上海电子展|协作机器人：工厂自动化的“新宠”
随着工业4.0时代的到来，工厂自动化已成为制造业发展的关键。自动化驱动生产力，生产力推动盈利。几十年来，机器人一直是制造工厂自动化的重要组成部分。传统的工业机器人以其高效率和精确性在制造业中占据了主导地位。然而，随着智能化和柔性制造需求的日益增长，传统机器人的局限性逐渐显现。近年来，工业领域出现了一种新趋势—协作机器人（又称“协作型机器人”或“Cobots”)正迅速成为工厂自动化的“新宠”。与传统的工业机器人不同，协作机器人强调与人类工人的互动与协同，它们是工业自动化领域的一股新风，上海电子展小编觉得，它代表了自动化技术发展的新方向。
打破传统，共创未来工厂
21世纪初期，协作机器人开始受到大众的认可。协作机器人的大特点是具备与人类工人的协同工作能力，它们无须设置像传统工业机器人那样的安全栅栏或隔离措施，而是可以直接与人类共享工作空间。目前，在很多现代化工厂中，协作机器人不再是单纯的机械替代品，而是成了人类工作者的“同事”。它们可以在需要高度灵活性和创造力的场合中辅助人类，使生产过程更加高效和个性化。
在过去十年间，协作机器人市场经历了显著的增长，而这一趋势将持续下去。分析机构Grand View Research预测，从2023年到2030年，协作机器人技术的年复合增长率（CAGR）将达到32%，市场规模将从2023年的15.8亿美元增长到2030年的110.4亿美元。
中国市场也是一样，在技术进步的带动下、市场需求的牵引下及国家利好政策的支持下，协作机器人产业稳步发展，市场规模不断扩大。高工机器人产业研究所（GGII）预测，未来，协作机器人行业将进入平稳增长期，预计到2026年，中国协作机器人的年销量将接近10万台，市场规模将超过60亿元。尤其是在工业生产领域，协作机器人将扮演非常重要的角色，成为制造业向智能化、自动化转型升级的重要推手。
利用协作机器人承担高精度、高度重复和复杂的任务，以提高工厂效率，降低生产成本，是打造自动化智能制造工厂的重要一环。例如，2014年，来自瑞士苏黎世的ABB（阿西布朗勃法瑞）集团推出了YuMi14轴双臂协作机器人，它专为小部件装配等需要高精度和灵活性的精细操作而设计，YuMi的双臂可以共同或独立工作，能够执行通常需要多个机器人或人类操作员的复杂任务。
考虑到协作机器人对高精度和灵活性的追求，我们在设计时需要采用多轴电机控制技术。为此，安富利的行业合作伙伴意法半导体开发了基于Cortex-M7内核的STM32F767ZI微控制器、STDRIVE101栅极驱动器和STH270N8F7-2功率MOSFET组成的STEVAL-ETH001V1套件，帮助开发者开发面向协作机器人的多轴PMSM位置伺服驱动应用。此外，STEVAL-ETH001V1能够提供高大700W的输出功率，同时支持Ethercat实时通信协议和正交编码器接口的接入。
值得关注的是，针对马达控制应用，安富利与意法半导体建立了联合实验室，为客户的设计及产品化提供支持及完整的解决方案。
协作机器人的主要优势在于它能够执行重复性高、危险或对人类不友好的任务，同时也能在更加复杂和精细的操作中发挥作用。在许多行业中，如汽车、电子、食品和药品制造行业，协作机器人已经开始承担起组装、包装、检查和搬运等多种任务。协作机器人具备多功能性和易于部署的特性，能够帮助企业更快地响应市场变化和客户需求。这种人机共处的工作方式不仅促进了企业工作效率的提升，还增强了工作环境的灵活性，工人可以在需要时亲自介入操作，实现更细致的控制，并让工作流程更高效。
此外，实时控制是保障协作机器人安全操作的前提，也是多机合作的基础。时间敏感网络（Time-Sensitive Network，TSN）的引入为协作机器人的实时应用带来了巨大的潜力和机会。一方面，时间敏感网络可以实现对协作机器人的实时控制和协同操作，提高生产效率和安全性；另一方面，时间敏感网络可以实现机器人之间的实时协作，提高机器人系统的灵活性和响应能力。
在协作机器人的实时控制方面，安富利的行业合作伙伴恩智浦提供的解决方案组合可为安全网络设备提供基础器件，包括功能丰富的微控制器（如i.MX RT1180）、带有集成安全和离散安全元件的处理器（如LS1028A）、软件堆栈和开发板（如LS1028ARDB）。恩智浦的解决方案组合支持广泛的工业协议，如EtherCAT、Profinet、Ethernet/IP或CC Link IE，以及较新的TSN和基于OPC-Ua的协议，能够助力协作机器人实现无缝连接和安全互操作。
