誰(shuí)在重塑工業(yè)機(jī)器人的未來(lái)？

圖源：jcomp/freepik.com

機(jī)

器

人

無(wú)論是在外科手術(shù)還是在制造車(chē)間，機(jī)器人都越來(lái)越多地成為日常生活和工業(yè)領(lǐng)域的一部分。根據(jù)機(jī)器人行業(yè)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，現(xiàn)在88%的企業(yè)計(jì)劃在其組織中投資增加機(jī)器人技術(shù)，全球約有300萬(wàn)個(gè)工業(yè)機(jī)器人在使用中，另外，每年將有近40萬(wàn)個(gè)新機(jī)器人進(jìn)入市場(chǎng)。

按收入計(jì)算，工業(yè)機(jī)器人行業(yè)的全球市值達(dá)到了438億美元。其中，汽車(chē)行業(yè)使用的工業(yè)機(jī)器人是所有行業(yè)中最多的，截至2017年，該行業(yè)共有近90萬(wàn)個(gè)機(jī)器人在使用，2021年，汽車(chē)行業(yè)新安裝了約9,782臺(tái)機(jī)器人，這個(gè)數(shù)量每年還在不斷增加。緊隨汽車(chē)行業(yè)之后工業(yè)機(jī)器人使用量較多的是電氣和電子行業(yè)以及塑料和化工行業(yè)。

圖1：機(jī)器人行業(yè)年度市場(chǎng)增長(zhǎng)情況

（圖源：Statista）

機(jī)器人的主要類型

市場(chǎng)上大多數(shù)的機(jī)器人都屬于工業(yè)機(jī)器人，這些機(jī)器為人類做各種工作，包括制造汽車(chē)、制造零件，甚至進(jìn)行外科手術(shù)。根據(jù)市場(chǎng)調(diào)研公司的數(shù)據(jù)，約87%的公司使用的是傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人，而74%的公司使用的是AGV（自動(dòng)導(dǎo)引車(chē)）。

經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人形成了較多的品類，歸納起來(lái)主要有固定機(jī)器人、自主移動(dòng)機(jī)器人（AMR）、自動(dòng)導(dǎo)引車(chē)（AGV）以及飛行機(jī)器人（無(wú)人機(jī)）和水下機(jī)器人等。

固定機(jī)器人（機(jī)械臂）

這是一種發(fā)展最早、應(yīng)用最廣泛的工業(yè)機(jī)器人。一般來(lái)說(shuō)，固定機(jī)器人是專為拾取和放置、分揀、組裝、焊接和精加工等任務(wù)而設(shè)計(jì)的機(jī)械臂。根據(jù)特性和用途劃分，目前市場(chǎng)上有七種主要類型的固定機(jī)器人，包括：鉸接式機(jī)械臂、笛卡爾或矩形機(jī)器人、SCARA機(jī)器人、球形機(jī)器人、德?tīng)査C(jī)器人、圓柱形機(jī)器人、協(xié)作機(jī)器人等。

下面我們將就這些機(jī)器人的具體特性以及優(yōu)缺點(diǎn)加以區(qū)分。

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01

鉸接式機(jī)械臂

對(duì)于工業(yè)機(jī)器人來(lái)說(shuō)，復(fù)制人類手臂和手的所有細(xì)微移動(dòng)方式將過(guò)于昂貴和復(fù)雜。目前業(yè)界的共識(shí)是，工業(yè)機(jī)器人手臂的6個(gè)自由度將足以完成幾乎任何需要的任務(wù)，或者說(shuō)，一個(gè)典型的鉸接式機(jī)械臂有六個(gè)軸或關(guān)節(jié)。

根據(jù)應(yīng)用和制造商的不同，這個(gè)數(shù)量可能有所不同。當(dāng)然，機(jī)器人的關(guān)節(jié)越多，其運(yùn)動(dòng)就越平穩(wěn)，也就越不像“機(jī)器人”。優(yōu)點(diǎn)：動(dòng)作靈活，能夠舉起重物；缺點(diǎn)：可能需要用柵欄隔開(kāi)，速度較慢，比其他機(jī)械臂更貴，需要更復(fù)雜的控制系統(tǒng)。

02

笛卡爾或矩形機(jī)器人

這些機(jī)器人使用笛卡爾坐標(biāo)系（X、Y和Z）沿著三個(gè)軸（向前和向后、向上和向下以及左右）進(jìn)行線性運(yùn)動(dòng)。所有三個(gè)關(guān)節(jié)都是平移的，這意味著關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)被限制在一條直線上。

