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作者：安富利 隨著工業4.0時代的到來，工廠自動化已成為制造業發展的關鍵。自動化驅動生產力，生產力則推動盈利。幾十年來，機器人一直是制造工廠自動化的重要組成部分。傳統的工業機器人以其高效率和精確性在制造業中占據了主導地位。然而，隨著智能化和柔性制造的需求日益增長，傳統機器人的局限性逐漸顯現。 近年來出現了一種新趨勢——協作機器人，又稱“協作型機器人”或“Cobots”，正迅速成為工廠自動化的新寵。與傳統的工業機器人不同，協作機器人強調與人類工人的互動與協同，它們是工業自動化領域的一股清新之風，代表了自動化技術的一個新方向。 協作機器人：打破傳統，共創未來工廠 協作機器人自2000年代初開始受到認可。協作機器人的最大特點是其與人類工人的協同工作能力。它們設計用于直接與人類共享工作空間，而無需傳統工業機器人那樣的安全柵欄或隔離措施。在很多現代化工廠中，協作機器人不再是單純的機械替代，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造力的場合中輔助人類，使生產過程更加高效和個性化。 過去10年間，協作機器人經歷了顯著的增長，預計這一趨勢將持續下去。據分析機構Grand View Research預測，從2023年到2030年，這項技術的復合年增長率（CAGR）將達到32%，全球市場規模將從當年的15.8億美元增長到2030年的110.4億美元。 具體到中國市場也是一樣，在技術進步的帶動、市場需求的牽引以及國家利好政策的支持等因素的共同推動下，協作機器人產業穩步發展，市場規模不斷擴大。據高工機器人產業研究所（GGII）預測，未來協作機器人行業將進入平穩增長期，預計至2026年，中國協作機器人的年銷量將接近10萬臺，市場規模將超過60億元人民幣。尤其是在工業生產領域，協作機器人扮演著非常重要的角色，將成為制造業向智能化、自動化轉型升級的重要推手，有著廣闊的應用前景。 利用協作機器人承擔高精度、高度重復和復雜的任務，以提高工廠效率，降低生產成本，是打造自動化智能制造工廠的重要一環。舉例來講，早在數年前推出的ABB YuMi 14軸雙臂協作機器人，改變了機器人和自動化世界。它專為小部件裝配等需要高精度和靈活性的精細操作而設計。YuMi的雙臂可以共同或獨立工作，使其能夠執行通常需要多個機器人或人類操作員的復雜任務。 
ABB YuMi 考慮到協作機器人對高精度和靈活性的追求，在設計時需要采用多軸電機控制。為此，安富利的行業合作伙伴意法半導體開發了，由基于Cortex®-M7內核的STM32F767ZI微控制器、STDRIVE101柵極驅動器和STH270N8F7-2功率MOSFET組成的STEVAL-ETH001V1套件，可以幫助開發者開發面向協作機器人的多軸PMSM位置伺服驅動應用。STEVAL-ETH001V1能夠提供最大700 W的輸出功率，同時支持Ethercat實時通信協議和正交編碼器接口。 尤其值得關注的是，安富利還與意法半導體針對馬達控制應用，建立了聯合實驗室，為客戶的設計及產品化提供支持及完整解決方案。
STEVAL-ETH001V1套件 協作機器人的主要優勢在于它們能夠執行重復性高、危險或對人類不友好的任務，同時也能在更加復雜和精細的操作中發揮作用。在許多行業中，例如汽車、電子、食品和藥品制造，協作機器人已經開始承擔起組裝、包裝、檢查和搬運等多種任務。它們的多功能性和易于部署的特性，使得企業能夠更快地響應市場變化和客戶需求。這種人機共處的工作方式不僅提高了工作效率，還增強了工作環境的靈活性。工人可以在需要時親自介入操作，實現更細致的控制和更高效的工作流程。 此外，實時性控制是保障協作機器人安全操作的前提，也是多機合作的基礎。TSN （Time-Sensitive Network，TSN）的引入為協作機器人技術等領域的實時應用帶來了巨大的潛力和機會。例如， TSN可以實現對協作機器人的實時控制和協同操作，提高生產效率和安全性；與此同時，TSN還可以實現機器人之間的實時協作和協調，提高機器人系統的靈活性和響應能力。 在這方面，安富利的行業合作伙伴之一恩智浦提供的解決方案組合，可為推進自動化的安全網絡設備提供基礎器件，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）、軟件堆棧和開發板（例如LS1028ARDB）。恩智浦的解決方案組合支持廣泛的工業協議，如EtherCAT、Profinet、Ethernet/IP或CC Link IE，以及較新的TSN和基于OPC-Ua的協議，能夠助力實現協作機器人的無縫連接和安全互操作性。 協作機器人：安全是重中之重 關于協作機器人，首要考慮的問題往往是：它們是否安全地與人類共同工作？2016年發布的ISO/TS 15066是一個里程碑，它為協作機器人的安全運行提供了詳盡的國際標準。這些標準包括機器人的功率、速度和力量限制，所需的安全控制系統、人機工程學、操作員培訓，以及必要的風險評估。通過遵循這些標準，制造商能夠設計出既能高效協作又能確保人類同事安全的機器人。 