一文讀懂：工業(yè)機器人中的關(guān)鍵傳感技術(shù)

工業(yè)機器人是一種能自動(dòng)執行任務(wù)的機械裝置，它可以響應人類(lèi)指令，運行預先編制的應用程序。那些大型和重型機器人，常常被放置在工業(yè)廠(chǎng)房?jì)鹊墓潭ㄎ恢?，工人們的任?wù)和生產(chǎn)過(guò)程基本圍繞著(zhù)它們展開(kāi)。這是因為，工業(yè)機器人能有效減輕惡劣環(huán)境對生產(chǎn)和制造過(guò)程的影響，幫助企業(yè)降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率，同時(shí)確保產(chǎn)品的質(zhì)量。優(yōu)化生產(chǎn)線(xiàn)，使其更加靈活并適應每個(gè)客戶(hù)的特定需求是工業(yè)機器人的主要目標。

如今，不僅僅是大公司裝配了大量的工業(yè)機器人，越來(lái)越多的中小企業(yè)通過(guò)引入工業(yè)機器人實(shí)現了生產(chǎn)成本的降低，盈利能力大幅增強。因此，作為智能工廠(chǎng)的主要支柱之一，在短短幾十年內，工業(yè)機器人的普及率得到迅速提升。

什么是工業(yè)機器人？

近年來(lái)，有關(guān)工業(yè)機器人系統的定義有了很****展。根據國際標準ISO 8373:2012的定義，工業(yè)機器人是“一種多功能、可重編程、自動(dòng)控制的機械手，可在三個(gè)或更多軸上編程，可固定在一個(gè)區域或移動(dòng)用于工業(yè)自動(dòng)化應用”。

工業(yè)機器人在外形上通常不是類(lèi)人機器人，盡管它們能夠再現人類(lèi)的運動(dòng)和行為，但具有機器的力量、精度和速度。在制造業(yè)中，我們認為工業(yè)機器人是一種能夠以高精度執行制造操作所需的危險或重復任務(wù)的勞動(dòng)力。

1961年，第一個(gè)工業(yè)機器人Unimate加入了位于美國新澤西州尤因鎮的通用汽車(chē)工廠(chǎng)的裝配線(xiàn)，實(shí)際上它是一個(gè)自動(dòng)壓鑄模具，在工作中需要將熱的車(chē)門(mén)把手和其他汽車(chē)零件放到生產(chǎn)線(xiàn)上的冷卻桶中，接下來(lái)再將這些零件運到工人那里進(jìn)行最終的精加工和拋光。從國際機器人聯(lián)合會(huì )（International Federation of Robotics）的統計數據中可以看出，自2010年以來(lái)，汽車(chē)行業(yè)一直是工業(yè)機器人的最重要客戶(hù)。

根據Markets and Markets的最新數據，工業(yè)機器人市場(chǎng)預計將從2022年的157億美元增長(cháng)到2027年的308億美元；在預測期內，預計復合年增長(cháng)率將達到14.3%。從應用角度看，汽車(chē)行業(yè)中的工業(yè)機器人有著(zhù)很高應用率，例如在裝配線(xiàn)中移動(dòng)車(chē)身以及安裝機械和電子部件等，這也是工業(yè)機器人市場(chǎng)持續發(fā)展的主要推動(dòng)力。2022年，搬運應用占據了工業(yè)機器人市場(chǎng)的最大份額。由于末端執行器（EOAT）可以與鉸接式機器人集成，因此，預計2022年鉸接機器人將在傳統工業(yè)機器人市場(chǎng)上占據較大份額。圖1顯示了近些年移動(dòng)機器人安裝量的演變以及對未來(lái)市場(chǎng)的預測。