笛卡爾機(jī)器人可用于拾取和放置、材料處理、包裝自動(dòng)化、存儲(chǔ)和檢索、切割和鉆孔以及更多應(yīng)用。優(yōu)點(diǎn)：控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單。根據(jù)型號(hào)的不同，可以舉起非常重的物體，且價(jià)格比鉸接式機(jī)械臂便宜。缺點(diǎn)：不能做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

03

SCARA機(jī)器人

SCARA機(jī)器人與笛卡爾機(jī)器人相似，它們?cè)?個(gè)關(guān)節(jié)或軸上移動(dòng)。然而，與笛卡爾機(jī)器人相比，SCARA機(jī)器人的兩個(gè)關(guān)節(jié)是旋轉(zhuǎn)的。因此，它們能夠進(jìn)行比笛卡爾機(jī)器人更復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)。

優(yōu)點(diǎn)：適用于許多裝配應(yīng)用，快速準(zhǔn)確，裝配操作具有成本效益。SCARA機(jī)器人的工作包絡(luò)是圓柱形的。缺點(diǎn)：不如鉸接式機(jī)械臂靈活，不如笛卡爾臂精確，沒(méi)有德?tīng)査C(jī)器人手臂那么快。

04

球形機(jī)器人

球形機(jī)器人是一種較老的技術(shù)，創(chuàng)建于20世紀(jì)50年代的第一個(gè)工業(yè)機(jī)器人就是一個(gè)球形機(jī)器人。有時(shí)可以用鉸接式機(jī)械臂取代。該種機(jī)器人由兩個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和一個(gè)線性關(guān)節(jié)組成，可用于注塑、噴漆、電弧焊和點(diǎn)焊。

優(yōu)點(diǎn)：控制系統(tǒng)比鉸接式機(jī)械臂更簡(jiǎn)單，可以有很長(zhǎng)的工作范圍。缺點(diǎn)：不如鉸接式機(jī)械臂靈活，通常需要相當(dāng)大的占地面積。

05

德?tīng)査C(jī)器人

德?tīng)査C(jī)器人也稱為平行機(jī)器人，有三個(gè)平行四邊形的機(jī)械臂，有時(shí)會(huì)在手臂末端放置旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，以增加其運(yùn)動(dòng)的靈活性。該機(jī)器人最初的設(shè)計(jì)目的是讓巧克力制造商能夠拾取巧克力塊并將其放入盒子中。

優(yōu)點(diǎn)：用于拾取和放置操作的機(jī)械臂速度很快，關(guān)節(jié)和手臂非常輕，能實(shí)現(xiàn)高速和精確的操作。

缺點(diǎn)：不能攜帶重型有效載荷，限制了臂端工具（EoAT）的類型及其可以處理的任務(wù)，且不適合在垂直平面中處理任務(wù)。

06

圓柱形機(jī)器人

圓柱形機(jī)器人在底座上至少有一個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和兩個(gè)線性關(guān)節(jié)。它通常用于狹小的工作空間，非常適合需要圓形對(duì)稱的物體（如電線、管道），如磨削、裝配和點(diǎn)焊等應(yīng)用。

優(yōu)點(diǎn)：精確度高。缺點(diǎn)：技術(shù)陳舊，運(yùn)動(dòng)靈活性有限。

07

協(xié)作機(jī)器人（Cobot）

Cobot可在安全的工作環(huán)境中實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，而不需要圍欄或傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用中采取的其他安全措施。

優(yōu)點(diǎn)：能夠安全地與人一起工作，且操作員能夠在不必編寫(xiě)編程代碼的情況下教機(jī)器人手臂進(jìn)行動(dòng)作，具體過(guò)程是操作員只需抓住機(jī)器人手臂，按照機(jī)器人需要的方式進(jìn)行物理移動(dòng)，然后，機(jī)器人手臂即可復(fù)制演示的動(dòng)作。缺點(diǎn)：力量和速度有限，不適合重型應(yīng)用或非常高速的任務(wù)。

自主移動(dòng)機(jī)器人（AMR）

自主移動(dòng)機(jī)器人代表了工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)中一個(gè)快速增長(zhǎng)的細(xì)分市場(chǎng)，它們有多種形狀和尺寸。手推車(chē)或帶輪子的車(chē)輛形式的AMR通常用于在工廠或倉(cāng)庫(kù)設(shè)施內(nèi)運(yùn)輸貨物，它們配備了傳感器、車(chē)載計(jì)算能力和電動(dòng)機(jī)，使其能夠在設(shè)施周?chē)苿?dòng)并創(chuàng)建設(shè)施的內(nèi)部地圖。一旦創(chuàng)建了內(nèi)部地圖，就可以向AMR指示其需要前往的目的地。