安全是協作機器人領域的重中之重。持續的創新和改進將引領協作機器人邁向更加智能和安全的未來。因此，為了確保協作機器人在快速變化的工廠自動化環境中既安全又能與人類高效協作，需要考慮以下四個關鍵方面： 感知能力： 高級傳感器使得協作機器人能夠實時感知周圍環境，包括人類同事的位置和行動。這種感知能力是實現安全協作的基礎。 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，毫米波雷達等等。其中，Vishay（威世）的RAME系列旋轉磁絕對值位移編碼器，具有高精度高分辨率、即插即用、不需要任何校準安裝、體積小等特性，適合于機器人手臂關節等嵌入式設備所適用的高精度和可重復性應用場景。意法半導體的VL53L4CD TOF 支持1.3m的超精準距離測量、1.8度FOV，具有優秀的短距離線性度 (>0.1cm)，可用于障礙物檢測。 智能決策： 借助人工智能，這些機器人可以做出快速反應，有效避免潛在風險，增強安全保障。借助安富利行業合作伙伴瑞薩電子提供的AI解決方案，可以快速實現智能決策。 瑞薩電子的RZ/A2M 機器人解決方案采用 Arm® Cortex®-A9 CPU，專為需要高速圖像處理的基于 e-AI 的成像而設計。它結合專有動態可配置處理器 (DRP) 技術，提供獨特的圖像識別和機器視覺混合方法，實現了圖像數據快速預處理和特征提取。該解決方案提供了適用于機器人的先進技術，將人工智能 (AI) 引入了機器人終端, 如工業機器人和機器人通信。 力量限制： 通過對機械臂的力量和速度進行限制，確保即使發生意外接觸也能最大程度地降低造成的傷害。 針對這一要求，力/扭矩傳感器能夠為機器人提供了靈敏的觸覺，可以對機器人手臂上的力量進行監控，也可以來檢測正常的負載變化扭矩，以及通過檢測外部力矩的快速變化識別出異常，讓執行器件產生相應動作避免對人造成傷害。 安富利的行業合作伙伴泰科電子（TE Connectivity）提供的安全扭矩傳感器，為下一代人機協作提供了功能安全性，提高了準確性和速度，可用于機器人訓練和安全控制。 多模態交互： 除了物理操作界面，語音和手勢控制等多模態交互方式使得工人更容易與機器人溝通和協作。 完美回應此種需求，安富利的行業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）以及內置的Motion和Direction檢測器，且無需外部MCU，即可實現從0.5米到7米的可配置檢測范圍，主要用于人機互動、手勢識別等。此外，英飛凌的XENSIV™MEMS麥克風，旨在以前所未有的精度和質量捕獲音頻信號，非常適合用于協作機器人的語音識別應用。 在這個自動化不斷演進的時代，協作機器人的智能化和自主性正成為關鍵趨勢。隨著人工智能和機器學習技術的持續發展，協作機器人的智能化程度也在不斷提升，未來的協作機器人將更加獨立地學習和適應，能夠自動執行更復雜的任務。此外，隨著物聯網（IoT）技術的日益普及，協作機器人將更緊密地整合入整個生產流程和供應鏈中，實現更加高效的數據分析和資源優化，從而推動制造業向更智能、更高效的方向發展。 這個過程真正考驗的可能是協作機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的速度和效果。安富利將持續關注技術領域的迭代和演進趨勢，并相應地調整業務，提供先進的技術和解決方案支持，以滿足客戶、供應商和合作伙伴的需求。 安富利為推動物聯網特別是工廠自動化穩步向前發展，做出了持續不懈的努力，也得到了業界的廣泛認可。近期，在“物聯之星”2023中國物聯網行業年度榜單評選中，安富利旗下子公司安富利電子科技（深圳）有限公司榮登2023年度中國物聯網企業100強。這份榮譽既是對安富利長期以來憑借自身深厚的技術積淀和豐富的行業經驗以及強大的設計連和供應鏈服務，為推動物聯網產業的發展做出卓越貢獻的肯定，也是對未來安富利持續攜手業內合作伙伴通過技術和應用創新，為工業自動化乃至整個物聯網領域向智能化方向堅實邁進，貢獻新質生產力的激勵。 作為全球領先的技術分銷商和解決方案提供商，安富利在物聯網領域深耕十余年，擁有廣泛的生態系統。依托豐富的原廠資源、OEM客戶群及合作伙伴，以及強大的產業鏈整合能力，安富利能夠為客戶提供端到端的一站式解決方案。從包含智能傳感器在內的各種半導體器件，到能夠支持客戶做基于云端的數據分析和價值挖掘的定制解決方案，再到輔助決策的AI模型，以及設計鏈服務，涵蓋的范圍非常廣泛。 結語 在勞動力成本上升、勞動力短缺，以及提高生產率的持續需求的大環境下，協作機器人展現出巨大的成長潛力。ISO/TS 15066標準的引入和近二十年來對協作機器人的深入研究與應用，這些標準和經驗的累積使得協作機器人的應用更加安全和有效，同時也推動了這些系統的不斷完善。 展望未來，協作機器人的更多采用預示著制造業將更加智能、靈活和人性化。伴隨著技術的不斷進步和應用領域的不斷拓寬，協作機器人無疑將在未來的工業生產中扮演越來越重要的角色，成為制造業的一大支柱。這不僅改善了生產效率和工作環境，還為整個制造業的未來發展開辟了新的可能性。 |
