人機協(xié)同時代開啟，如何進一步撬動新型工業(yè)化水平？

縱觀人類歷史上的每一步飛躍，都離不開機器的身影。蒸汽機鳴響推動了第一次工業(yè)革命，內燃機引擎點燃了第二次工業(yè)革命，如今以新一代信息技術為核心的改革余溫還未消散，工業(yè)4.0又迎來了以協(xié)作機器人、AI、大數(shù)據(jù)等為主的發(fā)展新動力，其中促進協(xié)作機器人的發(fā)展更是工業(yè)4.0的核心戰(zhàn)略。

在2023世界機器人大會上發(fā)布了這樣一組數(shù)據(jù)：2022年度全球工廠中新安裝工業(yè)機器人數(shù)量為553052臺，同比增長5％。根據(jù)地區(qū)劃分，其中亞洲占73％，歐洲占15％，美洲占10％。國際機器人聯(lián)合會主席Marina Bill表示，2023年新安裝工業(yè)機器人數(shù)量連續(xù)第二年超過了50萬臺，預計2023年全球工業(yè)機器人市場增速為7％，或超過59萬臺。毋庸置疑，當下工業(yè)協(xié)作機器人產業(yè)正迎來蓬勃發(fā)展的時代。

打造工業(yè)機器人自動化地基，多維度精確傳感器是關鍵

數(shù)據(jù)是一切自動化的基礎，在工業(yè)機器人應用中同樣如此，工業(yè)機器人的智能化需要大量的數(shù)據(jù)支持，另一方面，數(shù)據(jù)的質量和準確性是智能化的關鍵，不準確的數(shù)據(jù)可能導致錯誤的決策，影響生產效率和質量。而傳感器則是數(shù)據(jù)搜集的核心窗口，其為工業(yè)機器人提供觸覺，是實現(xiàn)自動檢測和自動控制的重要環(huán)節(jié)。它能感受到被測量的信息，并能將感受到的信息按一定規(guī)律變換成電信號或其他形式的信息輸出。在自動化生產過程中需要用各種傳感器來監(jiān)視和控制各個參數(shù)，使設備工作在正常狀態(tài)或良好狀態(tài)，并使產品達到更好的質量。

以磁性位置傳感器為例。磁性位置傳感器是當前服務、工業(yè)機器人中廣泛使用的傳感器技術之一，幾乎機器人的每個關節(jié)都使用兩個或多個位置傳感器。在這方面，霍尼韋爾的SMART 位置傳感器是其中的佼佼者。SMART 角位移型位置傳感器是一款非接觸式傳感解決方案，既能進行高度精確的運動控制，又能改善運行效率和安全性。此霍尼韋爾位置傳感器利用磁阻技術檢測一個磁體在兩個可選傳感范圍內相對于傳感器的位置：0o 至 100o和 0o 至 180o。

SMART 位置傳感器提供自診斷功能和數(shù)據(jù)收集功能，具有高可靠性并可實現(xiàn)閉環(huán)反饋控制。

這些裝置采用了專用集成電路 (ASIC) 和磁阻 (MR) 傳感器陣列的組合來精確并可靠地確定貼附在移動物體上的磁體的位置，以便確定或控制此對象的位置。MR 陣列可測量沿著磁體運動方向安裝的 MR 傳感器的輸出。利用輸出和 MR 傳感器序列可確定與磁體位置中心距離最近的一對 MR 傳感器。然后這兩個 MR 傳感器的輸出可用于確定它們之間的磁體位置。

SMART 表示這是可以獨立思考的傳感器。SMART 位置傳感器提供自診斷功能和數(shù)據(jù)收集功能，具有高可靠性并可實現(xiàn)閉環(huán)反饋控制。

人機協(xié)作也是工業(yè)機器人的重點領域之一，進一步開發(fā)和擴展同時也對協(xié)作機器人的安全性提出了更高的要求。對此，TE推出了一款用于協(xié)作機器人的安全扭矩傳感器，其典型應用于機器人或機器臂上，能夠幫助工業(yè)制造領域對生產流程的狀態(tài)監(jiān)測。安全扭矩傳感器通常集成在協(xié)作機器人的關節(jié)單元中。它可以監(jiān)測協(xié)作機器人上各種旋轉樞軸點的機械扭矩。既可以防止不當?shù)牟僮鲗C械臂本身造成損害，也可以大程度地避免工人受傷的潛在風險。據(jù)悉，TE的安全扭矩傳感器可為精度和速度均得到提升的新一代人機協(xié)作機器人提供功能安全性，并且TE的環(huán)形安全扭矩傳感器設計為集成在每個協(xié)作機器人接頭中，滿足 ISO13849 Category 3 PL d 的新安全要求。

另一方面，工業(yè)制造設備正變得更高效與智能，但設備本身的維護工作卻仍存巨大挑戰(zhàn)，國際自動化學會ISA曾有數(shù)據(jù)顯示，全球制造商每年因設備故障停機遭受的損失高達6470億美元。電機被譽為“工業(yè)之母”，是現(xiàn)代工業(yè)動力來源主要的核心之一，因此針對電機的預測性維護是行業(yè)的重要課題，也是包括TE在內諸多工業(yè)領域的優(yōu)質供應商聚焦的熱點技術。

對此，TE設計了 8911 無線加速度傳感器，8911 是一款緊湊型 LoRaWAN （868/915MHz）無線加速度傳感器，可進行邊緣計算以監(jiān)測狀態(tài)。8911 無線加速度傳感器采用LoRaWAN A 級，該協(xié)議提供更長的傳輸距離，并且不易受到外部信號干擾。它還提供了安全的方法，即將基于狀態(tài)的維護擴展至有線系統(tǒng)安裝費用過高的工廠區(qū)域，從而將數(shù)據(jù)傳輸?shù)浆F(xiàn)有過程控制和信息系統(tǒng)。LoRaWAN 可以安裝在管理網絡或客戶自己的私人網絡中。

