電子發(fā)燒友網(wǎng)報道（文/李寧遠(yuǎn)）多年來，機(jī)器人一直在制造工業(yè)中扮演著重要角色。不論是大型的工業(yè)機(jī)械臂還是中小型的工業(yè)機(jī)器人，自動化工廠需要這些高效率、高精確的機(jī)器來提升制造水平。

隨著自動化工廠向智能化、柔性化轉(zhuǎn)變，傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人不夠智能，不夠靈活的劣勢愈發(fā)明顯。智能化柔性化發(fā)展趨勢下，自動化工廠需要更智能更靈活的機(jī)器人來完成產(chǎn)線工作。所以近幾年，協(xié)作機(jī)器人迅速成為工業(yè)自動化領(lǐng)域備受重視的機(jī)器人類型。

協(xié)同、智能，協(xié)作機(jī)器人成為自動化升級重要推手

協(xié)作機(jī)器人，是在傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人的基礎(chǔ)上發(fā)展出的新型工業(yè)機(jī)器人。其核心，在于“協(xié)作”二字。傳統(tǒng)的工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用在固定的獨(dú)立區(qū)域內(nèi)，機(jī)器人只能和機(jī)器人一起工作完成固定的產(chǎn)線任務(wù)，人和機(jī)器人是分開的，不存在協(xié)同工作的概念。

協(xié)作機(jī)器人強(qiáng)調(diào)機(jī)器人與人的互動與協(xié)同，它們被設(shè)計用于直接與人共享工作空間，人與機(jī)器人共同組成靈活快速的生產(chǎn)單元，而無需像傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人那樣為了安全設(shè)置安全柵欄或隔離措施。

協(xié)作機(jī)器人的出現(xiàn)，讓機(jī)器人不再是單純的機(jī)械替代，而是成為人類工作者的“同事”。它們可以在需要高度靈活性和創(chuàng)造力的場合中輔助人類，使生產(chǎn)過程更加高效和個性化。人和機(jī)器人一起工作的人機(jī)協(xié)作模式，可以提高效率、加強(qiáng)質(zhì)量控制、增強(qiáng)生產(chǎn)的靈活性，減少物流線的成本，讓自動化工業(yè)更加智能更加靈活。

機(jī)器人毫無疑問是智能制造工業(yè)的支撐設(shè)備，而人機(jī)協(xié)作正在成為下一代工業(yè)智能機(jī)器人的本質(zhì)特征。

協(xié)作機(jī)器人在制造業(yè)和非制造業(yè)市場都有應(yīng)用，其中制造業(yè)無疑是協(xié)作機(jī)器人最重要的行業(yè)。根據(jù)Omdia的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，2022年，協(xié)作機(jī)器人應(yīng)用在制造業(yè)占比約為80.2%，全球市場規(guī)模為20億美元。同時Omdia預(yù)測到2027年，全球協(xié)作機(jī)器人市場將達(dá)到48億美元，復(fù)合年增長率為19.1%。

Grand View Research給出的預(yù)測更積極，預(yù)計全球協(xié)作機(jī)器人市場將以32%的復(fù)合年增長率到2030年的110.4億美元。

在國內(nèi)市場，根據(jù)GGII的數(shù)據(jù)分析，預(yù)計至2026年，中國協(xié)作機(jī)器人的年銷量將接近10萬臺，市場規(guī)模將超過60億元人民幣。

國產(chǎn)協(xié)作機(jī)器人的崛起，整體價格進(jìn)一步下降，未來，隨著柔性生產(chǎn)、人機(jī)安全協(xié)同、產(chǎn)業(yè)多樣化和安全需求的增加，協(xié)作機(jī)器人在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用會顯著上升。

協(xié)作機(jī)器人背后的核心半導(dǎo)體組件需求

機(jī)器人作為智能軟硬件結(jié)合的代表，其豐富功能的實現(xiàn)離不開背后核心的半導(dǎo)體組件。像協(xié)作機(jī)器人這種追求高精準(zhǔn)度高靈活性的設(shè)備，在設(shè)計時需要采用多軸電機(jī)控制。

不同于以往傳統(tǒng)的工業(yè)機(jī)器人，協(xié)作機(jī)器人需要使用具有較高原始性能的MCU/MPU來更快地完成控制處理，并具有更多計算帶寬來提供更多靈活的功能以滿足日益增長的自動化和智能需求，避免系統(tǒng)因通信、處理和采集延遲而降級，畢竟協(xié)作機(jī)器人需要持續(xù)測量電機(jī)電流、電壓和位置來精確控制電機(jī)的位置和速度，還需要處理外部傳感器提供的環(huán)境信息。

目前一些在協(xié)作機(jī)器人里應(yīng)用比較典型的，如ST基于Cortex-M7內(nèi)核的STM32F7系列、TI的Sitara系列、瑞薩的RA8等等，都是目前協(xié)作機(jī)器人實時控制方案里較為領(lǐng)先處理能力的代表，協(xié)作機(jī)器人必須同時處理來自多個軸的輸入，快速處理是至關(guān)重要的。

