作者：Allan Lagasca，意法半導(dǎo)體全球智能工業(yè)產(chǎn)品部機(jī)器人產(chǎn)品部戰(zhàn)略項(xiàng)目負(fù)責(zé)人

機(jī)器人早已參與到工業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中。數(shù)十年來，工廠一直依靠自動化技術(shù)來提升生產(chǎn)速度、加工精度與質(zhì)量穩(wěn)定性；但是，新一輪工業(yè)革命與以往不同，隨著傳感器、微控制器、電機(jī)驅(qū)動芯片及邊緣計(jì)算的進(jìn)步，與人類安全、智能、協(xié)同工作的新一類機(jī)器正在興起。

協(xié)作機(jī)器人（簡稱“cobots”）正在重塑人類與技術(shù)的關(guān)系。2024年，協(xié)作機(jī)器人市場規(guī)模達(dá)到21.4億美元，隨著傳感器技術(shù)、微控制器、電機(jī)驅(qū)動器及系統(tǒng)集成的發(fā)展進(jìn)步，到2030年，協(xié)作機(jī)器人市場年均增長率預(yù)計(jì)達(dá)到31.6%。

對協(xié)作機(jī)器人的需求在很大程度上源于制造業(yè)的現(xiàn)實(shí)：公司企業(yè)面臨用工短缺和降本增效壓力，同時(shí)迫切需要更靈活的柔性制造模式，而全自動化并非總是最優(yōu)解。相反，人機(jī)協(xié)作將人類的創(chuàng)造力和適應(yīng)力與機(jī)器人的操縱精度和耐力完美結(jié)合。這一理念高度契合歐盟工業(yè)5.0框架，倡導(dǎo)以人為中心創(chuàng)新，以技術(shù)賦能制造業(yè)，而非取代人類工人。

協(xié)作機(jī)器人是具身智能首批大規(guī)模應(yīng)用之一。具身智能又稱物理人工智能，在一個(gè)機(jī)器內(nèi)整合感知、計(jì)算、運(yùn)動控制和電源管理，這些功能協(xié)同運(yùn)行，直接與現(xiàn)實(shí)世界交互。

安全升級與實(shí)時(shí)響應(yīng)

出于安全考慮，傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人通常安置在防護(hù)圍欄內(nèi)，避免機(jī)器人與人類直接接觸。協(xié)作機(jī)器人走出防護(hù)圍欄，裝備先進(jìn)傳感器、安全系統(tǒng)和控制架構(gòu)，可與人類工人共享工作空間，同時(shí)保持絕對的可靠性。協(xié)作機(jī)器人為開發(fā)者帶來了巨大的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，而解決辦法大多都離不開半導(dǎo)體創(chuàng)新。

近距離安全作業(yè)能力是協(xié)作機(jī)器人的核心特征之一。要實(shí)現(xiàn)這種安全狀態(tài)，機(jī)器人必須有接觸或接近感知能力，并瞬間做出反應(yīng)。功能安全是直接集成在協(xié)作機(jī)器人的微控制器與電機(jī)驅(qū)動芯片內(nèi)。

符合ISO 73481等安全標(biāo)準(zhǔn)至關(guān)重要，但真正的安全取決于確定性性能，即每一個(gè)信號都必須在可預(yù)測的固定時(shí)間內(nèi)連續(xù)到達(dá)控制器。

這種響應(yīng)能力依托將微控制器、傳感器、電機(jī)控制、電源管理和通信功能融為一體的高度集成化實(shí)時(shí)控制平臺。因此，安全不再是單一的功能，而是一個(gè)系統(tǒng)的屬性。

環(huán)境感知能力

協(xié)作機(jī)器人需要了解周圍的立體空間。協(xié)作機(jī)器人依靠ToF（飛行時(shí)間）傳感器、拉力扭力傳感器和接近傳感器了解周圍環(huán)境，這完全不同于僅依賴簡單二維視覺技術(shù)感知環(huán)境的早期工業(yè)機(jī)器人。

協(xié)作機(jī)器人使用邊緣人工智能在本地處理傳感器數(shù)據(jù)流，實(shí)時(shí)識別運(yùn)動，測量距離。感知力結(jié)合本地智能讓協(xié)作機(jī)器人能夠主動反應(yīng)，而非被動反應(yīng)，當(dāng)附近有人類走動時(shí)，能夠流暢地調(diào)整自身運(yùn)動軌跡，這種實(shí)時(shí)環(huán)境建模正是實(shí)現(xiàn)真正的運(yùn)動協(xié)作的關(guān)鍵所在。

智能控制與運(yùn)動

協(xié)作機(jī)器人的動作必須輕柔而精準(zhǔn)。在實(shí)際應(yīng)用中，這意味著必須平衡扭力、拉力與觸感靈敏度的關(guān)系。先進(jìn)電機(jī)驅(qū)動芯片集成了電流檢測與閉環(huán)控制功能，讓機(jī)器人能夠流暢地運(yùn)動，自動調(diào)節(jié)運(yùn)動方向和力度。當(dāng)協(xié)作機(jī)器人舉升或操縱不同重量和不同材質(zhì)的物體時(shí)，嵌入式算法可以動態(tài)調(diào)整扭力。

