一文讀懂：工業(yè)機(jī)器人中的關(guān)鍵傳感技術(shù)

工業(yè)機(jī)器人是一種能自動(dòng)執(zhí)行任務(wù)的機(jī)械裝置，它可以響應(yīng)人類指令，運(yùn)行預(yù)先編制的應(yīng)用程序。那些大型和重型機(jī)器人，常常被放置在工業(yè)廠房內(nèi)的固定位置，工人們的任務(wù)和生產(chǎn)過程基本圍繞著它們展開。這是因?yàn)椋I(yè)機(jī)器人能有效減輕惡劣環(huán)境對(duì)生產(chǎn)和制造過程的影響，幫助企業(yè)降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率，同時(shí)確保產(chǎn)品的質(zhì)量。優(yōu)化生產(chǎn)線，使其更加靈活并適應(yīng)每個(gè)客戶的特定需求是工業(yè)機(jī)器人的主要目標(biāo)。

如今，不僅僅是大公司裝配了大量的工業(yè)機(jī)器人，越來越多的中小企業(yè)通過引入工業(yè)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)成本的降低，盈利能力大幅增強(qiáng)。因此，作為智能工廠的主要支柱之一，在短短幾十年內(nèi)，工業(yè)機(jī)器人的普及率得到迅速提升。

什么是工業(yè)機(jī)器人？

近年來，有關(guān)工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)的定義有了很****展。根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 8373:2012的定義，工業(yè)機(jī)器人是“一種多功能、可重編程、自動(dòng)控制的機(jī)械手，可在三個(gè)或更多軸上編程，可固定在一個(gè)區(qū)域或移動(dòng)用于工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用”。

工業(yè)機(jī)器人在外形上通常不是類人機(jī)器人，盡管它們能夠再現(xiàn)人類的運(yùn)動(dòng)和行為，但具有機(jī)器的力量、精度和速度。在制造業(yè)中，我們認(rèn)為工業(yè)機(jī)器人是一種能夠以高精度執(zhí)行制造操作所需的危險(xiǎn)或重復(fù)任務(wù)的勞動(dòng)力。

1961年，第一個(gè)工業(yè)機(jī)器人Unimate加入了位于美國新澤西州尤因鎮(zhèn)的通用汽車工廠的裝配線，實(shí)際上它是一個(gè)自動(dòng)壓鑄模具，在工作中需要將熱的車門把手和其他汽車零件放到生產(chǎn)線上的冷卻桶中，接下來再將這些零件運(yùn)到工人那里進(jìn)行最終的精加工和拋光。從國際機(jī)器人聯(lián)合會(huì)（International Federation of Robotics）的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中可以看出，自2010年以來，汽車行業(yè)一直是工業(yè)機(jī)器人的最重要客戶。

根據(jù)Markets and Markets的最新數(shù)據(jù)，工業(yè)機(jī)器人市場預(yù)計(jì)將從2022年的157億美元增長到2027年的308億美元；在預(yù)測期內(nèi)，預(yù)計(jì)復(fù)合年增長率將達(dá)到14.3%。從應(yīng)用角度看，汽車行業(yè)中的工業(yè)機(jī)器人有著很高應(yīng)用率，例如在裝配線中移動(dòng)車身以及安裝機(jī)械和電子部件等，這也是工業(yè)機(jī)器人市場持續(xù)發(fā)展的主要推動(dòng)力。2022年，搬運(yùn)應(yīng)用占據(jù)了工業(yè)機(jī)器人市場的最大份額。由于末端執(zhí)行器（EOAT）可以與鉸接式機(jī)器人集成，因此，預(yù)計(jì)2022年鉸接機(jī)器人將在傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人市場上占據(jù)較大份額。圖1顯示了近些年移動(dòng)機(jī)器人安裝量的演變以及對(duì)未來市場的預(yù)測。

圖1：2015年—2020年工業(yè)機(jī)器人年度安裝量以及2021年—2024年度發(fā)展展望（圖源：2021世界機(jī)器人技術(shù)報(bào)告）

