突破物理束縛，協(xié)作機(jī)器人助力實(shí)現(xiàn)真正的柔性生產(chǎn)

工業(yè)機(jī)器人

機(jī)器人在工業(yè)生產(chǎn)制造中有著重要的應(yīng)用。通過機(jī)器人對(duì)人工的替代，不僅可以提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，同時(shí)也能降低生產(chǎn)成本并避免人工在高危作業(yè)環(huán)境下受到傷害。當(dāng)然，隨著產(chǎn)品推陳出新的速度加快，加上客制化需求明顯增加，工業(yè)機(jī)器人的主要任務(wù)也在發(fā)生著悄然的變化：傳統(tǒng)完成搬運(yùn)、焊接和噴涂的單一功能機(jī)器人適應(yīng)能力越來越差，而協(xié)作機(jī)器人則成為行業(yè)新寵。

協(xié)作機(jī)器人的出現(xiàn)，創(chuàng)造出了一種全新的工業(yè)自動(dòng)化模式，它比傳統(tǒng)機(jī)器人更便宜、更易于部署，并且有著更高的安全性。

根據(jù)Interact Analysis的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，由于協(xié)作機(jī)器人早期使用者已經(jīng)證明這一模式的正確性，并且得到了很好的效益回報(bào)，因此未來幾年協(xié)作機(jī)器人的部署將會(huì)變得非常普遍，在全球機(jī)器人市場(chǎng)的滲透率將從現(xiàn)在的5%快速提升到2027年的30%。

圖1：全球協(xié)作機(jī)器人滲透率提升

（圖源：貿(mào)澤電子）

協(xié)作機(jī)器人在設(shè)計(jì)過程中比傳統(tǒng)機(jī)器人需要更多的考慮，后者基本只關(guān)注高速、高效和精準(zhǔn)性，而協(xié)作機(jī)器人在此基礎(chǔ)上增加了安全性、協(xié)作性、易用性和經(jīng)濟(jì)性的考量，使其能夠以更低的硬件成本和部署成本，和現(xiàn)場(chǎng)人工進(jìn)行配合工作，這是實(shí)現(xiàn)高效柔性生產(chǎn)的關(guān)鍵。

當(dāng)然，打造這樣的協(xié)作機(jī)器人就需要更先進(jìn)的元器件支持，本文我們將會(huì)選取幾款貿(mào)澤電子在售的元器件產(chǎn)品，看看它們?cè)趨f(xié)作機(jī)器人設(shè)計(jì)過程中發(fā)揮著怎樣的作用。

協(xié)作機(jī)器人真正的推動(dòng)因素

柔性生產(chǎn)

協(xié)作機(jī)器人作為一個(gè)新興的機(jī)器人品類，如上所述，設(shè)計(jì)之初的目的是降低傷害風(fēng)險(xiǎn)，讓機(jī)器人和人類能夠更安全、簡(jiǎn)單地交互，具備輕量化、靈活性高、安全可靠、簡(jiǎn)單易上手和易于編程等顯著優(yōu)點(diǎn)。

不過，在協(xié)作機(jī)器人面世的初期階段，市場(chǎng)反饋并不熱烈，原因在于當(dāng)時(shí)的生產(chǎn)任務(wù)主要以品類單一、批量大和功能相對(duì)簡(jiǎn)單為主，傳統(tǒng)機(jī)器人具有裝備專用、技藝平穩(wěn)的特點(diǎn)，有著不錯(cuò)的生產(chǎn)效率，因此制造商沒有太大的動(dòng)力去更改產(chǎn)線。

隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，人們對(duì)商品的功能、體驗(yàn)、品質(zhì)有了更高的要求，就連汽車都開始推出消費(fèi)者個(gè)性化定制的服務(wù)。這時(shí)再看傳統(tǒng)機(jī)器人，其工作任務(wù)調(diào)校需要現(xiàn)場(chǎng)工程師、編程人員和產(chǎn)品經(jīng)理花費(fèi)數(shù)周，甚至是數(shù)月的時(shí)間，等到這些都做完后，商機(jī)早已錯(cuò)過。

因此，真正讓協(xié)作機(jī)器人需求量大漲的原因是柔性生產(chǎn)逐漸成為主流。作為一種富有彈性和高度靈活的生產(chǎn)方式，柔性生產(chǎn)以市場(chǎng)需求為導(dǎo)向，按需生產(chǎn)、彈性供應(yīng)，從而滿足消費(fèi)者的個(gè)性化和定制化需求。

柔性生產(chǎn)的“柔性”二字具有多個(gè)維度，包括設(shè)備柔性、工藝柔性、產(chǎn)品柔性、擴(kuò)展柔性、運(yùn)行柔性和維護(hù)柔性等。其中，設(shè)備柔性是重要的樞紐，因此協(xié)作機(jī)器人能夠在其中發(fā)揮巨大的價(jià)值。

