大话机器人：我们就从今年大“火”的天和机械臂说起……
作者：Doctor M
机器人的夏天
今年夏天，机器人火了！一个重要的原因是：中国天宫空间站的天和机械臂与航天员一起首次完成了太空舱外作业，将一幅真实的科幻大片展现在我们面前。这其中，作为天宫空间站最核心的技术之一的天和机械臂赚足了眼球。天和机械臂总长达10米，拥有7个关节，因此，它能够像人类的手臂一样自由活动，还能抓取太空中重达25吨的物体并自由移动。
几十年来，我们一直梦想着机器人能够代替人类完成一些琐碎以及危险的工作，但直到20世纪50年代，这个想法才开始成为现实。1956年，工程师约瑟夫·恩格尔伯格和乔治·德沃尔创造了世界上第一个商业机器人。同年，德国的库卡（KUKA）建造了全球第一个自动焊接系统，随后用在了大众汽车的生产线上。1973年，库卡又制造出业界第一个采用机电驱动轴的机器人。这个名为FAMULUS的机器人有六个轴，用来模拟人类手臂的运动。今天，中国的天和机械臂再次为我们展示了新一代机器人具有的强大实力。
一段时间以来，机器人自动化一直是制造业中的一项革命性技术。研究机构MarketsandMarkets的调研显示，机器人自动化技术市场在2016年的体量约为2.7亿美元，到2023年将增至将近49亿美元。未来几年，人工智能（AI）有望被集成到机器人中，届时，机器人行业将会发生重大变革。咨询公司埃森哲在研究了AI对12个发达经济体的影响后表示，到2035年，AI的年度经济增长率会翻一番，将劳动生产效率提高40%之多，还会在人类与机器之间产生一种新的混合关系并导致工作性质发生改变，人类与AI驱动型机器人的协作将大幅增加。
机器人的进化
工业机器人如今已被广泛应用于各工业领域，以执行重复、繁重和精确的任务，此外，还消除了有害任务对人类健康的损害，例如，六轴工业机器人可以高效地进行汽车喷漆这种有害作业。其他基于机器人的应用包括自动包装、机器维护、电路板测试、拾取和放置电路组装、金属加工和屏蔽焊接等。这些机器的高精度使得它们能够以相对较低的故障率成功完成任务，尤其是与利用人力的装配线相比。
工业机器人通常处在封闭的环境中，出于安全考虑，人类往往无法安全地接近处于运行状态的传统工业机器人，但是限制人类与机器人的协作会导致许多好处无法实现。今天，这些大型制造机器人已经发展成为一种新的东西——协作机器人（COBOT）。那些具有自主能力的协作机器人能与人类一起安全地协作，从容地移动。
根据ISO标准TS 15066的定义，协作机器人是一种能够在协作性操作过程中使用的机器人，它能与人类一起在指定的工作区中同时进行生产操作。当然，这其中需要采取技术手段以避免协作机器人与操作员之间可能发生的碰撞。为此，在协作机器人中通常会使用多种传感器来确定操作员的确切位置和速度，常用的有飞行时间（ToF）光学传感器、毫米波雷达等。
ToF光学传感器依赖于ToF原理，将来自障碍物的反射光波与透射光波进行比较以测量延迟，该延迟可以表征两个物体之间的距离，然后，再利用这些数据创建物体的3D地图。Texas Instruments的OPT8320就属于3D ToF传感器，借助它，机器人能够确定螺钉的准确角度，然后微调螺丝刀以使螺钉始终对准，而无需人工干预。像OPT3101这样基于ToF的模拟前端可以帮助识别机械臂到目标的距离，并有助于精确定位。对于分辨率更高的3D传感，基于AM572x处理器并采用DLP结构光的3D机器视觉设计方案可将分辨率提高到微米级甚至更小。
毫米波雷达也是机器人中经常使用的一种传感技术。有了它，机器人可以根据物体接近传感器的速度采取更具预测性的操作。此外，毫米波雷达在黑暗中还具有出色的性能，能够穿透石膏板、塑料和玻璃等材质进行感应。过去，毫米波雷达比较昂贵且尺寸较大，需要多个分立组件。现在，以TI为代表的一些半导体企业已经将射频、处理器和内存等功能集成到一个单片CMOS芯片上，未来几年，毫米波雷达有望补充或取代传统的机器人传感技术。
那么，协作机器人和传统工业机器人，哪一个才是更好的选择？其实这也没什么好纠结的，主要取决于实际需要。传统的工业机器人可能更危险，需要更多的空间，但它们完全是为功率和速度而设计；而协作机器人更适合较慢的专业工作。传统工业机器人常常用于处理大型项目，几乎存在于所有行业，在需要速度和动力的大规模制造项目中；而协作机器人主要在特定项目中使用，它可能永远无法完全取代传统工业机器人。