從技術(shù)角度看，工業(yè)機(jī)器人的進(jìn)一步發(fā)展是由可與人類安全操作的協(xié)作機(jī)器人的引入所推動(dòng)的。過去，出于安全考慮，機(jī)器人大多被限制在籠子或封閉環(huán)境中，以避免與人類一起工作時(shí)發(fā)生碰撞事故。現(xiàn)在的機(jī)器人因裝備了大量傳感器和軟材料，同時(shí)具備了深度學(xué)習(xí)能力，其安全性得到很大改善。加之協(xié)作機(jī)器人通常也比以前的機(jī)器人更輕、更易移動(dòng)、成本也更低，因此該產(chǎn)品一經(jīng)問世即得到用戶的認(rèn)可。根據(jù)權(quán)威機(jī)構(gòu)的預(yù)測，全球協(xié)作機(jī)器人市場預(yù)計(jì)將從2018年的7.1億美元增長到2025年的123億美元。屆時(shí)，協(xié)作機(jī)器人將占所有工業(yè)機(jī)器人的35%左右，高于2018年的11%。

工業(yè)機(jī)器人類型

目前，工業(yè)制造業(yè)主要有五種類型的機(jī)器人，即：鉸接式機(jī)器人、Delta機(jī)器人、SCARA機(jī)器人、笛卡爾機(jī)器人和協(xié)作機(jī)器人，其中最常見的是鉸接式機(jī)器人。

鉸接式機(jī)器人：有2—10個(gè)（或更多）的關(guān)節(jié)，通過扭轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)與底座相連，通常擁有四到六個(gè)自由度，具有大范圍或大尺寸、有效載荷能力。FANUC Lr Mate 200id就是一個(gè)六軸鉸接式機(jī)器人。

Delta機(jī)器人：也被稱為三角式機(jī)器人，在工業(yè)機(jī)器人中屬于并聯(lián)式機(jī)器人。Delta機(jī)器人采用獨(dú)特的平行連桿臂設(shè)計(jì)，重量輕，速度快到令人難以置信。

SCARA機(jī)器人：采用柔順關(guān)節(jié)機(jī)械臂（SCARA）設(shè)計(jì)，有兩個(gè)平行旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，可在單個(gè)平面上操作，專門用于橫向運(yùn)動(dòng)。

笛卡爾機(jī)器人：使用笛卡爾坐標(biāo)系（X、Y和Z）在三個(gè)線性軸上工作，這意味著它們將使用三個(gè)滑動(dòng)關(guān)節(jié)上下、內(nèi)外和左右移動(dòng)。笛卡爾機(jī)器人是常用的一種工業(yè)機(jī)器人，通常用于數(shù)控機(jī)床或3D打印。

協(xié)作機(jī)器人：擁有先進(jìn)的安全功能，可直接進(jìn)行人機(jī)交互。

汽車、電子、航空航天、食品和醫(yī)療行業(yè)是工業(yè)機(jī)器人目前最主要的應(yīng)用領(lǐng)域，隨著技術(shù)的進(jìn)步，工業(yè)機(jī)器人能夠在從簡單到復(fù)雜的過程中進(jìn)行大批量到小批量的生產(chǎn)，如弧焊、點(diǎn)焊、組裝、碼垛、材料移除、檢查、材料處理和包裝，這些都是其最常見的應(yīng)用。ABB集團(tuán)、FANUC、川崎重工、KUKA、三菱電氣、羅克韋爾、Robert Bosch、西門子和安川電氣等是市場上的主要工業(yè)機(jī)器人提供商。

四種關(guān)鍵傳感器技術(shù)

工業(yè)機(jī)器人由五個(gè)主要部件組成：控制器、傳感器、機(jī)械手、末端執(zhí)行器和驅(qū)動(dòng)器。傳感器技術(shù)是工業(yè)機(jī)器人最關(guān)鍵的應(yīng)用科學(xué)之一，它使機(jī)器人能夠像人類一樣導(dǎo)航和檢測環(huán)境變化，并在棘手的情況下做出準(zhǔn)確的決策。對(duì)于機(jī)器人而言，特別是在工業(yè)自動(dòng)化中，傳感器必須正確地提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)，才能實(shí)現(xiàn)相關(guān)的復(fù)雜程序。為了確保工業(yè)自動(dòng)化過程中的合理控制和操作，工業(yè)機(jī)器人采用了大量的傳感器。例如，協(xié)作機(jī)器人因配備了扭矩傳感器和攝像頭，使它們不僅擁有更廣闊的視野，而且還能確保工作場所的安全。那么，工業(yè)機(jī)器人中究竟包括哪些傳感器技術(shù)呢？