AMR的一個(gè)關(guān)鍵特征是，它們可以“自主”地從一個(gè)地方移動(dòng)到另一個(gè)地方，同時(shí)避開(kāi)沿途的障礙，甚至可以規(guī)劃一條全新的路線到達(dá)目的地。隨著計(jì)算機(jī)視覺(jué)、人工智能和抓取技術(shù)的進(jìn)步，使得機(jī)器人對(duì)機(jī)器人（robot-to-robot）的協(xié)作成為可能。在這種情況下，輪式推車(chē)AMR將貨物帶到機(jī)械臂上，關(guān)節(jié)式機(jī)械臂再將貨物放到指定位置。

自動(dòng)導(dǎo)引車(chē)（AGV）

AGV通常采用帶輪子的車(chē)輛形式，是一種比AMR更古老的技術(shù)。它們的機(jī)載智能較少，因此不如AMR那樣具有自主性，不具備繪制設(shè)施地圖的能力。相反，它們依賴于為自己制定的道路，路徑由放置在地板上的導(dǎo)引線、特殊膠帶或其他類型的導(dǎo)軌定義。如果AGV在行駛途中遇到障礙，它只能停下來(lái)尋求幫助。隨著AGV被賦予了更多的車(chē)載計(jì)算能力，AGV和AMR之間的區(qū)別正變得越來(lái)越模糊。

壓力傳感器在醫(yī)療電子中的應(yīng)用非常廣泛，可用在輸液泵、血壓計(jì)和睡眠呼吸暫停機(jī)等設(shè)備中。TE的FX29是一種緊湊型壓力傳感器，在具有毫伏、模擬或數(shù)字輸出信號(hào)的堅(jiān)固的傳感器系列中展現(xiàn)出了出色的性價(jià)比，并針對(duì)嵌入式力傳感應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化，包括一次性醫(yī)療設(shè)備和健身器材。

飛行機(jī)器人（無(wú)人機(jī)）

無(wú)人機(jī)（UAV）正在越來(lái)越多地被用于各種工業(yè)目的。根據(jù)設(shè)計(jì)，工業(yè)無(wú)人機(jī)可以是一種自主移動(dòng)機(jī)器人（AMR），一些型號(hào)能自動(dòng)檢測(cè)并避開(kāi)障礙物，獨(dú)立導(dǎo)航至目的地。現(xiàn)在，一些工業(yè)無(wú)人機(jī)被賦予了很多任務(wù)，包括飛越露天采礦作業(yè)或基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目、監(jiān)控建筑項(xiàng)目的進(jìn)展、進(jìn)行倉(cāng)庫(kù)庫(kù)存管理等。

水下機(jī)器人

用于水下的機(jī)器人種類繁多，一些水下機(jī)器人被設(shè)計(jì)成自主的（自動(dòng)水下航行器AUV），一些則被設(shè)計(jì)成有線或無(wú)線遠(yuǎn)程控制。水下機(jī)器人可用于海洋石油平臺(tái)、管道的檢查和科學(xué)研究，其他應(yīng)用包括使用水下機(jī)器人檢查橋梁底部、水電大壩進(jìn)水口和珊瑚礁等。

工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)有多大？

人類的工作會(huì)被工業(yè)機(jī)器人取代嗎？目前來(lái)看，只有那些重復(fù)性工作將逐漸被機(jī)器人所取代，而高智商、需要?jiǎng)?chuàng)造力的工作則很難被機(jī)器人代替。在快餐店做薯?xiàng)l、焊接、駕駛火車(chē)和回答基本的客戶服務(wù)問(wèn)題這些重復(fù)性工作對(duì)機(jī)器人來(lái)說(shuō)相對(duì)容易接管。

據(jù)估計(jì)，到2025年，機(jī)器人將取代目前由人類占據(jù)的8,500萬(wàn)個(gè)工作崗位。由于機(jī)器人通常能勝任入門(mén)級(jí)職位所需的基本任務(wù)，這一變化也將為人類開(kāi)辟更多高級(jí)管理崗位。

最近幾年，機(jī)器人行業(yè)正以相對(duì)較快的速度增長(zhǎng)，全球約有300萬(wàn)臺(tái)工業(yè)機(jī)器人在使用中。另?yè)?jù)Statista的數(shù)據(jù)，到2024年，全球工業(yè)機(jī)器人出貨量預(yù)計(jì)將達(dá)到51.8萬(wàn)臺(tái)，高于2020年的39.4萬(wàn)臺(tái)。

