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工業機器人

機器人在工業生產制造中有著重要的應用。通過機器人對人工的替代，不僅可以提高生產效率和產品質量，同時也能降低生產成本并避免人工在高危作業環境下受到傷害。當然，隨著產品推陳出新的速度加快，加上客制化需求明顯增加，工業機器人的主要任務也在發生著悄然的變化：傳統完成搬運、焊接和噴涂的單一功能機器人適應能力越來越差，而協作機器人則成為行業新寵。

協作機器人的出現，創造出了一種全新的工業自動化模式，它比傳統機器人更便宜、更易于部署，并且有著更高的安全性。

根據Interact Analysis的預測數據，由于協作機器人早期使用者已經證明這一模式的正確性，并且得到了很好的效益回報，因此未來幾年協作機器人的部署將會變得非常普遍，在全球機器人市場的滲透率將從現在的5%快速提升到2027年的30%。

圖1：全球協作機器人滲透率提升

（圖源：貿澤電子）

協作機器人在設計過程中比傳統機器人需要更多的考慮，后者基本只關注高速、高效和精準性，而協作機器人在此基礎上增加了安全性、協作性、易用性和經濟性的考量，使其能夠以更低的硬件成本和部署成本，和現場人工進行配合工作，這是實現高效柔性生產的關鍵。

當然，打造這樣的協作機器人就需要更先進的元器件支持，本文我們將會選取幾款貿澤電子在售的元器件產品，看看它們在協作機器人設計過程中發揮著怎樣的作用。

協作機器人真正的推動因素

柔性生產

協作機器人作為一個新興的機器人品類，如上所述，設計之初的目的是降低傷害風險，讓機器人和人類能夠更安全、簡單地交互，具備輕量化、靈活性高、安全可靠、簡單易上手和易于編程等顯著優點。

不過，在協作機器人面世的初期階段，市場反饋并不熱烈，原因在于當時的生產任務主要以品類單一、批量大和功能相對簡單為主，傳統機器人具有裝備專用、技藝平穩的特點，有著不錯的生產效率，因此制造商沒有太大的動力去更改產線。

隨著科學技術的迅速發展，人們對商品的功能、體驗、品質有了更高的要求，就連汽車都開始推出消費者個性化定制的服務。這時再看傳統機器人，其工作任務調校需要現場工程師、編程人員和產品經理花費數周，甚至是數月的時間，等到這些都做完后，商機早已錯過。

因此，真正讓協作機器人需求量大漲的原因是柔性生產逐漸成為主流。作為一種富有彈性和高度靈活的生產方式，柔性生產以市場需求為導向，按需生產、彈性供應，從而滿足消費者的個性化和定制化需求。

柔性生產的“柔性”二字具有多個維度，包括設備柔性、工藝柔性、產品柔性、擴展柔性、運行柔性和維護柔性等。其中，設備柔性是重要的樞紐，因此協作機器人能夠在其中發揮巨大的價值。

協作機器人分為軟硬件兩部分，不過在易于使用的背后，協作機器人的軟硬件其實都更加復雜。協作機器人的硬件分為機體和控制系統兩部分：機體主要包括底座、下框架、上框架、手臂、手腕體、手腕附件等；控制系統是協作機器人的大腦和神經，包括控制芯片、伺服電機、減速器、傳感器等，這些器件配合在一起便能夠根據程序執行非常復雜的操作，而且非常安全。

圖2：一種協作機器人的控制系統

（圖源：國家專利網；發明人：王龍祥、肖海峰）

協作機器人軟件系統的優勢是可以非常容易地進行修改，即使沒有編程經驗的操作員也可以快速設置和操作。為了操作簡單，用戶界面一般可以直接呈現在平板電腦或者其它手持設備上。現階段，協作機器人已經能夠和CorePro、PHM、AMMS等知名的工業智能系統進行融合，以做到系統性調度和人機協作。