隨著新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，傳感器在機(jī)器人上的使用不斷增加。工業(yè)機(jī)器人中最常用的傳感器包括2D傳感器、3D傳感器、力/扭矩傳感器和碰撞檢測傳感器等四種。

▲ 2D傳感器

是一種可以檢測移動(dòng)物體并定位傳送帶上被放置的部件的攝像頭，這些智能攝像頭可以幫助機(jī)器人迅速確定部件的位置，然后機(jī)器人再根據(jù)獲得的信息在移動(dòng)過程中做出相應(yīng)的調(diào)整。Intel RealSenseTM 深度攝像頭D455是該公司D400系列攝像頭的第四代產(chǎn)品，它將深度傳感器之間的距離增加到95毫米，從而將深度精度提升到4米時(shí)小于2%的水平。該攝像頭還集成了一個(gè)慣性測量單元（IMU），以便于應(yīng)用程序在攝像頭移動(dòng)的任何情況下提高深度感知能力。采用該攝像頭的機(jī)器人或無人機(jī)的環(huán)境感知能力也會(huì)得到有效提升。

圖2：Intel RealSenseTM 深度攝像頭D455（圖源：Intel）

▲ 3D傳感器

在機(jī)器人中，3D傳感器可用于導(dǎo)航系統(tǒng)，幫助機(jī)器人定位和跟蹤相對(duì)于環(huán)境的位置；也可用于運(yùn)動(dòng)跟蹤系統(tǒng)，以跟蹤機(jī)器人和其他物體的運(yùn)動(dòng)，幫助控制機(jī)器人的移動(dòng)；還可用于目標(biāo)檢測，識(shí)別和跟蹤環(huán)境中的對(duì)象，躲避碰撞；或者被用于卸貨和碼垛系統(tǒng)，以檢測和定位物體。

飛行時(shí)間（ToF）傳感器是一種用于測量距離的LiDAR傳感器，是最精確的3D傳感器類型，非常適合對(duì)定位有較高要求的工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用。意法半導(dǎo)體（ST）的ToF傳感器是一體化（****、接收器和處理器）系統(tǒng)，具有簡單易用、經(jīng)濟(jì)劃算和體積小等特點(diǎn)。其新一代產(chǎn)品VL53L5CX是一款通用多區(qū)測距FlightSense ToF傳感器，在一個(gè)小型封裝內(nèi)集成了SPAD陣列、物理紅外濾波片、衍射光學(xué)元件（DOE），適合各種室內(nèi)光線環(huán)境，可為多目標(biāo)檢測應(yīng)用提供多達(dá)64個(gè)測距區(qū)，每區(qū)最長測量距離達(dá)4米。得益于ST的直方圖專利算法，VL53L5CX能夠以最高60Hz的距離信息范圍檢測視野內(nèi)的不同物體。更重要的是，VL53L5CX還集成了低功耗MCU，可實(shí)現(xiàn)智能測距。

圖3：ST多區(qū)測距FlightSense ToF傳感器VL53L5CX（圖源：ST）

▲ 力/扭矩傳感器（Force/Torque Sensors）

如果說2D/3D傳感器為機(jī)器人提供了明亮的眼睛，那么，力/扭矩傳感器則為機(jī)器人提供了靈敏的觸覺。在大多數(shù)情況下，力/扭矩傳感器被放置在機(jī)器人和夾具之間，從而使得機(jī)器人能夠監(jiān)測反饋給夾具的各種力。安裝在機(jī)器人上的小型數(shù)字力傳感器有助于提高生產(chǎn)率并減少停機(jī)時(shí)間?；裟犴f爾的MicroForce FMA系列觸力傳感器具有數(shù)字輸出、多種觸力傳感范圍、尺寸小巧，以及增強(qiáng)的耐用性和更高精度等諸多優(yōu)勢。