協(xié)作機(jī)器人分為軟硬件兩部分，不過在易于使用的背后，協(xié)作機(jī)器人的軟硬件其實(shí)都更加復(fù)雜。協(xié)作機(jī)器人的硬件分為機(jī)體和控制系統(tǒng)兩部分：機(jī)體主要包括底座、下框架、上框架、手臂、手腕體、手腕附件等；控制系統(tǒng)是協(xié)作機(jī)器人的大腦和神經(jīng)，包括控制芯片、伺服電機(jī)、減速器、傳感器等，這些器件配合在一起便能夠根據(jù)程序執(zhí)行非常復(fù)雜的操作，而且非常安全。

圖2：一種協(xié)作機(jī)器人的控制系統(tǒng)

（圖源：國(guó)家專利網(wǎng)；發(fā)明人：王龍祥、肖海峰）

協(xié)作機(jī)器人軟件系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)是可以非常容易地進(jìn)行修改，即使沒有編程經(jīng)驗(yàn)的操作員也可以快速設(shè)置和操作。為了操作簡(jiǎn)單，用戶界面一般可以直接呈現(xiàn)在平板電腦或者其它手持設(shè)備上?，F(xiàn)階段，協(xié)作機(jī)器人已經(jīng)能夠和CorePro、PHM、AMMS等知名的工業(yè)智能系統(tǒng)進(jìn)行融合，以做到系統(tǒng)性調(diào)度和人機(jī)協(xié)作。

綜合而言，協(xié)作機(jī)器人為柔性生產(chǎn)帶來了四大智能化能力，分別是智能感知、智能控制、智能診斷和智能決策。有了這些能力，協(xié)作機(jī)器人在整個(gè)生產(chǎn)場(chǎng)景中實(shí)際上就可以脫離物理束縛，和人類友好地共處。

有了協(xié)作機(jī)器人，我們看到傳統(tǒng)需要大量人工完成的工作都可以讓機(jī)器人去做。比如柔性物流，協(xié)作機(jī)器人可以自主完成卸貨、轉(zhuǎn)運(yùn)、碼垛、上料等工作。再比如柔性焊接，過往焊接主要靠人工焊接和“龍門焊接”方式，人工焊接限制大、不可靠，“龍門焊接”可靠但不靈活；協(xié)作機(jī)器人則可以根據(jù)不同金屬材料、不同焊接材料、不同焊接位置靈活調(diào)整。

總結(jié)而言，協(xié)作機(jī)器人和柔性生產(chǎn)是共同促進(jìn)的，在人力成本不斷上升的情況下，其價(jià)值會(huì)愈發(fā)凸顯。下面，我們就來看一下哪些元器件在打造協(xié)作機(jī)器人時(shí)能夠發(fā)揮大價(jià)值。

讓協(xié)作機(jī)器人實(shí)現(xiàn)

更好運(yùn)動(dòng)效果的慣性模塊

如果要用兩個(gè)形容詞來描述協(xié)作機(jī)器人，那么功能強(qiáng)大和小巧靈活肯定是很多人認(rèn)可的詞匯。要想打造這樣的協(xié)作機(jī)器人，能夠提供感知能力的傳感器就顯得非常重要。

比如，上述提到的協(xié)作機(jī)器人的硬件，其中機(jī)體上的手臂和手腕體里就容納了大量的傳感器，這些傳感器有的用于力量控制，有的用于狀態(tài)檢測(cè)，還有的用于運(yùn)動(dòng)控制等等。

實(shí)際上，一款協(xié)作機(jī)器人水平的高低和傳感器有非常大的關(guān)系，其高精度、靈活性、安全性和高效率都和傳感器息息相關(guān)。

我們知道現(xiàn)在六軸協(xié)作機(jī)器人非?；?，它通過模仿人類的手臂運(yùn)動(dòng)方式，可以在各種環(huán)境下進(jìn)行高度靈活的操作，是目前主流的協(xié)作機(jī)器人。

下面這款慣性模塊便非常適用于打造六軸協(xié)作機(jī)器人，來自制造商STMicroelectronics，貿(mào)澤電子官網(wǎng)上該器件的料號(hào)為ISM330ISNTR。

ISM330IS和ISN330ISN

iNEMO慣性模塊

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圖3：ISM330ISNTR

（圖源：貿(mào)澤電子）

STMicroelectronics的ISM330IS和ISN330ISN iNEMO慣性模塊是系統(tǒng)級(jí)封裝器件，包含一個(gè)三軸數(shù)字加速度計(jì)和一個(gè)三軸數(shù)字陀螺儀。并且，該套件提供一個(gè)傳感器中樞，可以進(jìn)一步嵌入四個(gè)外部傳感器。

通過嵌入式ISPU（智能傳感器處理單元），該器件能夠以非常低的功耗在邊緣端進(jìn)行傳感器信號(hào)處理和執(zhí)行AI算法。ISPU是一個(gè)高性能的可編程核心，通過C語言進(jìn)行編程，并具有增強(qiáng)型生態(tài)系統(tǒng)（帶各種庫(kù)和第三方工具/IDE）。

