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機器人的夏天 今年夏天，機器人火了！一個重要的原因是：中國天宮空間站的天和機械臂與航天員一起首次完成了太空艙外作業，將一幅真實的科幻大片展現在我們面前。這其中，作為天宮空間站最核心的技術之一的天和機械臂賺足了眼球。天和機械臂總長達10米，擁有7個關節，因此，它能夠像人類的手臂一樣自由活動，還能抓取太空中重達25噸的物體并自由移動。 幾十年來，我們一直夢想著機器人能夠代替人類完成一些瑣碎以及危險的工作，但直到20世紀50年代，這個想法才開始成為現實。1956年，工程師約瑟夫·恩格爾伯格和喬治·德沃爾創造了世界上第一個商業機器人。同年，德國的庫卡（KUKA）建造了全球第一個自動焊接系統，隨后用在了大眾汽車的生產線上。1973年，庫卡又制造出業界第一個采用機電驅動軸的機器人。這個名為FAMULUS的機器人有六個軸，用來模擬人類手臂的運動。今天，中國的天和機械臂再次為我們展示了新一代機器人具有的強大實力。 一段時間以來，機器人自動化一直是制造業中的一項革命性技術。研究機構MarketsandMarkets的調研顯示，機器人自動化技術市場在2016年的體量約為2.7億美元，到2023年將增至將近49億美元。未來幾年，人工智能（AI）有望被集成到機器人中，屆時，機器人行業將會發生重大變革。咨詢公司埃森哲在研究了AI對12個發達經濟體的影響后表示，到2035年，AI的年度經濟增長率會翻一番，將勞動生產效率提高40%之多，還會在人類與機器之間產生一種新的混合關系并導致工作性質發生改變，人類與AI驅動型機器人的協作將大幅增加。 機器人的進化 工業機器人如今已被廣泛應用于各工業領域，以執行重復、繁重和精確的任務，此外，還消除了有害任務對人類健康的損害，例如，六軸工業機器人可以高效地進行汽車噴漆這種有害作業。其他基于機器人的應用包括自動包裝、機器維護、電路板測試、拾取和放置電路組裝、金屬加工和屏蔽焊接等。這些機器的高精度使得它們能夠以相對較低的故障率成功完成任務，尤其是與利用人力的裝配線相比。 工業機器人通常處在封閉的環境中，出于安全考慮，人類往往無法安全地接近處于運行狀態的傳統工業機器人，但是限制人類與機器人的協作會導致許多好處無法實現。今天，這些大型制造機器人已經發展成為一種新的東西——協作機器人（COBOT）。那些具有自主能力的協作機器人能與人類一起安全地協作，從容地移動。 根據ISO標準TS 15066的定義，協作機器人是一種能夠在協作性操作過程中使用的機器人，它能與人類一起在指定的工作區中同時進行生產操作。當然，這其中需要采取技術手段以避免協作機器人與操作員之間可能發生的碰撞。為此，在協作機器人中通常會使用多種傳感器來確定操作員的確切位置和速度，常用的有飛行時間（ToF）光學傳感器、毫米波雷達等。 ToF光學傳感器依賴于ToF原理，將來自障礙物的反射光波與透射光波進行比較以測量延遲，該延遲可以表征兩個物體之間的距離，然后，再利用這些數據創建物體的3D地圖。Texas Instruments的OPT8320就屬于3D ToF傳感器，借助它，機器人能夠確定螺釘的準確角度，然后微調螺絲刀以使螺釘始終對準，而無需人工干預。像OPT3101這樣基于ToF的模擬前端可以幫助識別機械臂到目標的距離，并有助于精確定位。對于分辨率更高的3D傳感，基于AM572x處理器并采用DLP結構光的3D機器視覺設計方案可將分辨率提高到微米級甚至更小。 毫米波雷達也是機器人中經常使用的一種傳感技術。有了它，機器人可以根據物體接近傳感器的速度采取更具預測性的操作。此外，毫米波雷達在黑暗中還具有出色的性能，能夠穿透石膏板、塑料和玻璃等材質進行感應。過去，毫米波雷達比較昂貴且尺寸較大，需要多個分立組件。現在，以TI為代表的一些半導體企業已經將射頻、處理器和內存等功能集成到一個單片CMOS芯片上，未來幾年，毫米波雷達有望補充或取代傳統的機器人傳感技術。 那么，協作機器人和傳統工業機器人，哪一個才是更好的選擇？其實這也沒什么好糾結的，主要取決于實際需要。傳統的工業機器人可能更危險，需要更多的空間，但它們完全是為功率和速度而設計；而協作機器人更適合較慢的專業工作。傳統工業機器人常常用于處理大型項目，幾乎存在于所有行業，在需要速度和動力的大規模制造項目中；而協作機器人主要在特定項目中使用，它可能永遠無法完全取代傳統工業機器人。 