根據(jù)2020年11月Reportlinker的一份報(bào)告，工業(yè)機(jī)器人在制造業(yè)和工業(yè)設(shè)施中的使用迅速擴(kuò)大，是最大的機(jī)器人細(xì)分市場(chǎng)。預(yù)計(jì)到2025年將從2020年的766億美元增長(zhǎng)到1,768億美元，復(fù)合年增長(zhǎng)率為18.2%。這一增長(zhǎng)主要是由制造商推動(dòng)的。

工業(yè)機(jī)器人中的電機(jī)驅(qū)動(dòng)與控制

機(jī)器人是一個(gè)多元化的行業(yè)，運(yùn)動(dòng)是機(jī)器人功能的一部分，電機(jī)可將機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)勢(shì)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。一些機(jī)器人的部件與人類相似，例如：手臂、手腕、手等。使用的主要運(yùn)動(dòng)形式包括：手臂的垂直、徑向和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；手腕的俯仰、滾轉(zhuǎn)和偏航；從一個(gè)地方移動(dòng)到另一個(gè)地方的運(yùn)動(dòng)能力。

機(jī)器人的每個(gè)動(dòng)作以及可移動(dòng)部分都需要某種類型的電機(jī)支持。所使用的電機(jī)類型從注重轉(zhuǎn)矩的交流電機(jī)到需要更多角度控制的步進(jìn)電機(jī)。在兩者之間，可選擇有刷直流電機(jī)，這種電機(jī)具有成本效益且簡(jiǎn)單，但效率低且易磨損。

目前優(yōu)秀的替代方案是采用無(wú)刷直流（BLDC）電機(jī)，它的效率更高，與使用機(jī)械開(kāi)關(guān)的有刷電機(jī)相比，BLDC電機(jī)沒(méi)有機(jī)械開(kāi)關(guān)，而是使用帶刷的旋轉(zhuǎn)電樞進(jìn)行電氣連接。運(yùn)動(dòng)部件的減少使BLDC電機(jī)的使用壽命更長(zhǎng)，僅受滾珠軸承磨損的限制。因?yàn)闆](méi)有電刷，BLDC電機(jī)還表現(xiàn)出優(yōu)異的耐用性和低噪聲特性。德國(guó)航空航天中心的David機(jī)器人就擁有76個(gè)BLDC電機(jī)和165個(gè)位置傳感器，它的工作速度和能力幾乎與人類相當(dāng)。

電機(jī)控制是一個(gè)非常活躍的研究領(lǐng)域，所有領(lǐng)先的半導(dǎo)體供應(yīng)商都在不斷開(kāi)發(fā)新的產(chǎn)品以提供更高效的電機(jī)控制。

1?

STSTEVAL-SPIN3201

STMicroelectronics的STSPIN32F0無(wú)刷直流控制器是一款系統(tǒng)級(jí)封裝器件，提供了適用于不同驅(qū)動(dòng)模式的三相BLDC電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案。器件有三個(gè)半橋式柵極驅(qū)動(dòng)，電流容量為600mA，能夠驅(qū)動(dòng)功率MOSFET或IGBT。由于集成的互鎖功能，不能同時(shí)打開(kāi)同一半橋的高、低側(cè)開(kāi)關(guān)。

此外，器件內(nèi)部的3.3V DC/DC降壓轉(zhuǎn)換器可為MCU和外部元件供電，而其內(nèi)部的LDO線性穩(wěn)壓器則可為柵極驅(qū)動(dòng)器供電。集成的MCU（STM32F031C6）能夠?qū)崿F(xiàn)電機(jī)磁場(chǎng)矢量控制（FOC）、6步無(wú)傳感器等其它先進(jìn)的驅(qū)動(dòng)算法，包括速度控制環(huán)等。同時(shí)，STSPIN32F0器件具有的過(guò)溫和欠壓鎖定保護(hù)功能，可將器件置于待機(jī)模式，以減少功耗。

STEVAL-SPIN3201是一款基于STSPIN32F0和STD140N6F7 MOSFET的三相BLDC電機(jī)驅(qū)動(dòng)板，為低壓電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用提供了一種經(jīng)濟(jì)簡(jiǎn)易的解決方案。

圖2：STEVAL-SPIN3201三相BLDC電機(jī)驅(qū)動(dòng)板

（圖源：STMicroelectronics）

BLDC提供了高效率，在許多應(yīng)用中使用了出色的扭矩和速度值。扭矩代表電機(jī)的旋轉(zhuǎn)力大小，BLDC的主要設(shè)計(jì)宗旨是優(yōu)化轉(zhuǎn)矩。速度和扭矩由瞬態(tài)的開(kāi)/關(guān)持續(xù)時(shí)間比控制。通常，采用用于驅(qū)動(dòng)繞組的PWM信號(hào)的形式。單相、兩相和三相電機(jī)的使用使這種情況更加復(fù)雜。尤其是當(dāng)控制器在低電流信號(hào)下工作時(shí)，電機(jī)需要高電流量。因此，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器要能夠獲取低電流控制信號(hào)，然后將其轉(zhuǎn)換為可以驅(qū)動(dòng)電機(jī)的高電流信號(hào)。

2?

