【導讀】工業機器人是一種能自動執行任務的機械裝置，它可以響應人類指令，運行預先編制的應用程序。那些大型和重型機器人，常常被放置在工業廠房內的固定位置，工人們的任務和生產過程基本圍繞著它們展開。這是因為，工業機器人能有效減輕惡劣環境對生產和制造過程的影響，幫助企業降低生產成本，提高生產效率，同時確保產品的質量。優化生產線，使其更加靈活并適應每個客戶的特定需求是工業機器人的主要目標。
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工業機器人
工業機器人是一種能自動執行任務的機械裝置，它可以響應人類指令，運行預先編制的應用程序。那些大型和重型機器人，常常被放置在工業廠房內的固定位置，工人們的任務和生產過程基本圍繞著它們展開。這是因為，工業機器人能有效減輕惡劣環境對生產和制造過程的影響，幫助企業降低生產成本，提高生產效率，同時確保產品的質量。優化生產線，使其更加靈活并適應每個客戶的特定需求是工業機器人的主要目標。
如今，不僅僅是大公司裝配了大量的工業機器人，越來越多的中小企業通過引入工業機器人實現了生產成本的降低，盈利能力大幅增強。因此，作為智能工廠的主要支柱之一，在短短幾十年內，工業機器人的普及率得到迅速提升。
什么是工業機器人？
近年來，有關工業機器人系統的定義有了很大發展。根據國際標準ISO 8373:2012的定義，工業機器人是“一種多功能、可重編程、自動控制的機械手，可在三個或更多軸上編程，可固定在一個區域或移動用于工業自動化應用”。
工業機器人在外形上通常不是類人機器人，盡管它們能夠再現人類的運動和行為，但具有機器的力量、精度和速度。在制造業中，我們認為工業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的勞動力。
1961年，第一個工業機器人Unimate加入了位于美國新澤西州尤因鎮的通用汽車工廠的裝配線，實際上它是一個自動壓鑄模具，在工作中需要將熱的車門把手和其他汽車零件放到生產線上的冷卻桶中，接下來再將這些零件運到工人那里進行最終的精加工和拋光。從國際機器人聯合會（International Federation of Robotics）的統計數據中可以看出，自2010年以來，汽車行業一直是工業機器人的最重要客戶。
根據Markets and Markets的最新數據，工業機器人市場預計將從2022年的157億美元增長到2027年的308億美元；在預測期內，預計復合年增長率將達到14.3%。從應用角度看，汽車行業中的工業機器人有著很高應用率，例如在裝配線中移動車身以及安裝機械和電子部件等，這也是工業機器人市場持續發展的主要推動力。2022年，搬運應用占據了工業機器人市場的最大份額。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機器人市場上占據較大份額。圖1顯示了近些年移動機器人安裝量的演變以及對未來市場的預測。
圖1：2015年—2020年工業機器人年度安裝量以及2021年—2024年度發展展望
（圖源：2021世界機器人技術報告）
從技術角度看，工業機器人的進一步發展是由可與人類安全操作的協作機器人的引入所推動的。過去，出于安全考慮，機器人大多被限制在籠子或封閉環境中，以避免與人類一起工作時發生碰撞事故。現在的機器人因裝備了大量傳感器和軟材料，同時具備了深度學習能力，其安全性得到很大改善。加之協作機器人通常也比以前的機器人更輕、更易移動、成本也更低，因此該產品一經問世即得到用戶的認可。根據權威機構的預測，全球協作機器人市場預計將從2018年的7.1億美元增長到2025年的123億美元。屆時，協作機器人將占所有工業機器人的35%左右，高于2018年的11%。
工業機器人類型
目前，工業制造業主要有五種類型的機器人，即：鉸接式機器人、Delta機器人、SCARA機器人、笛卡爾機器人和協作機器人，其中最常見的是鉸接式機器人。
● 鉸接式機器人：有2—10個（或更多）的關節，通過扭轉關節與底座相連，通常擁有四到六個自由度，具有大范圍或大尺寸、有效載荷能力。FANUC Lr Mate 200id就是一個六軸鉸接式機器人。
● Delta機器人：也被稱為三角式機器人，在工業機器人中屬于并聯式機器人。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：采用柔順關節機械臂（SCARA）設計，有兩個平行旋轉關節，可在單個平面上操作，專門用于橫向運動。
● 笛卡爾機器人：使用笛卡爾坐標系（X、Y和Z）在三個線性軸上工作，這意味著它們將使用三個滑動關節上下、內外和左右移動。笛卡爾機器人是常用的一種工業機器人，通常用于數控機床或3D打印。
● 協作機器人：擁有先進的安全功能，可直接進行人機交互。
汽車、電子、航空航天、食品和醫療行業是工業機器人目前最主要的應用領域，隨著技術的進步，工業機器人能夠在從簡單到復雜的過程中進行大批量到小批量的生產，如弧焊、點焊、組裝、碼垛、材料移除、檢查、材料處理和包裝，這些都是其最常見的應用。ABB集團、FANUC、川崎重工、KUKA、三菱電氣、羅克韋爾、Robert Bosch、西門子和安川電氣等是市場上的主要工業機器人提供商。
四種關鍵傳感器技術