此外，傳統工業機器人普遍比較大，需要大量的固定和聯鎖工程控制，如控制器、末端執行器、夾持器、視覺系統。此外，不同于在圍欄外操作的協作機器人，傳統的工業機器人還需要額外的硬件，如固定裝置、輸送機和安全圍欄。協作機器人比傳統工業機器人的價格要低，安裝也更容易，占用的空間也比較少。與傳統的工業機器人相比，協作機器人的投資回報率較高。 不一樣的服務機器人 按工作類型劃分，機器人主要有三大類，即工業機器人、服務機器人以及特種機器人。特種機器人往往是針對一個特定領域、特定用途而設計的機器人。服務機器人是指從事非工業生產，可為人類日常生活提供有益服務的機器人。服務機器人通常具備半自主或全自主工作模式，可以認識周圍環境，根據變化的環境信息進行自主思考，并做出反應，是多種技術集成的智能化裝備。 同樣是機器人，工業機器人和服務機器人的差別還是比較大的，主要體現在以下三個方面。 · 一是應用，這也是兩種機器人的主要區別。服務機器人通常為人類執行有用的任務，但不是在工業環境中，比如服務機器人可以引導顧客逛商店，幫助顧客在銀行存款等。工業機器人通常只適合于熟悉環境中的特定任務。 · 二是目標客戶。購買工業機器人的客戶以制造商為主，在他們的工廠里，工業機器人最典型的任務包括焊接、噴漆、裝配、挑選和放置以及材料搬運等。服務機器人的目標客戶大多是面向服務的企業，如零售商、酒店或醫療保健企業。 · 三是成熟度：與服務機器人相比，市場上的工業機器人要成熟得多。雖然服務機器人從50年代就出現了，但它們并沒有大規模普及。 在許多方面，工業機器人的實現一直比較簡單。因有靈活性和機動性的要求，服務機器人的設計、安裝和維護往往更加困難。近年來，由于采用3D視覺技術和人工智能的導航系統，使得服務機器人在接近人類工人時變得更加安全，其應用也越來越普遍。 工業機器人的市場有多大？ 在過去幾年中，工業機器人行業一直處于上升趨勢。據分析機構Mckinsey的數據，2012年至2017年期間，全球工業機器人的安裝基數每年平均增長10%。2017年，全球機器人年發貨量飆升至約38.1萬臺，是2012年的兩倍多，許多骯臟、乏味或危險的工作現在都由機器人來承擔。 隨著技術的進步，現在大量機器人也能夠處理極高精度的復雜任務，例如，帶有激光視覺系統的機器人可以將車門精確地安裝到車身上，這些改進促使企業更加重視工業機器人。IFR的“World Robot Report”數據顯示，2017年，有200多萬個工業機器人在工廠和其他商業場所工作。到2023年，預計裝機基數可能達到約440萬臺（圖1）。隨著工業機械臂安裝基數的增加，末端執行器制造商將獲益匪淺。到2023年，機器人夾具和機械手末端組件夾具（EOAT）的市場規模預計將達到50億美元左右，是2017年的兩倍多。 
圖1：全球可操作工業機器人（左））以及機器人夾具和EOAT（右）市場增長情況（圖源：Mckinsey） 機器人技術的發展趨勢 在波士頓咨詢公司（BCG）看來，所有類型的機器人公司應該關注以下三個方向，它們可能會影響未來十年機器人技術的發展。 1、專業服務機器人將主導該行業。目前，專業服務機器人只占市場的一小部分，波士頓咨詢公司（BCG）預計，到2030年，全球機器人市場將從今年的250億美元左右攀升至1600億至2600億美元之間，專業服務機器人的市場份額將達到1700億美元，工業機器人和協作機器人的銷售額將達到800億美元左右。（見圖2）
圖2：到2030年，專業服務機器人將超越工業和協作機器人成為市場的主力（圖源：IFR，MarketsandMarkets） 2、消費需求的變化將加速對先進機器人解決方案的需求。人口老齡化將導致更多人需要使用移動服務機器人來協助個人衛生、鍛煉、送飯和其他工作。對回收和其他可持續性措施的日益重視將要求機器人承擔復雜的拆卸和分揀任務。另外，機器人將越來越多地取代傳統上工資較低、技能密集度較低的工作。 3、人工智能和其他技術進步將增強人與機器人之間的互動。在涉及機器智能、連接性和控制等方面，技術突破將擴大機器人的能力和應用范圍，同時還能簡化人機之間的交互。在最有希望的創新中，人工智能將允許機器人處理無監督、意外的情況；群體智能將增加移動機器人在位置上共享和改變任務的靈活性；成像系統將增強自主檢查、分析和移動能力。 實用的機器人解決方案有哪些 隨著技術的普及，我們相信許多客戶將從購買核心機器人系統（如機械臂、控制器和機械臂末端執行器）轉向購買更廣泛的模塊化系統，包括核心和邊緣控制器、機器視覺軟件等。