安全是重中之重
关于协作机器人设计，要先考虑的问题往往是它们能否能安全地与人类共同工作。2016年，“ISO/TS15066协作型机器人设计标准”的发布是一个里程碑，它为协作机器人的安全运行提供了详尽的国际标准。这些标准包括机器人的功率、速度和力量限制，所需的安全控制系统、人机工程学、操作员培训，以及必要的风险评估。遵循这些标准，制造商能够设计出既能高效协作又能确保安全的机器人。
安全是协作机器人领域的重中之重。持续的创新和改进将引领协作机器人迈向更加智能和安全的未来。因此，为了确保协作机器人在快速变化的工厂自动化环境中既安全又能与人类高效协作，需要考虑四个关键问题。
一是感知能力。高级传感器使得协作机器人能够实时感知周围环境，包括人类同事的位置和行动。这种感知能力是实现安全协作的基础。安全传感器主要有位置传感器、红外接近传感器、TOF、超声波传感器、毫米波雷达等。其中，Vishay（威世）的RAME系列旋转磁值位移编码器具有高精度、高分辨率、即插即用、不需要任何校准安装、体积小等特性，在机器人手臂关节等嵌入式设备所适用的高精度和可重复性应用场景中有较大的应用空间；意法半导体的VL53L4CD TOF具有优秀的短距离线性度 (>0.1厘米)，可用于障碍物检测。
二是智能决策。借助人工智能，这些机器人可以做出快速反应，有效避免潜在风险，增强安全保障。借助安富利行业合作伙伴瑞萨电子提供的AI解决方案，企业可以快速实现智能决策。瑞萨电子RZ/A2M机器人解决方案采用 ArmCortex-A9CPU，专为需要高速图像处理技术的基于e-AI的成像而设计。它结合专有动态可配置处理器(DRP)技术，提供独特的图像识别和机器视觉混合方法，实现了图像数据快速预处理和特征提取。此外，该解决方案还提供了适用于机器人技术，将人工智能引入了工业机器人和机器人通信等领域。
三是力量限制。通过对机械臂的力量和速度进行限制，我们才能在协作机器人发生意外接触时能很大程度地降低其造成的伤害。针对这一要求，力/扭矩传感器能够为机器人提供灵敏的触觉，可以对机器人手臂上的力量进行监控，也可以检测正常的负载变化扭矩，以及通过检测外部力矩的变化识别出异常事件，让执行器件产生相应动作避免对人造成伤害。安富利的行业合作伙伴泰科电子（TE Connectivity）提供的安全扭矩传感器，为下一代人机协作提供了功能安全性解决方案，提高了协作机器人的准确性和速度，可用于机器人训练和安全控制。
四是多模态交互。除了物理操作界面，语音和手势控制等多模态交互方式也使得工人更容易与机器人沟通和协作。针对此需求，安富利的行业合作伙伴英飞凌提供了BGT60LTR11AIP，它是一款完全集成的Motion传感器，包括封装天线（AIP）、内置的Motion和Direction检测器，且无须外部MCU即可实现从0.5米到7米的配置检测范围，可以应用于人机互动、手势识别等领域。此外，英飞凌的XENSIVMEMS麦克风能够以前所未有的精度和质量捕获音频信号，非常适合用于协作机器人的语音识别应用。
在这个自动化技术不断演进的时代，协作机器人的智能化和自主化发展正成为主要趋势。随着人工智能和机器学习技术的持续发展，协作机器人的智能化程度也在不断提升，未来的协作机器人将可以更加独立地学习和适应环境，并能够自动执行更复杂的任务。此外，随着物联网技术的日益普及，协作机器人将被更紧密地整合入整个生产流程和供应链中，实现更加高效的数据分析和资源优化，推动制造业向更智能、更高效的方向发展。
这个过程真正考验的可能是协作机器人制造商与用户对人工智能和高速连接等赋能技术的接受速度和应用效果。作为技术分销商和解决方案提供商，安富利在物联网领域深耕十余年，拥有广泛的生态系统，未来，我们将持续关注技术领域的迭代和演进趋势，并相应地调整业务，提供好的技术和解决方案，以满足客户、供应商和合作伙伴的需求。
展望未来，协作机器人应用范围的拓展预示着制造业将更加智能、灵活和人性化。伴随着技术的不断进步和应用领域的不断拓宽，协作机器人无疑将在未来的工业生产中扮演越来越重要的角色，成为制造业的一大支柱。上海电子展小编觉得，协作机器人不仅能够改善工业企业的生产效率和工作环境，还为整个制造业的未来发展开辟了新的可能性。
文章来源：新软件