此外，传统工业机器人普遍比较大，需要大量的固定和联锁工程控制，如控制器、末端执行器、夹持器、视觉系统。此外，不同于在围栏外操作的协作机器人，传统的工业机器人还需要额外的硬件，如固定装置、输送机和安全围栏。协作机器人比传统工业机器人的价格要低，安装也更容易，占用的空间也比较少。与传统的工业机器人相比，协作机器人的投资回报率较高。
不一样的服务机器人
按工作类型划分，机器人主要有三大类，即工业机器人、服务机器人以及特种机器人。特种机器人往往是针对一个特定领域、特定用途而设计的机器人。服务机器人是指从事非工业生产，可为人类日常生活提供有益服务的机器人。服务机器人通常具备半自主或全自主工作模式，可以认识周围环境，根据变化的环境信息进行自主思考，并做出反应，是多种技术集成的智能化装备。
同样是机器人，工业机器人和服务机器人的差别还是比较大的，主要体现在以下三个方面。
· 一是应用，这也是两种机器人的主要区别。服务机器人通常为人类执行有用的任务，但不是在工业环境中，比如服务机器人可以引导顾客逛商店，帮助顾客在银行存款等。工业机器人通常只适合于熟悉环境中的特定任务。
· 二是目标客户。购买工业机器人的客户以制造商为主，在他们的工厂里，工业机器人最典型的任务包括焊接、喷漆、装配、挑选和放置以及材料搬运等。服务机器人的目标客户大多是面向服务的企业，如零售商、酒店或医疗保健企业。
· 三是成熟度：与服务机器人相比，市场上的工业机器人要成熟得多。虽然服务机器人从50年代就出现了，但它们并没有大规模普及。
在许多方面，工业机器人的实现一直比较简单。因有灵活性和机动性的要求，服务机器人的设计、安装和维护往往更加困难。近年来，由于采用3D视觉技术和人工智能的导航系统，使得服务机器人在接近人类工人时变得更加安全，其应用也越来越普遍。
工业机器人的市场有多大？
在过去几年中，工业机器人行业一直处于上升趋势。据分析机构Mckinsey的数据，2012年至2017年期间，全球工业机器人的安装基数每年平均增长10%。2017年，全球机器人年发货量飙升至约38.1万台，是2012年的两倍多，许多肮脏、乏味或危险的工作现在都由机器人来承担。
随着技术的进步，现在大量机器人也能够处理极高精度的复杂任务，例如，带有激光视觉系统的机器人可以将车门精确地安装到车身上，这些改进促使企业更加重视工业机器人。IFR的“World Robot Report”数据显示，2017年，有200多万个工业机器人在工厂和其他商业场所工作。到2023年，预计装机基数可能达到约440万台（图1）。随着工业机械臂安装基数的增加，末端执行器制造商将获益匪浅。到2023年，机器人夹具和机械手末端组件夹具（EOAT）的市场规模预计将达到50亿美元左右，是2017年的两倍多。
图1：全球可操作工业机器人（左））以及机器人夹具和EOAT（右）市场增长情况（图源：Mckinsey）
机器人技术的发展势
在波士顿咨询公司（BCG）看来，所有类型的机器人公司应该关注以下三个方向，它们可能会影响未来十年机器人技术的发展。
1、专业服务机器人将主导该行业。目前，专业服务机器人只占市场的一小部分，波士顿咨询公司（BCG）预计，到2030年，全球机器人市场将从今年的250亿美元左右攀升至1600亿至2600亿美元之间，专业服务机器人的市场份额将达到1700亿美元，工业机器人和协作机器人的销售额将达到800亿美元左右。（见图2）
图2：到2030年，专业服务机器人将超越工业和协作机器人成为市场的主力（图源：IFR，MarketsandMarkets）
2、消费需求的变化将加速对先进机器人解决方案的需求。人口老龄化将导致更多人需要使用移动服务机器人来协助个人卫生、锻炼、送饭和其他工作。对回收和其他可持续性措施的日益重视将要求机器人承担复杂的拆卸和分拣任务。另外，机器人将越来越多地取代传统上工资较低、技能密集度较低的工作。
3、人工智能和其他技术进步将增强人与机器人之间的互动。在涉及机器智能、连接性和控制等方面，技术突破将扩大机器人的能力和应用范围，同时还能简化人机之间的交互。在最有希望的创新中，人工智能将允许机器人处理无监督、意外的情况；群体智能将增加移动机器人在位置上共享和改变任务的灵活性；成像系统将增强自主检查、分析和移动能力。
实用的机器人解决方案有哪些
随着技术的普及，我们相信许多客户将从购买核心机器人系统（如机械臂、控制器和机械臂末端执行器）转向购买更广泛的模块化系统，包括核心和边缘控制器、机器视觉软件等。因此，要求这些高级系统要易于部署，比如即插即用、只需很少或不需要编程，并且能够自行处理特定范围的任务。