圖1：2015年—2020年工業(yè)機器人年度安裝量以及2021年—2024年度發(fā)展展望（圖源：2021世界機器人技術(shù)報告）

從技術(shù)角度看，工業(yè)機器人的進(jìn)一步發(fā)展是由可與人類(lèi)安全操作的協(xié)作機器人的引入所推動(dòng)的。過(guò)去，出于安全考慮，機器人大多被限制在籠子或封閉環(huán)境中，以避免與人類(lèi)一起工作時(shí)發(fā)生碰撞事故?，F在的機器人因裝備了大量傳感器和軟材料，同時(shí)具備了深度學(xué)習能力，其安全性得到很大改善。加之協(xié)作機器人通常也比以前的機器人更輕、更易移動(dòng)、成本也更低，因此該產(chǎn)品一經(jīng)問(wèn)世即得到用戶(hù)的認可。根據權威機構的預測，全球協(xié)作機器人市場(chǎng)預計將從2018年的7.1億美元增長(cháng)到2025年的123億美元。屆時(shí)，協(xié)作機器人將占所有工業(yè)機器人的35%左右，高于2018年的11%。

工業(yè)機器人類(lèi)型

目前，工業(yè)制造業(yè)主要有五種類(lèi)型的機器人，即：鉸接式機器人、Delta機器人、SCARA機器人、笛卡爾機器人和協(xié)作機器人，其中最常見(jiàn)的是鉸接式機器人。

鉸接式機器人：有2—10個(gè)（或更多）的關(guān)節，通過(guò)扭轉關(guān)節與底座相連，通常擁有四到六個(gè)自由度，具有大范圍或大尺寸、有效載荷能力。FANUC Lr Mate 200id就是一個(gè)六軸鉸接式機器人。

Delta機器人：也被稱(chēng)為三角式機器人，在工業(yè)機器人中屬于并聯(lián)式機器人。Delta機器人采用獨特的平行連桿臂設計，重量輕，速度快到令人難以置信。

SCARA機器人：采用柔順關(guān)節機械臂（SCARA）設計，有兩個(gè)平行旋轉關(guān)節，可在單個(gè)平面上操作，專(zhuān)門(mén)用于橫向運動(dòng)。

笛卡爾機器人：使用笛卡爾坐標系（X、Y和Z）在三個(gè)線(xiàn)性軸上工作，這意味著(zhù)它們將使用三個(gè)滑動(dòng)關(guān)節上下、內外和左右移動(dòng)。笛卡爾機器人是常用的一種工業(yè)機器人，通常用于數控機床或3D打印。

協(xié)作機器人：擁有先進(jìn)的安全功能，可直接進(jìn)行人機交互。

汽車(chē)、電子、航空航天、食品和醫療行業(yè)是工業(yè)機器人目前最主要的應用領(lǐng)域，隨著(zhù)技術(shù)的進(jìn)步，工業(yè)機器人能夠在從簡(jiǎn)單到復雜的過(guò)程中進(jìn)行大批量到小批量的生產(chǎn)，如弧焊、點(diǎn)焊、組裝、碼垛、材料移除、檢查、材料處理和包裝，這些都是其最常見(jiàn)的應用。ABB集團、FANUC、川崎重工、KUKA、三菱電氣、羅克韋爾、Robert Bosch、西門(mén)子和安川電氣等是市場(chǎng)上的主要工業(yè)機器人提供商。

四種關(guān)鍵傳感器技術(shù)

工業(yè)機器人由五個(gè)主要部件組成：控制器、傳感器、機械手、末端執行器和驅動(dòng)器。傳感器技術(shù)是工業(yè)機器人最關(guān)鍵的應用科學(xué)之一，它使機器人能夠像人類(lèi)一樣導航和檢測環(huán)境變化，并在棘手的情況下做出準確的決策。對于機器人而言，特別是在工業(yè)自動(dòng)化中，傳感器必須正確地提供關(guān)鍵數據，才能實(shí)現相關(guān)的復雜程序。為了確保工業(yè)自動(dòng)化過(guò)程中的合理控制和操作，工業(yè)機器人采用了大量的傳感器。例如，協(xié)作機器人因配備了扭矩傳感器和攝像頭，使它們不僅擁有更廣闊的視野，而且還能確保工作場(chǎng)所的安全。那么，工業(yè)機器人中究竟包括哪些傳感器技術(shù)呢？