工業機器人由五個主要部件組成：控制器、傳感器、機械手、末端執行器和驅動器。傳感器技術是工業機器人最關鍵的應用科學之一，它使機器人能夠像人類一樣導航和檢測環境變化，并在棘手的情況下做出準確的決策。對于機器人而言，特別是在工業自動化中，傳感器必須正確地提供關鍵數據，才能實現相關的復雜程序。為了確保工業自動化過程中的合理控制和操作，工業機器人采用了大量的傳感器。例如，協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所的安全。那么，工業機器人中究竟包括哪些傳感器技術呢？
隨著新技術的不斷涌現，傳感器在機器人上的使用不斷增加。工業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過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米時小于2%的水平。該攝像頭還集成了一個慣性測量單元（IMU），以便于應用程序在攝像頭移動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人機的環境感知能力也會得到有效提升。
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境的位置；也可用于運動跟蹤系統，以跟蹤機器人和其他物體的運動，幫助控制機器人的移動；還可用于目標檢測，識別和跟蹤環境中的對象，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傳感器類型，非常適合對定位有較高要求的工業機器人應用。意法半導體（ST）的ToF傳感器是一體化（發射器、接收器和處理器）系統，具有簡單易用、經濟劃算和體積小等特點。其新一代產品VL53L5CX是一款通用多區測距FlightSense ToF傳感器，在一個小型封裝內集成了SPAD陣列、物理紅外濾波片、衍射光學元件（DOE），適合各種室內光線環境，可為多目標檢測應用提供多達64個測距區，每區最長測量距離達4米。得益于ST的直方圖專利算法，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。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率并減少停機時間。霍尼韋爾的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勢。
碰撞檢測傳感器（Collision Detection Sensors）
碰撞檢測技術可以大幅提高機器人的操作安全性。該技術涉及觸覺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傳感器，這些傳感器為機器人提供了在生產車間安全工作的屏障，它們可以被集成在機器人手腕和EOAT之間。大多數協作機器人都通過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周圍安全運行。
根據Technavio的預測，從2020年到2025年，工業機器人傳感器市場規模預計將增加17億美元，復合年增長率達到7.76%。在預測期內，62%的市場增長將來自亞太地區，其中，中國和日本是亞太地區工業機器人傳感器市場的主要貢獻者。
圖4：2020年—2025年工業機器人傳感器市場規模
（圖源：Technavio）
工業機器人的未來
根據Interact Analysis 的分析，2017年是工業機器人行業的好年景，收入增長了20%。但自2018年起，工業機器人技術的最大使用者——汽車行業，消費需求疲軟。受此影響，工業機器人市場下滑，2019年—2020年這兩年，收入減少了10%。2021年，工業機器人市場出現了反彈，出貨量同比增長31.9%，在此過程中，中國市場做出很大貢獻，在亞洲的工業機器人發貨量中占到52.5%。
勞動力成本的持續增長、機器人價格的持續下降、從大規模生產轉向半定制生產的趨勢、對更短更快產品周期以及進一步提高生產效率和產品質量的需求，這些都將成為進一步推動工業機器人大規模采用的驅動力。Research and Markets的分析表明，機器人技術的市場增長前景十分樂觀，在汽車、電氣和電子、建筑、醫療和國防領域，機器人技術具有巨大的增長潛力，預計全球機器人市場將從2021年的558億美元增長到2026年的918億美元，在2021-2026年的預測期內，復合年增長率為10.5%。從細分市場看，全球工業機器人市場預計將從2021年的280億美元增長到2026年的422億美元，復合年增長率為8.6%。
過去，機器人被要求執行非常具體的任務，通常在固定的位置。今天，隨著傳感技術的引入，工業機器人的外形和功能，以及協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境中安全工作，并記錄有關的環境信息。為此，我們還能同步收集制造過程中每個步驟的數據，以實現完全的可追溯性和詳細的數據分析，為未來做出更好的決策提供保障。
作為自動化生產過程中的關鍵參與者，工業機器人直接影響著行業的自動化水平。隨著工業產品的復雜性和精度不斷提高，對機器人的要求也會越來越復雜和苛刻。以低成本提供高質量產品是阻礙工業機器人傳感器市場增長的關鍵挑戰之一。目前來看，機器人傳感技術已經從簡單的光電和觸摸開關發展到高級觸覺、聲音和視覺傳感器，隨著新興傳感技術和產品的出現，機器人將被賦予更多的感知能力。
來源：Mouser
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