机器人市场的发展，也在推高相关半导体解决方案的热度，一些芯片大厂都会将机器人作为一个重要的应用市场，推出针对性的解决方案。
01. 英飞凌工业机器人解决方案
工业机器人是工业4.0和未来工厂的关键推动力，它们正在革新全球的传统工业流程，使制造商能够以更高的质量和更低的成本提高生产力。随着机械安全围栏被基于传感器的虚拟围栏所取代，今天的工业机器人必须适应频繁变化的工作环境。这对机器人系统提出了极高的要求。工业机器人设计涉及多种部件，通常包括三个主要部分：一个控制箱，一个机械手和一个特定工具，安装在机器人手臂的顶部。控制箱由一个强大的运动控制器、几个运动驱动器、一个机器人控制器和电源组成。机械手一般由一组移动器或执行器、传感器和电子制动器组成，具体取决于机器人的类型。驱动器或执行器主要由电气伺服驱动器实现。运动控制器通常是机器人系统的核心所在，也是机器人制造商核心知识产权（IP）的关键所在。
英飞凌的工业机器人组件和系统解决方案非常适合作为一个整体的工业机器人。在电力电子元件方面，既有IGBT和CoolSIC MOSFET，也有覆盖多种功率范围的EiceDRIVER门驱动器解决方案，支持各种机器人有效载荷。CoolMOS和CoolSIC MOSFET和辅助电源解决方案CoolSET可以用作电源管理。PSoC微控制器可用于系统控制。为应对日益增长的安全关注，英飞凌推出的OPTIGA可信硬件安全方案，为机器人的安全提供了保障。
图3：工业机器人系统方框图，英飞凌可针对各模块提供丰富的产品（图源：英飞凌官网）
02. Texas Instruments机器人解决方案
Texas Instruments（TI）丰富的模拟和嵌入式产品以及参考设计可帮助工程师开发智能、自主和协作的机器人。Sitara处理器系列的SoC可满足从独立工业通信模块到系统分区的全功能多轴伺服驱动器的所有需求。图4显示了使用Sitara、Hercules和C2000微控制器系列中的不同处理器可以实现的解决方案。Sitara AMIC处理器包含PRU-ICSS子系统，并已针对独立的多协议工业通信模块进行了优化。
图4：适用于伺服驱动器的TI处理器产品
为了确保机器人能够耐受应用中的恶劣环境，在电源开关中需要采用隔离驱动器。TI拥有一个隔离式栅极驱动器系列UCC217x，其具有用于SiC MOSFET的快速集成式感应能力，充分利用了TI的电容隔离技术，最大限度延长绝缘栅的使用寿命，同时还提供高增强隔离等级、快速的数据速度和高密度封装。为保护控制系统免受热损坏，TI可提供广泛的温度开关和热敏电阻产品系列，例如TMP302、TMP390和TMP61。在电机驱动控制的使能技术上，TI可提供高频氮化镓（GaN）栅极驱动器和包含GaN开关和栅极驱动器的模块，AMC1306隔离式Δ-Σ调制器能将来自电流和其他传感器的信号进行数字化，并输出组合的数据和时钟信号，从而最大限度提高计时效率。
在机械臂和驱动系统（机械手）的设计中，TI提供了广泛的温度开关和热敏电阻产品组合，例如TMP303、TMP390和TMP61。TMP303使用窗口比较器，并通过超小尺寸、低功耗和低至1.4V的电源电压能力提供了设计灵活性，无需额外器件即可正常运行。总之，针对机器人各模块的设计需求，TI拥有全套的参考设计和相应的产品，这里不再一一赘述。
结语
机器人的安装量将在全球范围内强劲增长，特别是在中国，需求量将出现激增。2015年推出的“中国制造2025”计划，要求本地机器人产量从2020年的15万台增加到2030年的40万台。在国家层面，中国已成全球最具发展潜力的机器人市场。随着机器人的安装建设，Mckinsey预计，从2018年到2023年，中国对末端执行器的需求将以每年25%的速度增长。这一数字约占当年市场总增长的45%，超过了欧洲和北美的总和。2023年机械手和EOAT的51亿美元市值中，超过10亿美元将来自中国。
机器人是衡量一个国家科技创新能力和高端制造水平的重要标志之一。目前，汽车行业是最大的机器人安装基地，其次是电子行业，这些行业将继续领衔行业需求。如今，智能机器人和协作机器人正变得越来越协作，更具生产力，更智能，以承担复杂的任务。人机交互技术取得的突破，使得服务机器人逐步向智能化，人口老龄化趋势进一步加大了对服务机器人的需求。与之相关的先进的机器人技术和解决方案也将迎来发展的好时机。
