突破物理束缚，协作机器人助力实现真正的柔性生产

贸泽电子 2023-11-15 723

描述

工业机器人

机器人在工业生产制造中有着重要的应用。通过机器人对人工的替代，不仅可以提高生产效率和产品质量，同时也能降低生产成本并避免人工在高危作业环境下受到伤害。当然，随着产品推陈出新的速度加快，加上客制化需求明显增加，工业机器人的主要任务也在发生着悄然的变化：传统完成搬运、焊接和喷涂的单一功能机器人适应能力越来越差，而协作机器人则成为行业新宠。

协作机器人的出现，创造出了一种全新的工业自动化模式，它比传统机器人更便宜、更易于部署，并且有着更高的安全性。

根据Interact Analysis的预测数据，由于协作机器人早期使用者已经证明这一模式的正确性，并且得到了很好的效益回报，因此未来几年协作机器人的部署将会变得非常普遍，在全球机器人市场的渗透率将从现在的5%快速提升到2027年的30%。

图1：全球协作机器人渗透率提升

（图源：贸泽电子）

协作机器人在设计过程中比传统机器人需要更多的考虑，后者基本只关注高速、高效和精准性，而协作机器人在此基础上增加了安全性、协作性、易用性和经济性的考量，使其能够以更低的硬件成本和部署成本，和现场人工进行配合工作，这是实现高效柔性生产的关键。

当然，打造这样的协作机器人就需要更先进的元器件支持，本文我们将会选取几款贸泽电子在售的元器件产品，看看它们在协作机器人设计过程中发挥着怎样的作用。

协作机器人真正的推动因素

柔性生产

协作机器人作为一个新兴的机器人品类，如上所述，设计之初的目的是降低伤害风险，让机器人和人类能够更安全、简单地交互，具备轻量化、灵活性高、安全可靠、简单易上手和易于编程等显著优点。

不过，在协作机器人面世的初期阶段，市场反馈并不热烈，原因在于当时的生产任务主要以品类单一、批量大和功能相对简单为主，传统机器人具有装备专用、技艺平稳的特点，有着不错的生产效率，因此制造商没有太大的动力去更改产线。

随着科学技术的迅速发展，人们对商品的功能、体验、品质有了更高的要求，就连汽车都开始推出消费者个性化定制的服务。这时再看传统机器人，其工作任务调校需要现场工程师、编程人员和产品经理花费数周，甚至是数月的时间，等到这些都做完后，商机早已错过。

因此，真正让协作机器人需求量大涨的原因是柔性生产逐渐成为主流。作为一种富有弹性和高度灵活的生产方式，柔性生产以市场需求为导向，按需生产、弹性供应，从而满足消费者的个性化和定制化需求。

柔性生产的“柔性”二字具有多个维度，包括设备柔性、工艺柔性、产品柔性、扩展柔性、运行柔性和维护柔性等。其中，设备柔性是重要的枢纽，因此协作机器人能够在其中发挥巨大的价值。

协作机器人分为软硬件两部分，不过在易于使用的背后，协作机器人的软硬件其实都更加复杂。协作机器人的硬件分为机体和控制系统两部分：机体主要包括底座、下框架、上框架、手臂、手腕体、手腕附件等；控制系统是协作机器人的大脑和神经，包括控制芯片、伺服电机、减速器、传感器等，这些器件配合在一起便能够根据程序执行非常复杂的操作，而且非常安全。

图2：一种协作机器人的控制系统

（图源：国家专利网；发明人：王龙祥、肖海峰）

协作机器人软件系统的优势是可以非常容易地进行修改，即使没有编程经验的操作员也可以快速设置和操作。为了操作简单，用户界面一般可以直接呈现在平板电脑或者其它手持设备上。现阶段，协作机器人已经能够和CorePro、PHM、AMMS等知名的工业智能系统进行融合，以做到系统性调度和人机协作。

综合而言，协作机器人为柔性生产带来了四大智能化能力，分别是智能感知、智能控制、智能诊断和智能决策。有了这些能力，协作机器人在整个生产场景中实际上就可以脱离物理束缚，和人类友好地共处。

有了协作机器人，我们看到传统需要大量人工完成的工作都可以让机器人去做。比如柔性物流，协作机器人可以自主完成卸货、转运、码垛、上料等工作。再比如柔性焊接，过往焊接主要靠人工焊接和“龙门焊接”方式，人工焊接限制大、不可靠，“龙门焊接”可靠但不灵活；协作机器人则可以根据不同金属材料、不同焊接材料、不同焊接位置灵活调整。