實時性控制是保障協(xié)作機(jī)器人安全操作的前提，也是多機(jī)合作人機(jī)協(xié)作的基礎(chǔ)。除了實時控制能力，通信是其中同樣重要的一環(huán)，目前工業(yè)領(lǐng)域通信協(xié)議非常多，如EtherCAT、Profinet、Ethernet/IP、CC Link IE，還有各種編碼器協(xié)議，數(shù)據(jù)的傳輸延遲幾乎決定了協(xié)作機(jī)器人的同步性，傳輸?shù)难舆t是影響機(jī)器人多軸協(xié)同的重要參數(shù)，不能提供穩(wěn)定的低延遲通信那么多軸機(jī)器人的同步性就大打折扣。

將多協(xié)議支持能力集成到主處理器中，是非常有必要的。這樣不僅有助于節(jié)省設(shè)計成本、縮減布板空間和減少開發(fā)工作量，同時還可以更大限度地減少外部組件與主機(jī)之間通信的相關(guān)延遲。

TSN的應(yīng)用在很多工業(yè)4.0應(yīng)用中都有提到，TSN的引入對協(xié)作機(jī)器人來說意義重大，是未來非常有潛力的方向。TSN將進(jìn)一步增強(qiáng)協(xié)作機(jī)器人的實時控制和協(xié)同操作，并提高機(jī)器人系統(tǒng)的靈活性和響應(yīng)能力。協(xié)作機(jī)器人的中央處理器板需要有這種可拓展性，能夠適應(yīng)不斷發(fā)展的TSN標(biāo)準(zhǔn)。現(xiàn)在很多半導(dǎo)體廠商提供的協(xié)作機(jī)器人方案都會重視在實時通信協(xié)議和TSN上支持。

隨著自主決策與操作的發(fā)展以及人機(jī)交互的不斷增加，協(xié)作機(jī)器人應(yīng)用對功能安全的需求也在增加，功能安全合規(guī)型的器件采用也是很有必要的。

在傳感方面，機(jī)器人涉及的傳感非常多，3D視覺傳感是和協(xié)作機(jī)器人最常被一起提及的，協(xié)作機(jī)器人的精準(zhǔn)識別需要3D視覺技術(shù)予以支持。以往比較常用的是用英特爾一整套SoC或者視覺處理平臺來做，現(xiàn)在國內(nèi)像全志，肇觀、瑞芯微視覺芯片在協(xié)作機(jī)器人市場也應(yīng)用得很多。

AI加速與協(xié)作機(jī)器人融合

Omdia報告預(yù)計2028年全球機(jī)器人人工智能芯片組市場規(guī)模將達(dá)到8.66億美元，大大推動AI在機(jī)器人領(lǐng)域的普及。NVIDIA、Qualcomm、Intel和AMD等不少廠商都已經(jīng)推出了針對機(jī)器視覺、導(dǎo)航和測繪以及功能安全等設(shè)備端機(jī)器人應(yīng)用的人工智能SoC或者專用人工智能芯片組。

邊緣AI在機(jī)器人中的應(yīng)用已經(jīng)取得了一定的成績，借助邊緣AI，協(xié)作機(jī)器人可以做出快速反應(yīng)，有效避免潛在風(fēng)險，增強(qiáng)安全保障。像上面提到的視覺傳感，已經(jīng)實現(xiàn)了使用視覺輸入邊緣AI系統(tǒng)通過單個攝像頭在生產(chǎn)線上實現(xiàn)質(zhì)量控制，或通過多個傳感設(shè)備在協(xié)作機(jī)器人中實現(xiàn)功能安全。邊緣AI與協(xié)作機(jī)器人的融合已經(jīng)取得了不錯的應(yīng)用效果。

隨著生成式AI爆火，其強(qiáng)大應(yīng)用潛力已然不用贅述，進(jìn)步神速的GenAI不但有效提升了工作生活的效率和質(zhì)量，更推動了機(jī)器人行業(yè)的進(jìn)化，機(jī)器人與GenAI正在加速融合。Google 、Meta、OpenAI 和豐田等公司正在其機(jī)器人應(yīng)用中試用或測試各種基礎(chǔ)模型，達(dá)閥、獵戶星空等中國機(jī)器人供應(yīng)商也已經(jīng)成功開發(fā)出自己的基礎(chǔ)模型，并計劃將這些模型與客戶端軟件系統(tǒng)集成。

在協(xié)作機(jī)器人的終極形態(tài)——人形機(jī)器人短期內(nèi)還不可能大范圍推廣的背景下，協(xié)作機(jī)器人是生成式AI較為成熟的應(yīng)用形式。Omdia應(yīng)用智能首席分析師也提到，通過各種大模型技術(shù)優(yōu)化擴(kuò)展機(jī)器人中生成式AI的功能來強(qiáng)化實時控制和性能是必需的。實時控制的進(jìn)一步強(qiáng)化，也正是協(xié)作機(jī)器人需要的。

小結(jié)

協(xié)作機(jī)器人正在成為自動化領(lǐng)域的新寵，而Interact Analysis在去年發(fā)布的《協(xié)作機(jī)器人市場洞察與分析》中指出，協(xié)作機(jī)器人非工業(yè)應(yīng)用市場也在迅速崛起，潛力巨大。更智能、更靈活、更自主的協(xié)作機(jī)器人正在打開未來人機(jī)協(xié)同的大門。