隨著(zhù)新技術(shù)的不斷涌現，傳感器在機器人上的使用不斷增加。工業(yè)機器人中最常用的傳感器包括2D傳感器、3D傳感器、力/扭矩傳感器和碰撞檢測傳感器等四種。

▲ 2D傳感器

是一種可以檢測移動(dòng)物體并定位傳送帶上被放置的部件的攝像頭，這些智能攝像頭可以幫助機器人迅速確定部件的位置，然后機器人再根據獲得的信息在移動(dòng)過(guò)程中做出相應的調整。Intel RealSenseTM 深度攝像頭D455是該公司D400系列攝像頭的第四代產(chǎn)品，它將深度傳感器之間的距離增加到95毫米，從而將深度精度提升到4米時(shí)小于2%的水平。該攝像頭還集成了一個(gè)慣性測量單元（IMU），以便于應用程序在攝像頭移動(dòng)的任何情況下提高深度感知能力。采用該攝像頭的機器人或無(wú)人機的環(huán)境感知能力也會(huì )得到有效提升。

圖2：Intel RealSenseTM 深度攝像頭D455（圖源：Intel）

▲ 3D傳感器

在機器人中，3D傳感器可用于導航系統，幫助機器人定位和跟蹤相對于環(huán)境的位置；也可用于運動(dòng)跟蹤系統，以跟蹤機器人和其他物體的運動(dòng)，幫助控制機器人的移動(dòng)；還可用于目標檢測，識別和跟蹤環(huán)境中的對象，躲避碰撞；或者被用于卸貨和碼垛系統，以檢測和定位物體。

飛行時(shí)間（ToF）傳感器是一種用于測量距離的LiDAR傳感器，是最精確的3D傳感器類(lèi)型，非常適合對定位有較高要求的工業(yè)機器人應用。意法半導體（ST）的ToF傳感器是一體化（****、接收器和處理器）系統，具有簡(jiǎn)單易用、經(jīng)濟劃算和體積小等特點(diǎn)。其新一代產(chǎn)品VL53L5CX是一款通用多區測距FlightSense ToF傳感器，在一個(gè)小型封裝內集成了SPAD陣列、物理紅外濾波片、衍射光學(xué)元件（DOE），適合各種室內光線(xiàn)環(huán)境，可為多目標檢測應用提供多達64個(gè)測距區，每區最長(cháng)測量距離達4米。得益于ST的直方圖專(zhuān)利算法，VL53L5CX能夠以最高60Hz的距離信息范圍檢測視野內的不同物體。更重要的是，VL53L5CX還集成了低功耗MCU，可實(shí)現智能測距。

圖3：ST多區測距FlightSense ToF傳感器VL53L5CX（圖源：ST）

▲ 力/扭矩傳感器（Force/Torque Sensors）

如果說(shuō)2D/3D傳感器為機器人提供了明亮的眼睛，那么，力/扭矩傳感器則為機器人提供了靈敏的觸覺(jué)。在大多數情況下，力/扭矩傳感器被放置在機器人和夾具之間，從而使得機器人能夠監測反饋給夾具的各種力。安裝在機器人上的小型數字力傳感器有助于提高生產(chǎn)率并減少停機時(shí)間?；裟犴f爾的MicroForce FMA系列觸力傳感器具有數字輸出、多種觸力傳感范圍、尺寸小巧，以及增強的耐用性和更高精度等諸多優(yōu)勢。

▲ 碰撞檢測傳感器（Collision Detection Sensors）

碰撞檢測技術(shù)可以大幅提高機器人的操作安全性。該技術(shù)涉及觸覺(jué)傳感器和軟件的組合。接觸傳感器和力傳感器是兩種用于碰撞檢測的觸覺(jué)傳感器，這些傳感器為機器人提供了在生產(chǎn)車(chē)間安全工作的屏障，它們可以被集成在機器人手腕和EOAT之間。大多數協(xié)作機器人都通過(guò)機械臂配備接觸傳感器。FANUC CR-7ia的接觸傳感器能夠確保地機器人在人類(lèi)周?chē)踩\行。