圖4：ISM330IS和ISN330ISN iNEMO

慣性模塊內(nèi)部框圖

（圖源：STMicroelectronics）

除了可編程和可擴(kuò)展特性，ISM330IS和ISN330ISN iNEMO慣性模塊具有的另一個(gè)特色性能是提供可選量程，這些模塊的滿量程加速度范圍為±2/±4/±8/±16g，角速率范圍為±125/±250/±500/±1000/±2000dps；此外，這些模塊具有出色的低功耗特性，高性能模式下的電流消耗為0.59mA，并且具有常開的低功耗特性，低功耗模式下的電流消耗為0.46mA（僅陀螺儀+加速度計(jì)，不包括ISPU）。

基于這些出色的特性，ISM330IS和ISN330ISN iNEMO慣性模塊能夠助力實(shí)現(xiàn)具有出色運(yùn)行性能的工業(yè)協(xié)作機(jī)器人。

了解協(xié)作機(jī)器人

狀態(tài)信息的運(yùn)動(dòng)傳感器

協(xié)作機(jī)器人能夠獨(dú)立完成工作任務(wù)，也能夠和人工合作完成大量復(fù)雜的工作任務(wù)，當(dāng)然前提是協(xié)作機(jī)器人處于一個(gè)良好的工作狀態(tài)下。為了讓協(xié)作機(jī)器人盡量不出現(xiàn)宕機(jī)狀態(tài)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)協(xié)作機(jī)器人的狀態(tài)信息是很有必要的。

出于全面了解協(xié)作機(jī)器人工作狀態(tài)的目的，研發(fā)人員采取了很多手段，比如通過PLC或組態(tài)軟件對(duì)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)；通過傳感器獲取協(xié)作機(jī)器人各個(gè)關(guān)鍵組件和整體的狀態(tài)量；還有通過三維仿真進(jìn)行模擬來進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)等。

下面我們推薦一款能夠進(jìn)行傳感器信息監(jiān)測(cè)的MEMS數(shù)字輸出運(yùn)動(dòng)傳感器，同樣是來自制造商STMicroelectronics，貿(mào)澤電子官網(wǎng)上該器件的料號(hào)為IIS2DLPCTR。

IIS2DLPCMEMS

數(shù)字輸出運(yùn)動(dòng)傳感器

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圖5：IIS2DLPC MEMS數(shù)字輸出運(yùn)動(dòng)傳感器

（圖源：貿(mào)澤電子）

IIS2DLPC MEMS數(shù)字輸出運(yùn)動(dòng)傳感器是一款超低功耗、高性能、三軸線性加速度計(jì)。在超低功耗方面，掉電模式下器件功耗僅為50nA，有源低功耗模式下器件功耗低于1μA，高性能模式下器件功耗為120μA；在高性能方面，IIS2DLPC具有用戶可選的±2g/±4g/±8g/±16g滿量程，能夠測(cè)量1.6Hz至1600Hz輸出數(shù)據(jù)速率的加速度，并提供高達(dá)800Hz的帶寬；IIS2DLPC具有專用的內(nèi)部引擎，用于處理運(yùn)動(dòng)和加速度檢測(cè)，包括自由落體、喚醒、高度可配置的單/雙擊識(shí)別、活動(dòng)/不活動(dòng)、靜止/運(yùn)動(dòng)檢測(cè)、縱向/橫向檢測(cè)和6D/4D定向。

IIS2DLPC設(shè)有數(shù)字I²C/SPI輸出接口，僅有低至90μg/√Hz的超低噪聲。另外，IIS2DLPC提供32級(jí)FIFO和2個(gè)獨(dú)立的可編程中斷，允許用戶存儲(chǔ)數(shù)據(jù)以減少主處理器的干預(yù)。用戶還可通過嵌入式自檢功能檢查傳感器在終端應(yīng)用中的運(yùn)行情況。

圖6：IIS2DLPC系統(tǒng)框圖

（圖源：STMicroelectronics）

IIS2DLPC MEMS數(shù)字輸出運(yùn)動(dòng)傳感器可用于協(xié)作機(jī)器人的振動(dòng)監(jiān)測(cè)、俯仰和傾斜度測(cè)量以及沖擊識(shí)別和記錄。

柔性生產(chǎn)需要更自主

更靈活的協(xié)作機(jī)器人

未來，柔性生產(chǎn)將更加注重智能化和數(shù)字化，進(jìn)一步改善生產(chǎn)過程中的協(xié)調(diào)和效率問題，進(jìn)一步提升定制化產(chǎn)品的生產(chǎn)能力。

在這個(gè)大背景下，作為柔性生產(chǎn)的主要生產(chǎn)力之一，協(xié)作機(jī)器人要做到更自主、更靈活。更自主也就意味著更智能，協(xié)作機(jī)器人對(duì)于人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)和感知技術(shù)的應(yīng)用將更加的純熟；更靈活意味著更強(qiáng)的適應(yīng)性，能夠快速適應(yīng)不同的任務(wù)和工作環(huán)境，并具備自適應(yīng)能力。

這些改變都離不開先進(jìn)的電子元器件，貿(mào)澤電子將和廣大工程師攜手并進(jìn)，打造性能更優(yōu)秀的協(xié)作機(jī)器人，賦能柔性生產(chǎn)更好地發(fā)展。

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