另外，8911 無線加速度傳感器提供環(huán)境溫度并在設備中計算 FFT（快速傅里葉變換）。它傳輸前 8 個相關的峰值頻率，并將傳感器、數(shù)據(jù)采集器和 LoRaWAN無線設備集成在一個緊湊的電池供電設備中。

在工業(yè)領域深耕多年的模擬巨頭ADI同樣有推出相關的解決方案智能電機傳感器（SMS），便是典型的預測性維護產品設計。據(jù)了解，該解決方案僅需4顆可更換的1.5V AA鋰電池供電，器件內部集成了ADI高性能傳感器、精密轉換器和信號鏈，能捕獲電機的振動、溫度、速度和磁通量等各種參數(shù)，在早期就能檢測出電機異常狀況，并通過Wi-Fi連接將這些數(shù)據(jù)安全地發(fā)送到后端云進行處理。云上運行并集成到Web應用中的人工智能引擎分析數(shù)據(jù)并監(jiān)控電機的運行狀況，使客戶可以在手機移動應用程序或PC端網絡儀表板上實現(xiàn)7x24小時電機狀況監(jiān)控。

聚焦機器人智能化水平，高性能MCU賦能運動控制

隨著AI、大數(shù)據(jù)等新技術正與機器人技術深度融合，機器人在位置、速度、動作順序等控制方式上也更加復雜、精細和智能化，這對機器人控制器的功能、性能和接口提出了新的挑戰(zhàn)，于是高性能和高集成度的MCU則成為了機器人主控制器芯片的主流方案。目前40nm已成為MCU的成熟工藝，未來在更先進工藝下設計的MCU，采用更高性能的內核，其性能將得到大幅度提升，同時將部分核心控制算法進行硬件化加速，內置更高精度的ADC等，在提升機器人控制響應速度和精度的同時，還可降低系統(tǒng)成本。

作為全球前列的半導體巨頭Microchip在多軸運動控制上的實力獨樹一幟，其中的SAM系列的高性能MCU一直是相當獨特的存在。SAM S70和E70使用了300MHz的ArmCortex-M7內核。一般來說，添加DSP數(shù)據(jù)處理指令的M4已經足夠應付工業(yè)機器人多軸運控。如果考慮到拓展功能，添上FPGA也足以應付目前絕大多數(shù)工業(yè)機器人應用，但SAM S70和E70在追求優(yōu)質的性能。

例如S70在擁有高主頻的同時擁有高達64 KB緊耦合內核內存，可以快速驅動FOC控制。為了實現(xiàn)優(yōu)質的速度，S70采用了一對2 Msps雙的采樣12 bit ADC引擎。再加上先進的模擬外設、16 bit PWM與16 bitTimers，S70可以輕松地以高性能實現(xiàn)多軸控制與雙電機控制。

近年來，本土的MCU廠商也在不斷加快產業(yè)布局，加大產品研發(fā)力度，技術實力正在迅速提升。作為優(yōu)質的國產MCU廠商，國民技術在機器人控制應用領域早有布局，旗下工業(yè)增強級MCU具有優(yōu)異的電機控制算法技術和強大的處理性能、豐富的高速模擬器件與數(shù)字通信接口，可助力客戶輕松完成產品創(chuàng)新設計，開發(fā)出功能更為強大和智能化程度更高的機器人產品。

當前，國民技術32位工業(yè)增強級MCU，如N32G45X、N32G43X和N32G030等系列，已經在機械臂、機器骨骼、步進電機、伺服電機等工業(yè)應用領域獲得批量應用。N32G455、N32G435和N32L4x系列等多款MCU憑借高性能ARM Cortex-M4F內核及高主頻優(yōu)勢，高達5Msps的高速12bit ADC等多項行業(yè)優(yōu)秀指標，適用于移動機器人的激光導航模塊，也可用作各類移動機器人主控芯片，現(xiàn)已成功應用于多家行業(yè)標桿客戶的掃地機器人和送餐服務機器人產品中。

另一邊，本土廠商兆易創(chuàng)新新推出的GD32H7系列MCU也于市場中脫穎而出，其憑借雙發(fā)射6級流水線架構，以及支持高帶寬的AXI和AHB總線接口，可實現(xiàn)更高的處理性能，主頻高達600MHz，高主頻下的工作性能可達1552 DMIPS，CoreMark測試取得了2888分的出色表現(xiàn)；同主頻下的代碼執(zhí)行效率相比市場同類產品提升約10%，相比Cortex-M4產品的性能提升超過40%。

同時，GD32H7系列內置了高級DSP硬件加速器和雙精度浮點單元（FPU）、硬件三角函數(shù)加速器（TMU）和濾波算法加速器（FAC），大幅減輕了內核的負擔，并有助于提升處理效率；片上集成了2個14位ADC采樣速率高達4MSPS、1個12位ADC采樣速率高達5.3MSPS，在電機控制、光伏儲能等應用中可提供高精度采樣率和快速響應；3個CAN-FD接口和2個以太網控制器也為工業(yè)網卡、變頻器、伺服器提供了很好的優(yōu)勢；內置了TFT LCD液晶驅動器和圖形處理加速器IPA，支持2D圖像疊加、旋轉、縮放及多種顏色格式轉換等功能，可以勝任更高分辨率的GUI，從而滿足智能化HMI的定制需求。