【導讀】無論是在外科手術還是在制造車間，機器人都越來越多地成為日常生活和工業領域的一部分。根據機器人行業的統計數據，現在88%的企業計劃在其組織中投資增加機器人技術，全球約有300萬個工業機器人在使用中，另外，每年將有近40萬個新機器人進入市場。
圖源：jcomp/freepik.com
機器人
無論是在外科手術還是在制造車間，機器人都越來越多地成為日常生活和工業領域的一部分。根據機器人行業的統計數據，現在88%的企業計劃在其組織中投資增加機器人技術，全球約有300萬個工業機器人在使用中，另外，每年將有近40萬個新機器人進入市場。
按收入計算，工業機器人行業的全球市值達到了438億美元。其中，汽車行業使用的工業機器人是所有行業中最多的，截至2017年，該行業共有近90萬個機器人在使用，2021年，汽車行業新安裝了約9,782臺機器人，這個數量每年還在不斷增加。緊隨汽車行業之后工業機器人使用量較多的是電氣和電子行業以及塑料和化工行業。
圖1：機器人行業年度市場增長情況
（圖源：Statista）
機器人的主要類型
市場上大多數的機器人都屬于工業機器人，這些機器為人類做各種工作，包括制造汽車、制造零件，甚至進行外科手術。根據市場調研公司的數據，約87%的公司使用的是傳統工業機器人，而74%的公司使用的是AGV（自動導引車）。
經過幾十年的發展，工業機器人形成了較多的品類，歸納起來主要有固定機器人、自主移動機器人（AMR）、自動導引車（AGV）以及飛行機器人（無人機）和水下機器人等。
固定機器人（機械臂）
這是一種發展最早、應用最廣泛的工業機器人。一般來說，固定機器人是專為拾取和放置、分揀、組裝、焊接和精加工等任務而設計的機械臂。根據特性和用途劃分，目前市場上有七種主要類型的固定機器人，包括：鉸接式機械臂、笛卡爾或矩形機器人、SCARA機器人、球形機器人、德爾塔機器人、圓柱形機器人、協作機器人等。
下面我們將就這些機器人的具體特性以及優缺點加以區分。
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01 鉸接式機械臂
對于工業機器人來說，復制人類手臂和手的所有細微移動方式將過于昂貴和復雜。目前業界的共識是，工業機器人手臂的6個自由度將足以完成幾乎任何需要的任務，或者說，一個典型的鉸接式機械臂有六個軸或關節。
根據應用和制造商的不同，這個數量可能有所不同。當然，機器人的關節越多，其運動就越平穩，也就越不像“機器人”。
優點：動作靈活，能夠舉起重物；
缺點：可能需要用柵欄隔開，速度較慢，比其他機械臂更貴，需要更復雜的控制系統。
02 笛卡爾或矩形機器人
這些機器人使用笛卡爾坐標系（X、Y和Z）沿著三個軸（向前和向后、向上和向下以及左右）進行線性運動。所有三個關節都是平移的，這意味著關節的運動被限制在一條直線上。
笛卡爾機器人可用于拾取和放置、材料處理、包裝自動化、存儲和檢索、切割和鉆孔以及更多應用。
優點：控制系統簡單。根據型號的不同，可以舉起非常重的物體，且價格比鉸接式機械臂便宜。
缺點：不能做旋轉運動。
03 SCARA機器人
SCARA機器人與笛卡爾機器人相似，它們在3個關節或軸上移動。然而，與笛卡爾機器人相比，SCARA機器人的兩個關節是旋轉的。因此，它們能夠進行比笛卡爾機器人更復雜的運動。
優點：適用于許多裝配應用，快速準確，裝配操作具有成本效益。SCARA機器人的工作包絡是圓柱形的。
缺點：不如鉸接式機械臂靈活，不如笛卡爾臂精確，沒有德爾塔機器人手臂那么快。
04 球形機器人
球形機器人是一種較老的技術，創建于20世紀50年代的第一個工業機器人就是一個球形機器人。有時可以用鉸接式機械臂取代。該種機器人由兩個旋轉關節和一個線性關節組成，可用于注塑、噴漆、電弧焊和點焊。
優點：控制系統比鉸接式機械臂更簡單，可以有很長的工作范圍。
缺點：不如鉸接式機械臂靈活，通常需要相當大的占地面積。
05 德爾塔機器人
德爾塔機器人也稱為平行機器人，有三個平行四邊形的機械臂，有時會在手臂末端放置旋轉關節，以增加其運動的靈活性。該機器人最初的設計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。
優點：用于拾取和放置操作的機械臂速度很快，關節和手臂非常輕，能實現高速和精確的操作。
缺點：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，且不適合在垂直平面中處理任務。
06 圓柱形機器人
圓柱形機器人在底座上至少有一個旋轉關節和兩個線性關節。它通常用于狹小的工作空間，非常適合需要圓形對稱的物體（如電線、管道），如磨削、裝配和點焊等應用。