綜合而言，協作機器人為柔性生產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，協作機器人在整個生產場景中實際上就可以脫離物理束縛，和人類友好地共處。

有了協作機器人，我們看到傳統需要大量人工完成的工作都可以讓機器人去做。比如柔性物流，協作機器人可以自主完成卸貨、轉運、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；協作機器人則可以根據不同金屬材料、不同焊接材料、不同焊接位置靈活調整。

總結而言，協作機器人和柔性生產是共同促進的，在人力成本不斷上升的情況下，其價值會愈發凸顯。下面，我們就來看一下哪些元器件在打造協作機器人時能夠發揮大價值。

讓協作機器人實現

更好運動效果的慣性模塊

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

比如，上述提到的協作機器人的硬件，其中機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，有的用于狀態檢測，還有的用于運動控制等等。

實際上，一款協作機器人水平的高低和傳感器有非常大的關系，其高精度、靈活性、安全性和高效率都和傳感器息息相關。

我們知道現在六軸協作機器人非常火，它通過模仿人類的手臂運動方式，可以在各種環境下進行高度靈活的操作，是目前主流的協作機器人。

下面這款慣性模塊便非常適用于打造六軸協作機器人，來自制造商STMicroelectronics，貿澤電子官網上該器件的料號為ISM330ISNTR。

ISM330IS和ISN330ISN

iNEMO慣性模塊

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圖3：ISM330ISNTR

（圖源：貿澤電子）

STMicroelectronics的ISM330IS和ISN330ISN iNEMO慣性模塊是系統級封裝器件，包含一個三軸數字加速度計和一個三軸數字陀螺儀。并且，該套件提供一個傳感器中樞，可以進一步嵌入四個外部傳感器。

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行傳感器信號處理和執行AI 算法。ISPU是一個高性能的可編程核心，通過C語言進行編程，并具有增強型生態系統（帶各種庫和第三方工具/IDE）。

圖4：ISM330IS和ISN330ISN iNEMO

慣性模塊內部框圖

（圖源：STMicroelectronics）

除了可編程和可擴展特性，ISM330IS和ISN330ISN iNEMO慣性模塊具有的另一個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，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現具有出色運行性能的工業協作機器人。

了解協作機器人

狀態信息的運動傳感器

協作機器人能夠獨立完成工作任務，也能夠和人工合作完成大量復雜的工作任務，當然前提是協作機器人處于一個良好的工作狀態下。為了讓協作機器人盡量不出現宕機狀態，實時監測協作機器人的狀態信息是很有必要的。

出于全面了解協作機器人工作狀態的目的，研發人員采取了很多手段，比如通過PLC或組態軟件對運行狀態進行監測；通過傳感器獲取協作機器人各個關鍵組件和整體的狀態量；還有通過三維仿真進行模擬來進行狀態監測等。

下面我們推薦一款能夠進行傳感器信息監測的MEMS數字輸出運動傳感器，同樣是來自制造商STMicroelectronics，貿澤電子官網上該器件的料號為IIS2DLPCTR。

IIS2DLPCMEMS

數字輸出運動傳感器

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圖5：IIS2DLPC MEMS數字輸出運動傳感器

（圖源：貿澤電子）

IIS2DLPC MEMS數字輸出運動傳感器是一款超低功耗、高性能、三軸線性加速度計。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，能夠測量1.6Hz至1600Hz輸出數據速率的加速度，并提供高達800Hz的帶寬；IIS2DLPC具有專用的內部引擎，用于處理運動和加速度檢測，包括自由落體、喚醒、高度可配置的單/雙擊識別、活動/不活動、靜止/運動檢測、縱向/橫向檢測和6D/4D定向。

IIS2DLPC設有數字I²C/SPI輸出接口，僅有低至90μg/√Hz的超低噪聲。另外，IIS2DLPC提供32級FIFO和2個獨立的可編程中斷，允許用戶存儲數據以減少主處理器的干預。用戶還可通過嵌入式自檢功能檢查傳感器在終端應用中的運行情況。