根據Technavio的預測，從2020年到2025年，工業(yè)機器人傳感器市場(chǎng)規模預計將增加17億美元，復合年增長(cháng)率達到7.76%。在預測期內，62%的市場(chǎng)增長(cháng)將來(lái)自亞太地區，其中，中國和日本是亞太地區工業(yè)機器人傳感器市場(chǎng)的主要貢獻者。

圖4：2020年—2025年工業(yè)機器人傳感器市場(chǎng)規模（圖源：Technavio）

工業(yè)機器人的未來(lái)

根據Interact Analysis 的分析，2017年是工業(yè)機器人行業(yè)的好年景，收入增長(cháng)了20%。但自2018年起，工業(yè)機器人技術(shù)的最大使用者——汽車(chē)行業(yè)，消費需求疲軟。受此影響，工業(yè)機器人市場(chǎng)下滑，2019年—2020年這兩年，收入減少了10%。2021年，工業(yè)機器人市場(chǎng)出現了反彈，出貨量同比增長(cháng)31.9%，在此過(guò)程中，中國市場(chǎng)做出很大貢獻，在亞洲的工業(yè)機器人發(fā)貨量中占到52.5%。

勞動(dòng)力成本的持續增長(cháng)、機器人價(jià)格的持續下降、從大規模生產(chǎn)轉向半定制生產(chǎn)的趨勢、對更短更快產(chǎn)品周期以及進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量的需求，這些都將成為進(jìn)一步推動(dòng)工業(yè)機器人大規模采用的驅動(dòng)力。Research and Markets的分析表明，機器人技術(shù)的市場(chǎng)增長(cháng)前景十分樂(lè )觀(guān)，在汽車(chē)、電氣和電子、建筑、醫療和國防領(lǐng)域，機器人技術(shù)具有巨大的增長(cháng)潛力，預計全球機器人市場(chǎng)將從2021年的558億美元增長(cháng)到2026年的918億美元，在2021-2026年的預測期內，復合年增長(cháng)率為10.5%。從細分市場(chǎng)看，全球工業(yè)機器人市場(chǎng)預計將從2021年的280億美元增長(cháng)到2026年的422億美元，復合年增長(cháng)率為8.6%。

過(guò)去，機器人被要求執行非常具體的任務(wù)，通常在固定的位置。今天，隨著(zhù)傳感技術(shù)的引入，工業(yè)機器人的外形和功能，以及協(xié)作應用能力得到了迅速提升。傳感器的應用使得它們能夠在有人的環(huán)境中安全工作，并記錄有關(guān)的環(huán)境信息。為此，我們還能同步收集制造過(guò)程中每個(gè)步驟的數據，以實(shí)現完全的可追溯性和詳細的數據分析，為未來(lái)做出更好的決策提供保障。

作為自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中的關(guān)鍵參與者，工業(yè)機器人直接影響著(zhù)行業(yè)的自動(dòng)化水平。隨著(zhù)工業(yè)產(chǎn)品的復雜性和精度不斷提高，對機器人的要求也會(huì )越來(lái)越復雜和苛刻。以低成本提供高質(zhì)量產(chǎn)品是阻礙工業(yè)機器人傳感器市場(chǎng)增長(cháng)的關(guān)鍵挑戰之一。目前來(lái)看，機器人傳感技術(shù)已經(jīng)從簡(jiǎn)單的光電和觸摸開(kāi)關(guān)發(fā)展到高級觸覺(jué)、聲音和視覺(jué)傳感器，隨著(zhù)新興傳感技術(shù)和產(chǎn)品的出現，機器人將被賦予更多的感知能力。

來(lái)源：貿澤電子