這類控制系統(tǒng)還需要處理好散熱和噪聲問題，這兩個(gè)因素很容易被人們忽視，但是，在人機(jī)共享工作空間時(shí)，散熱和噪聲是兩個(gè)重要的問題。協(xié)作機(jī)器人必須把體表溫度控制在40°C以下，近乎靜音運(yùn)行，才能營造人類工人所需的安全感和舒適感。

系統(tǒng)集成和能效

協(xié)作機(jī)器人與早期自動化設(shè)備的最大區(qū)別在于系統(tǒng)同步程度。對于系統(tǒng)同步，每毫秒都至關(guān)重要。傳感器、控制器、執(zhí)行器是機(jī)器人的“肌肉”，這些元器件與功率器件必須實(shí)時(shí)通信，不能有任何延遲，實(shí)時(shí)性依賴于半導(dǎo)體集成技術(shù)。多核微控制器與時(shí)敏網(wǎng)絡(luò)（TSN）技術(shù)保證通信時(shí)序連續(xù)穩(wěn)定，多軸協(xié)調(diào)運(yùn)動。電源管理系統(tǒng)保證機(jī)器人電源穩(wěn)定，同時(shí)把電能高效地轉(zhuǎn)換成不同電壓。最終，這些系統(tǒng)整合成一個(gè)統(tǒng)一的機(jī)器人系統(tǒng)，確保機(jī)器人的每個(gè)動作都精準(zhǔn)無誤，從容不迫，一絲不茍。

賦能動作協(xié)調(diào)的并非是某一個(gè)單獨(dú)部件，而是高度集成的半導(dǎo)體平臺，將感知、計(jì)算、運(yùn)動控制、電源管理、通信和功能安全整合為確定性實(shí)時(shí)架構(gòu)。

協(xié)作機(jī)器人的價(jià)值所在

協(xié)作機(jī)器人已經(jīng)在改變那些要求作業(yè)精準(zhǔn)度和安全性，同時(shí)又需要人類監(jiān)控的行業(yè)。

在電子制造業(yè)，協(xié)作機(jī)器人承擔(dān)小規(guī)模重復(fù)性裝配工作，而人類則專注質(zhì)檢品控；在汽車制造業(yè)，協(xié)作機(jī)器人舉升和緊固重型零部件，減少工人肌肉拉傷事故，提升汽車裝配品質(zhì)的一致性；在物流行業(yè)，協(xié)作機(jī)器人配合人類工人打包，精準(zhǔn)高效地搬運(yùn)、分揀倉儲貨物；甚至在醫(yī)療領(lǐng)域，協(xié)作機(jī)器人也開始扮演重要角色，例如，協(xié)助人類完成化驗(yàn)，管理醫(yī)療物資，輔助患者護(hù)理。

上述每一種應(yīng)用都代表制造業(yè)從僵硬的自動化向柔性的人機(jī)協(xié)作的轉(zhuǎn)型，實(shí)現(xiàn)人類的判斷力與機(jī)器人的操控一致性的優(yōu)勢互補(bǔ)，最終的結(jié)果是不僅是提高了生產(chǎn)效率，還營造了一個(gè)更安全、更令人滿意的工作環(huán)境。

協(xié)作機(jī)器人的未來

協(xié)作機(jī)器人不會取代所有的自動化生產(chǎn)線，不適合所有的生產(chǎn)環(huán)境。但是，在人類生產(chǎn)技能創(chuàng)造附加值的環(huán)境中，協(xié)作機(jī)器人將是制造業(yè)的下一個(gè)發(fā)展階段，體現(xiàn)了我們對自動化認(rèn)知的根本轉(zhuǎn)變，對嵌入式電子的信任以及其響應(yīng)速度和精細(xì)智能是自動化演進(jìn)的原動力。

此外，協(xié)作機(jī)器人背后的高性能感知、邊緣計(jì)算、高效電源控制等技術(shù)，還在為智能工業(yè)塑造一個(gè)更廣闊的未來前景。這些系統(tǒng)可以降低延遲，提升能效，讓機(jī)器能夠?qū)崟r(shí)了解環(huán)境。

協(xié)作機(jī)器人是智能機(jī)器走進(jìn)人類工作環(huán)境的大趨勢的萌芽階段，也為未來各行業(yè)的具身智能系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)。

各行各業(yè)尋求在保持競爭力的同時(shí)守護(hù)人類福祉，而協(xié)作機(jī)器人展現(xiàn)了自動化的下一個(gè)發(fā)展方向。協(xié)作機(jī)器人的崛起，并非是用機(jī)器取代人類，而是重新定義人機(jī)協(xié)作方式，在未來幾年，打造更智能、更以人為本的生產(chǎn)模式。