優點：精確度高。
缺點：技術陳舊，運動靈活性有限。
07 協作機器人（Cobot）
Cobot可在安全的工作環境中實現人機交互，而不需要圍欄或傳統工業機器人應用中采取的其他安全措施。
優點：能夠安全地與人一起工作，且操作員能夠在不必編寫編程代碼的情況下教機器人手臂進行動作，具體過程是操作員只需抓住機器人手臂，按照機器人需要的方式進行物理移動，然后，機器人手臂即可復制演示的動作。
缺點：力量和速度有限，不適合重型應用或非常高速的任務。
自主移動機器人（AMR）
自主移動機器人代表了工業機器人市場中一個快速增長的細分市場，它們有多種形狀和尺寸。手推車或帶輪子的車輛形式的AMR通常用于在工廠或倉庫設施內運輸貨物，它們配備了傳感器、車載計算能力和電動機，使其能夠在設施周圍移動并創建設施的內部地圖。一旦創建了內部地圖，就可以向AMR指示其需要前往的目的地。
AMR的一個關鍵特征是，它們可以“自主”地從一個地方移動到另一個地方，同時避開沿途的障礙，甚至可以規劃一條全新的路線到達目的地。隨著計算機視覺、人工智能和抓取技術的進步，使得機器人對機器人（robot-to-robot）的協作成為可能。在這種情況下，輪式推車AMR將貨物帶到機械臂上，關節式機械臂再將貨物放到指定位置。
自動導引車（AGV）
AGV通常采用帶輪子的車輛形式，是一種比AMR更古老的技術。它們的機載智能較少，因此不如AMR那樣具有自主性，不具備繪制設施地圖的能力。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引線、特殊膠帶或其他類型的導軌定義。如果AGV在行駛途中遇到障礙，它只能停下來尋求幫助。隨著AGV被賦予了更多的車載計算能力，AGV和AMR之間的區別正變得越來越模糊。
壓力傳感器在醫療電子中的應用非常廣泛，可用在輸液泵、血壓計和睡眠呼吸暫停機等設備中。TE的FX29是一種緊湊型壓力傳感器，在具有毫伏、模擬或數字輸出信號的堅固的傳感器系列中展現出了出色的性價比，并針對嵌入式力傳感應用進行了優化，包括一次性醫療設備和健身器材。
飛行機器人（無人機）
無人機（UAV）正在越來越多地被用于各種工業目的。根據設計，工業無人機可以是一種自主移動機器人（AMR），一些型號能自動檢測并避開障礙物，獨立導航至目的地。現在，一些工業無人機被賦予了很多任務，包括飛越露天采礦作業或基礎設施項目、監控建筑項目的進展、進行倉庫庫存管理等。
水下機器人
用于水下的機器人種類繁多，一些水下機器人被設計成自主的（自動水下航行器AUV），一些則被設計成有線或無線遠程控制。水下機器人可用于海洋石油平臺、管道的檢查和科學研究，其他應用包括使用水下機器人檢查橋梁底部、水電大壩進水口和珊瑚礁等。
工業機器人產業有多大？
人類的工作會被工業機器人取代嗎？目前來看，只有那些重復性工作將逐漸被機器人所取代，而高智商、需要創造力的工作則很難被機器人代替。在快餐店做薯條、焊接、駕駛火車和回答基本的客戶服務問題這些重復性工作對機器人來說相對容易接管。
據估計，到2025年，機器人將取代目前由人類占據的8,500萬個工作崗位。由于機器人通常能勝任入門級職位所需的基本任務，這一變化也將為人類開辟更多高級管理崗位。
最近幾年，機器人行業正以相對較快的速度增長，全球約有300萬臺工業機器人在使用中。另據Statista的數據，到2024年，全球工業機器人出貨量預計將達到51.8萬臺，高于2020年的39.4萬臺。
根據2020年11月Reportlinker的一份報告，工業機器人在制造業和工業設施中的使用迅速擴大，是最大的機器人細分市場。預計到2025年將從2020年的766億美元增長到1,768億美元，復合年增長率為18.2%。這一增長主要是由制造商推動的。
工業機器人中的電機驅動與控制
機器人是一個多元化的行業，運動是機器人功能的一部分，電機可將機器人的運動勢能轉化為機械能。一些機器人的部件與人類相似，例如：手臂、手腕、手等。使用的主要運動形式包括：手臂的垂直、徑向和旋轉運動；手腕的俯仰、滾轉和偏航；從一個地方移動到另一個地方的運動能力。
機器人的每個動作以及可移動部分都需要某種類型的電機支持。所使用的電機類型從注重轉矩的交流電機到需要更多角度控制的步進電機。在兩者之間，可選擇有刷直流電機，這種電機具有成本效益且簡單，但效率低且易磨損。
目前優秀的替代方案是采用無刷直流（BLDC）電機，它的效率更高，與使用機械開關的有刷電機相比，BLDC電機沒有機械開關，而是使用帶刷的旋轉電樞進行電氣連接。運動部件的減少使BLDC電機的使用壽命更長，僅受滾珠軸承磨損的限制。因為沒有電刷，BLDC電機還表現出優異的耐用性和低噪聲特性。德國航空航天中心的David機器人就擁有76個BLDC電機和165個位置傳感器，它的工作速度和能力幾乎與人類相當。