TIDRV8313

Texas Instruments的DRV8313是一款最大電壓為65V的3A峰值三相電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，提供三個(gè)可獨(dú)立控制的半H橋驅(qū)動(dòng)器。雖然也可被用于驅(qū)動(dòng)螺線管或其它負(fù)載，但它主要用于驅(qū)動(dòng)一個(gè)三相BLDC電機(jī)。每個(gè)輸出的驅(qū)動(dòng)通道包含采用半H橋配置的功率N-MOSFET。這個(gè)設(shè)計(jì)將每個(gè)驅(qū)動(dòng)器的接地端子接至引腳，以在每個(gè)輸出上執(zhí)行電流感測(cè)。此外，該器件還具備過(guò)流保護(hù)、短路保護(hù)、欠壓閉鎖和過(guò)溫保護(hù)的內(nèi)部關(guān)斷功能。

圖3：DRV8313評(píng)估版為在梯形換向中運(yùn)行三相BLDC電機(jī)提供了一種經(jīng)濟(jì)高效的無(wú)傳感器解決方案（圖源：Mouser）

電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的目標(biāo)是確保正確的電機(jī)控制，以便在應(yīng)用中相應(yīng)地控制電機(jī)的速度和方向。微控制器（MCU）非常適合用于開(kāi)發(fā)直流（和交流）電機(jī)高效控制回路所需的計(jì)算功能。

3?

Renesas RL78/G14

現(xiàn)在，許多半導(dǎo)體供應(yīng)商開(kāi)始大量提供以BLDC電機(jī)控制為目標(biāo)的MCU，例如，Renesas Electronics的RL78/G14系列微控制器(MCU)就是一款多功能通用微控制器，適合用于電機(jī)控制、工業(yè)和計(jì)量應(yīng)用，在低功耗電流和高計(jì)算性能之間實(shí)現(xiàn)了平衡。RL78/G14 MCU的內(nèi)置多功能定時(shí)器通過(guò)三相互補(bǔ)PWM輸出支持三相電機(jī)控制。此外，RL78/G14系列還集成了片上振蕩器、數(shù)據(jù)閃存、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)模轉(zhuǎn)換器以及比較器等電路。

圖4：RL78/G14系列微控制器

（圖源：Renesas Electronics）

人工智能與工業(yè)機(jī)器人

人工智能可能會(huì)給工業(yè)機(jī)器人帶來(lái)更強(qiáng)的自主性，使它們能夠在零人工輸入的情況下自我糾正、學(xué)習(xí)和改進(jìn)，從而提升機(jī)器人在行業(yè)中的價(jià)值。遺憾的是，截至2021年，我們?cè)谛袠I(yè)中還無(wú)法看到真正的人工智能機(jī)器人。不過(guò)，Market research Future（MRFR）的一份綜合研究報(bào)告《人工智能機(jī)器人市場(chǎng)按產(chǎn)品、類型、技術(shù)和應(yīng)用——2030年預(yù)測(cè)》則給出了樂(lè)觀的估計(jì)，報(bào)告預(yù)計(jì)人工智能機(jī)器人市場(chǎng)將在2022年至2030年期間以約22.30%的復(fù)合年增長(zhǎng)率快速增長(zhǎng)，到2030年底估值將達(dá)到約445億美元。

人工智能和其他技術(shù)進(jìn)步將增強(qiáng)人與機(jī)器人的互動(dòng)，在涉及機(jī)器智能、連接和控制的技術(shù)方面迅速取得突破將擴(kuò)大機(jī)器人的能力和范圍，同時(shí)簡(jiǎn)化人機(jī)交互。在最有前途的創(chuàng)新中，人工智能將使機(jī)器人能夠處理無(wú)人監(jiān)督的意外情況。同時(shí)，群體智能將增加移動(dòng)機(jī)器人在位置上共享和更改任務(wù)的靈活性。成像系統(tǒng)將增強(qiáng)機(jī)器人的自主檢查、分析和移動(dòng)能力。機(jī)器人技術(shù)具有巨大的上行潛力，人工智能機(jī)器人的能力會(huì)更加令人驚嘆。

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