▲ 碰撞檢測傳感器（Collision Detection Sensors）

碰撞檢測技術(shù)可以大幅提高機(jī)器人的操作安全性。該技術(shù)涉及觸覺傳感器和軟件的組合。接觸傳感器和力傳感器是兩種用于碰撞檢測的觸覺傳感器，這些傳感器為機(jī)器人提供了在生產(chǎn)車間安全工作的屏障，它們可以被集成在機(jī)器人手腕和EOAT之間。大多數(shù)協(xié)作機(jī)器人都通過機(jī)械臂配備接觸傳感器。FANUC CR-7ia的接觸傳感器能夠確保地機(jī)器人在人類周圍安全運(yùn)行。

根據(jù)Technavio的預(yù)測，從2020年到2025年，工業(yè)機(jī)器人傳感器市場規(guī)模預(yù)計(jì)將增加17億美元，復(fù)合年增長率達(dá)到7.76%。在預(yù)測期內(nèi)，62%的市場增長將來自亞太地區(qū)，其中，中國和日本是亞太地區(qū)工業(yè)機(jī)器人傳感器市場的主要貢獻(xiàn)者。

圖4：2020年—2025年工業(yè)機(jī)器人傳感器市場規(guī)模（圖源：Technavio）

工業(yè)機(jī)器人的未來

根據(jù)Interact Analysis 的分析，2017年是工業(yè)機(jī)器人行業(yè)的好年景，收入增長了20%。但自2018年起，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的最大使用者——汽車行業(yè)，消費(fèi)需求疲軟。受此影響，工業(yè)機(jī)器人市場下滑，2019年—2020年這兩年，收入減少了10%。2021年，工業(yè)機(jī)器人市場出現(xiàn)了反彈，出貨量同比增長31.9%，在此過程中，中國市場做出很大貢獻(xiàn)，在亞洲的工業(yè)機(jī)器人發(fā)貨量中占到52.5%。

勞動(dòng)力成本的持續(xù)增長、機(jī)器人價(jià)格的持續(xù)下降、從大規(guī)模生產(chǎn)轉(zhuǎn)向半定制生產(chǎn)的趨勢、對(duì)更短更快產(chǎn)品周期以及進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量的需求，這些都將成為進(jìn)一步推動(dòng)工業(yè)機(jī)器人大規(guī)模采用的驅(qū)動(dòng)力。Research and Markets的分析表明，機(jī)器人技術(shù)的市場增長前景十分樂觀，在汽車、電氣和電子、建筑、醫(yī)療和國防領(lǐng)域，機(jī)器人技術(shù)具有巨大的增長潛力，預(yù)計(jì)全球機(jī)器人市場將從2021年的558億美元增長到2026年的918億美元，在2021-2026年的預(yù)測期內(nèi)，復(fù)合年增長率為10.5%。從細(xì)分市場看，全球工業(yè)機(jī)器人市場預(yù)計(jì)將從2021年的280億美元增長到2026年的422億美元，復(fù)合年增長率為8.6%。

過去，機(jī)器人被要求執(zhí)行非常具體的任務(wù)，通常在固定的位置。今天，隨著傳感技術(shù)的引入，工業(yè)機(jī)器人的外形和功能，以及協(xié)作應(yīng)用能力得到了迅速提升。傳感器的應(yīng)用使得它們能夠在有人的環(huán)境中安全工作，并記錄有關(guān)的環(huán)境信息。為此，我們還能同步收集制造過程中每個(gè)步驟的數(shù)據(jù)，以實(shí)現(xiàn)完全的可追溯性和詳細(xì)的數(shù)據(jù)分析，為未來做出更好的決策提供保障。

作為自動(dòng)化生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵參與者，工業(yè)機(jī)器人直接影響著行業(yè)的自動(dòng)化水平。隨著工業(yè)產(chǎn)品的復(fù)雜性和精度不斷提高，對(duì)機(jī)器人的要求也會(huì)越來越復(fù)雜和苛刻。以低成本提供高質(zhì)量產(chǎn)品是阻礙工業(yè)機(jī)器人傳感器市場增長的關(guān)鍵挑戰(zhàn)之一。目前來看，機(jī)器人傳感技術(shù)已經(jīng)從簡單的光電和觸摸開關(guān)發(fā)展到高級(jí)觸覺、聲音和視覺傳感器，隨著新興傳感技術(shù)和產(chǎn)品的出現(xiàn)，機(jī)器人將被賦予更多的感知能力。

來源：貿(mào)澤電子