電機控制是一個非常活躍的研究領域，所有領先的半導體供應商都在不斷開發新的產品以提供更高效的電機控制。
1? ST STEVAL-SPIN3201
STMicroelectronics的STSPIN32F0無刷直流控制器是一款系統級封裝器件，提供了適用于不同驅動模式的三相BLDC電機驅動方案。器件有三個半橋式柵極驅動，電流容量為600mA，能夠驅動功率MOSFET或IGBT。由于集成的互鎖功能，不能同時打開同一半橋的高、低側開關。
此外，器件內部的3.3V DC/DC降壓轉換器可為MCU和外部元件供電，而其內部的LDO線性穩壓器則可為柵極驅動器供電。集成的MCU（STM32F031C6）能夠實現電機磁場矢量控制（FOC）、6步無傳感器等其它先進的驅動算法，包括速度控制環等。同時，STSPIN32F0器件具有的過溫和欠壓鎖定保護功能，可將器件置于待機模式，以減少功耗。
STEVAL-SPIN3201是一款基于STSPIN32F0和STD140N6F7 MOSFET的三相BLDC電機驅動板，為低壓電機驅動應用提供了一種經濟簡易的解決方案。
圖2：STEVAL-SPIN3201三相BLDC電機驅動板
（圖源：STMicroelectronics）
BLDC提供了高效率，在許多應用中使用了出色的扭矩和速度值。扭矩代表電機的旋轉力大小，BLDC的主要設計宗旨是優化轉矩。速度和扭矩由瞬態的開/關持續時間比控制。通常，采用用于驅動繞組的PWM信號的形式。單相、兩相和三相電機的使用使這種情況更加復雜。尤其是當控制器在低電流信號下工作時，電機需要高電流量。因此，電機驅動器要能夠獲取低電流控制信號，然后將其轉換為可以驅動電機的高電流信號。
2? TI DRV8313
Texas Instruments的DRV8313是一款最大電壓為65V的3A峰值三相電機驅動器，提供三個可獨立控制的半H橋驅動器。雖然也可被用于驅動螺線管或其它負載，但它主要用于驅動一個三相BLDC電機。每個輸出的驅動通道包含采用半H橋配置的功率N-MOSFET。這個設計將每個驅動器的接地端子接至引腳，以在每個輸出上執行電流感測。此外，該器件還具備過流保護、短路保護、欠壓閉鎖和過溫保護的內部關斷功能。
圖3：DRV8313評估版為在梯形換向中運行三相BLDC電機提供了一種經濟高效的無傳感器解決方案（圖源：Mouser）
電機驅動器的目標是確保正確的電機控制，以便在應用中相應地控制電機的速度和方向。微控制器（MCU）非常適合用于開發直流（和交流）電機高效控制回路所需的計算功能。
3? Renesas RL78/G14
現在，許多半導體供應商開始大量提供以BLDC電機控制為目標的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，適合用于電機控制、工業和計量應用，在低功耗電流和高計算性能之間實現了平衡。RL78/G14 MCU的內置多功能定時器通過三相互補PWM輸出支持三相電機控制。此外，RL78/G14系列還集成了片上振蕩器、數據閃存、模數轉換器和數模轉換器以及比較器等電路。
圖4：RL78/G14系列微控制器
（圖源：Renesas Electronics）
人工智能與工業機器人
人工智能可能會給工業機器人帶來更強的自主性，使它們能夠在零人工輸入的情況下自我糾正、學習和改進，從而提升機器人在行業中的價值。遺憾的是，截至2021年，我們在行業中還無法看到真正的人工智能機器人。不過，Market research Future（MRFR）的一份綜合研究報告《人工智能機器人市場按產品、類型、技術和應用——2030年預測》則給出了樂觀的估計，報告預計人工智能機器人市場將在2022年至2030年期間以約22.30%的復合年增長率快速增長，到2030年底估值將達到約445億美元。
人工智能和其他技術進步將增強人與機器人的互動，在涉及機器智能、連接和控制的技術方面迅速取得突破將擴大機器人的能力和范圍，同時簡化人機交互。在最有前途的創新中，人工智能將使機器人能夠處理無人監督的意外情況。同時，群體智能將增加移動機器人在位置上共享和更改任務的靈活性。成像系統將增強機器人的自主檢查、分析和移動能力。機器人技術具有巨大的上行潛力，人工智能機器人的能力會更加令人驚嘆。
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