因此，要求這些高級系統要易于部署，比如即插即用、只需很少或不需要編程，并且能夠自行處理特定范圍的任務。 機器人市場的發展，也在推高相關半導體解決方案的熱度，一些芯片大廠都會將機器人作為一個重要的應用市場，推出針對性的解決方案。 01. 英飛凌工業機器人解決方案 工業機器人是工業4.0和未來工廠的關鍵推動力，它們正在革新全球的傳統工業流程，使制造商能夠以更高的質量和更低的成本提高生產力。隨著機械安全圍欄被基于傳感器的虛擬圍欄所取代，今天的工業機器人必須適應頻繁變化的工作環境。這對機器人系統提出了極高的要求。工業機器人設計涉及多種部件，通常包括三個主要部分：一個控制箱，一個機械手和一個特定工具，安裝在機器人手臂的頂部�？刂葡溆梢粋�強大的運動控制器、幾個運動驅動器、一個機器人控制器和電源組成。機械手一般由一組移動器或執行器、傳感器和電子制動器組成，具體取決于機器人的類型。驅動器或執行器主要由電氣伺服驅動器實現。運動控制器通常是機器人系統的核心所在，也是機器人制造商核心知識產權（IP）的關鍵所在。 英飛凌的工業機器人組件和系統解決方案非常適合作為一個整體的工業機器人。在電力電子元件方面，既有IGBT和CoolSIC MOSFET，也有覆蓋多種功率范圍的EiceDRIVER門驅動器解決方案，支持各種機器人有效載荷。CoolMOS和CoolSIC MOSFET和輔助電源解決方案CoolSET可以用作電源管理。PSoC微控制器可用于系統控制。為應對日益增長的安全關注，英飛凌推出的OPTIGA可信硬件安全方案，為機器人的安全提供了保障。
圖3：工業機器人系統方框圖，英飛凌可針對各模塊提供豐富的產品（圖源：英飛凌官網） 02. Texas Instruments機器人解決方案 Texas Instruments（TI）豐富的模擬和嵌入式產品以及參考設計可幫助工程師開發智能、自主和協作的機器人。Sitara處理器系列的SoC可滿足從獨立工業通信模塊到系統分區的全功能多軸伺服驅動器的所有需求。圖4顯示了使用Sitara、Hercules和C2000微控制器系列中的不同處理器可以實現的解決方案。Sitara AMIC處理器包含PRU-ICSS子系統，并已針對獨立的多協議工業通信模塊進行了優化。
圖4：適用于伺服驅動器的TI處理器產品 為了確保機器人能夠耐受應用中的惡劣環境，在電源開關中需要采用隔離驅動器。TI擁有一個隔離式柵極驅動器系列UCC217x，其具有用于SiC MOSFET的快速集成式感應能力，充分利用了TI的電容隔離技術，最大限度延長絕緣柵的使用壽命，同時還提供高增強隔離等級、快速的數據速度和高密度封裝。為保護控制系統免受熱損壞，TI可提供廣泛的溫度開關和熱敏電阻產品系列，例如TMP302、TMP390和TMP61。在電機驅動控制的使能技術上，TI可提供高頻氮化鎵（GaN）柵極驅動器和包含GaN開關和柵極驅動器的模塊，AMC1306隔離式Δ-Σ調制器能將來自電流和其他傳感器的信號進行數字化，并輸出組合的數據和時鐘信號，從而最大限度提高計時效率。 在機械臂和驅動系統（機械手）的設計中，TI提供了廣泛的溫度開關和熱敏電阻產品組合，例如TMP303、TMP390和TMP61。TMP303使用窗口比較器，并通過超小尺寸、低功耗和低至1.4V的電源電壓能力提供了設計靈活性，無需額外器件即可正常運行。總之，針對機器人各模塊的設計需求，TI擁有全套的參考設計和相應的產品，這里不再一一贅述。 結語 機器人的安裝量將在全球范圍內強勁增長，特別是在中國，需求量將出現激增。2015年推出的“中國制造2025”計劃，要求本地機器人產量從2020年的15萬臺增加到2030年的40萬臺。在國家層面，中國已成全球最具發展潛力的機器人市場。隨著機器人的安裝建設，Mckinsey預計，從2018年到2023年，中國對末端執行器的需求將以每年25%的速度增長。這一數字約占當年市場總增長的45%，超過了歐洲和北美的總和。2023年機械手和EOAT的51億美元市值中，超過10億美元將來自中國。 機器人是衡量一個國家科技創新能力和高端制造水平的重要標志之一。目前，汽車行業是最大的機器人安裝基地，其次是電子行業，這些行業將繼續領銜行業需求。如今，智能機器人和協作機器人正變得越來越協作，更具生產力，更智能，以承擔復雜的任務。人機交互技術取得的突破，使得服務機器人逐步向智能化，人口老齡化趨勢進一步加大了對服務機器人的需求。與之相關的先進的機器人技術和解決方案也將迎來發展的好時機。 來源：貿澤電子 作者：Doctor M |