总结而言，协作机器人和柔性生产是共同促进的，在人力成本不断上升的情况下，其价值会愈发凸显。下面，我们就来看一下哪些元器件在打造协作机器人时能够发挥大价值。

让协作机器人实现

更好运动效果的惯性模块

如果要用两个形容词来描述协作机器人，那么功能强大和小巧灵活肯定是很多人认可的词汇。要想打造这样的协作机器人，能够提供感知能力的传感器就显得非常重要。

比如，上述提到的协作机器人的硬件，其中机体上的手臂和手腕体里就容纳了大量的传感器，这些传感器有的用于力量控制，有的用于状态检测，还有的用于运动控制等等。

实际上，一款协作机器人水平的高低和传感器有非常大的关系，其高精度、灵活性、安全性和高效率都和传感器息息相关。

我们知道现在六轴协作机器人非常火，它通过模仿人类的手臂运动方式，可以在各种环境下进行高度灵活的操作，是目前主流的协作机器人。

下面这款惯性模块便非常适用于打造六轴协作机器人，来自制造商STMicroelectronics，贸泽电子官网上该器件的料号为ISM330ISNTR。

ISM330IS和ISN330ISN

iNEMO惯性模块

图3：ISM330ISNTR

（图源：贸泽电子）

STMicroelectronics的ISM330IS和ISN330ISN iNEMO惯性模块是系统级封装器件，包含一个三轴数字加速度计和一个三轴数字陀螺仪。并且，该套件提供一个传感器中枢，可以进一步嵌入四个外部传感器。

通过嵌入式ISPU（智能传感器处理单元），该器件能够以非常低的功耗在边缘端进行传感器信号处理和执行AI算法。ISPU是一个高性能的可编程核心，通过C语言进行编程，并具有增强型生态系统（带各种库和第三方工具/IDE）。

图4：ISM330IS和ISN330ISN iNEMO

惯性模块内部框图

（图源：STMicroelectronics）

除了可编程和可扩展特性，ISM330IS和ISN330ISN iNEMO惯性模块具有的另一个特色性能是提供可选量程，这些模块的满量程加速度范围为±2/±4/±8/±16g，角速率范围为±125/±250/±500/±1000/±2000dps；此外，这些模块具有出色的低功耗特性，高性能模式下的电流消耗为0.59mA，并且具有常开的低功耗特性，低功耗模式下的电流消耗为0.46mA（仅陀螺仪+加速度计，不包括ISPU）。

基于这些出色的特性，ISM330IS和ISN330ISN iNEMO惯性模块能够助力实现具有出色运行性能的工业协作机器人。

了解协作机器人

状态信息的运动传感器

协作机器人能够独立完成工作任务，也能够和人工合作完成大量复杂的工作任务，当然前提是协作机器人处于一个良好的工作状态下。为了让协作机器人尽量不出现宕机状态，实时监测协作机器人的状态信息是很有必要的。

出于全面了解协作机器人工作状态的目的，研发人员采取了很多手段，比如通过PLC或组态软件对运行状态进行监测；通过传感器获取协作机器人各个关键组件和整体的状态量；还有通过三维仿真进行模拟来进行状态监测等。

下面我们推荐一款能够进行传感器信息监测的MEMS数字输出运动传感器，同样是来自制造商STMicroelectronics，贸泽电子官网上该器件的料号为IIS2DLPCTR。

IIS2DLPC MEMS

数字输出运动传感器

图5：IIS2DLPC MEMS数字输出运动传感器

（图源：贸泽电子）

IIS2DLPC MEMS数字输出运动传感器是一款超低功耗、高性能、三轴线性加速度计。在超低功耗方面，掉电模式下器件功耗仅为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为120μA；在高性能方面，IIS2DLPC具有用户可选的±2g/±4g/±8g/±16g满量程，能够测量1.6Hz至1600Hz输出数据速率的加速度，并提供高达800Hz的带宽；IIS2DLPC具有专用的内部引擎，用于处理运动和加速度检测，包括自由落体、唤醒、高度可配置的单/双击识别、活动/不活动、静止/运动检测、纵向/横向检测和6D/4D定向。

IIS2DLPC设有数字I²C/SPI输出接口，仅有低至90μg/√Hz的超低噪声。另外，IIS2DLPC提供32级FIFO和2个独立的可编程中断，允许用户存储数据以减少主处理器的干预。用户还可通过嵌入式自检功能检查传感器在终端应用中的运行情况。