以及強(qiáng)大的產(chǎn)業(yè)鏈整合能力，安富利能夠?yàn)榭蛻籼峁┒说蕉说囊徽臼浇鉀Q方案。從包含智能傳感器在內(nèi)的各種半導(dǎo)體器件，到能夠支持客戶做基于云端的數(shù)據(jù)分析和價(jià)值挖掘的定制解決方案，再到輔助決策的AI模型，以及設(shè)計(jì)鏈服務(wù)，涵蓋的范圍非常廣泛。

結(jié)語(yǔ)

在勞動(dòng)力成本上升、勞動(dòng)力短缺，以及提高生產(chǎn)率的持續(xù)需求的大環(huán)境下，協(xié)作機(jī)器人展現(xiàn)出巨大的成長(zhǎng)潛力。ISO/TS 15066標(biāo)準(zhǔn)的引入和近二十年來(lái)對(duì)協(xié)作機(jī)器人的深入研究與應(yīng)用，這些標(biāo)準(zhǔn)和經(jīng)驗(yàn)的累積使得協(xié)作機(jī)器人的應(yīng)用更加安全和有效，同時(shí)也推動(dòng)了這些系統(tǒng)的不斷完善。

展望未來(lái)，協(xié)作機(jī)器人的更多采用預(yù)示著制造業(yè)將更加智能、靈活和人性化。伴隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓寬，協(xié)作機(jī)器人無(wú)疑將在未來(lái)的工業(yè)生產(chǎn)中扮演越來(lái)越重要的角色，成為制造業(yè)的一大支柱。這不僅改善了生產(chǎn)效率和工作環(huán)境，還為整個(gè)制造業(yè)的未來(lái)發(fā)展開(kāi)辟了新的可能性。