协作机器人：工厂自动化的“新宠”
作者: 安富利公司
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，生产力则推动盈利。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的需求日益增长，传统机器人的局限性逐渐显现。
近年来出现了一种新趋势——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清新之风，代表了自动化技术的一个新方向。
协作机器人：打破传统，共创未来工厂
协作机器人自2000年代初开始受到认可。协作机器人的最大特点是其与人类工人的协同工作能力。它们设计用于直接与人类共享工作空间，而无需传统工业机器人那样的安全栅栏或隔离措施。在很多现代化工厂中，协作机器人不再是单纯的机械替代，而是成为人类工作者的“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。
过去10年间，协作机器人经历了显著的增长，预计这一趋势将持续下去。据分析机构Grand View Research预测，从2023年到2030年，这项技术的复合年增长率（CAGR）将达到32%，全球市场规模将从当年的15.8亿美元增长到2030年的110.4亿美元。
具体到中国市场也是一样，在技术进步的带动、市场需求的牵引以及国家利好政策的支持等因素的共同推动下，协作机器人产业稳步发展，市场规模不断扩大。据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，预计至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60亿元人民币。尤其是在工业生产领域，协作机器人扮演着非常重要的角色，将成为制造业向智能化、自动化转型升级的重要推手，有着广阔的应用前景。
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。举例来讲，早在数年前推出的ABB YuMi 14轴双臂协作机器人，改变了机器人和自动化世界。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，使其能够执行通常需要多个机器人或人类操作员的复杂任务。
ABB YuMi
考虑到协作机器人对高精度和灵活性的追求，在设计时需要采用多轴电机控制。为此，安富利的行业合作伙伴意法半导体开发了，由基于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，可以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。STEVAL-ETH001V1能够提供最大700 W的输出功率，同时支持Ethercat实时通信协议和正交编码器接口。
尤其值得关注的是，安富利还与意法半导体针对马达控制应用，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解决方案。
STEVAL-ETH001V1套件
协作机器人的主要优势在于它们能够执行重复性高、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，例如汽车、电子、食品和药品制造，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。它们的多功能性和易于部署的特性，使得企业能够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提高了工作效率，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，实现更细致的控制和更高效的工作流程。
此外，实时性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。TSN （Time-Sensitive Network，TSN）的引入为协作机器人技术等领域的实时应用带来了巨大的潜力和机会。例如， TSN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；与此同时，TSN还可以实现机器人之间的实时协作和协调，提高机器人系统的灵活性和响应能力。
在这方面，安富利的行业合作伙伴之一恩智浦提供的解决方案组合，可为推进自动化的安全网络设备提供基础器件，包括功能丰富的微控制器（例如i.MX RT1180）、带有集成安全和离散安全元件的处理器（例如LS1028A）、软件堆栈和开发板（例如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，能够助力实现协作机器人的无缝连接和安全互操作性。
协作机器人：安全是重中之重
关于协作机器人，首要考虑的问题往往是：它们是否安全地与人类共同工作？2016年发布的ISO/TS 15066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。通过遵循这些标准，制造商能够设计出既能高效协作又能确保人类同事安全的机器人。
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，需要考虑以下四个关键方面：
1.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，毫米波雷达等等。其中，Vishay（威世）的RAME系列旋转磁绝对值位移编码器，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，适合于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。意法半导体的VL53L4CD TOF 支持1.3m的超精准距离测量、1.8度FOV，具有优秀的短距离线性度 (>0.1cm)，可用于障碍物检测。
2.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，可以快速实现智能决策。
瑞萨电子的RZ/A2M 机器人解决方案采用 Arm® Cortex®-A9 CPU，专为需要高速图像处理的基于 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。该解决方案提供了适用于机器人的先进技术，将人工智能 (AI) 引入了机器人终端, 如工业机器人和机器人通信。
3.力量限制： 通过对机械臂的力量和速度进行限制，确保即使发生意外接触也能最大程度地降低造成的伤害。
针对这一要求，力/扭矩传感器能够为机器人提供了灵敏的触觉，可以对机器人手臂上的力量进行监控，也可以来检测正常的负载变化扭矩，以及通过检测外部力矩的快速变化识别出异常，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，提高了准确性和速度，可用于机器人训练和安全控制。
4.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使得工人更容易与机器人沟通和协作。
完美回应此种需求，安富利的行业合作伙伴英飞凌提供的BGT60LTR11AIP ，是一款完全集成的Motion传感器，包括封装天线（AIP）以及内置的Motion和Direction检测器，且无需外部MCU，即可实现从0.5米到7米的可配置检测范围，主要用于人机互动、手势识别等。此外，英飞凌的XENSIV™MEMS麦克风，旨在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。
在这个自动化不断演进的时代，协作机器人的智能化和自主性正成为关键趋势。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更加独立地学习和适应，能够自动执行更复杂的任务。此外，随着物联网（IoT）技术的日益普及，协作机器人将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，从而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和最终用户采用人工智能和高速连接等赋能技术的速度和效果。安富利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，提供先进的技术和解决方案支持，以满足客户、供应商和合作伙伴的需求。
安富利为推动物联网特别是工厂自动化稳步向前发展，做出了持续不懈的努力，也得到了业界的广泛认可。近期，在“物联之星”2023中国物联网行业年度榜单评选中，安富利旗下子公司安富利电子科技（深圳）有限公司荣登2023年度中国物联网企业100强。这份荣誉既是对安富利长期以来凭借自身深厚的技术积淀和丰富的行业经验以及强大的设计连和供应链服务，为推动物联网产业的发展做出卓越贡献的肯定，也是对未来安富利持续携手业内合作伙伴通过技术和应用创新，为工业自动化乃至整个物联网领域向智能化方向坚实迈进，贡献新质生产力的激励。
作为全球领先的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。依托丰富的原厂资源、OEM客户群及合作伙伴，以及强大的产业链整合能力，安富利能够为客户提供端到端的一站式解决方案。从包含智能传感器在内的各种半导体器件，到能够支持客户做基于云端的数据分析和价值挖掘的定制解决方案，再到辅助决策的AI模型，以及设计链服务，涵盖的范围非常广泛。
结语
在劳动力成本上升、劳动力短缺，以及提高生产率的持续需求的大环境下，协作机器人展现出巨大的成长潜力。ISO/TS 15066标准的引入和近二十年来对协作机器人的深入研究与应用，这些标准和经验的累积使得协作机器人的应用更加安全和有效，同时也推动了这些系统的不断完善。
展望未来，协作机器人的更多采用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。这不仅改善了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。
