縱觀人類歷史上的每一步飛躍，都離不開機(jī)器的身影。蒸汽機(jī)鳴響推動(dòng)了第一次工業(yè)革命，內(nèi)燃機(jī)引擎點(diǎn)燃了第二次工業(yè)革命，如今以新一代信息技術(shù)為核心的改革余溫還未消散，工業(yè)4.0又迎來了以協(xié)作機(jī)器人、AI、大數(shù)據(jù)等為主的發(fā)展新動(dòng)力，其中促進(jìn)協(xié)作機(jī)器人的發(fā)展更是工業(yè)4.0的核心戰(zhàn)略。

在2023世界機(jī)器人大會(huì)上發(fā)布了這樣一組數(shù)據(jù)：2022年度全球工廠中新安裝工業(yè)機(jī)器人數(shù)量為553052臺(tái)，同比增長(zhǎng)5％。根據(jù)地區(qū)劃分，其中亞洲占73％，歐洲占15％，美洲占10％。國(guó)際機(jī)器人聯(lián)合會(huì)主席Marina Bill表示，2023年新安裝工業(yè)機(jī)器人數(shù)量連續(xù)第二年超過了50萬臺(tái)，預(yù)計(jì)2023年全球工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)增速為7％，或超過59萬臺(tái)。毋庸置疑，當(dāng)下工業(yè)協(xié)作機(jī)器人產(chǎn)業(yè)正迎來蓬勃發(fā)展的時(shí)代。

打造工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)化地基，多維度精確傳感器是關(guān)鍵

數(shù)據(jù)是一切自動(dòng)化的基礎(chǔ)，在工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用中同樣如此，工業(yè)機(jī)器人的智能化需要大量的數(shù)據(jù)支持，另一方面，數(shù)據(jù)的質(zhì)量和準(zhǔn)確性是智能化的關(guān)鍵，不準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)可能導(dǎo)致錯(cuò)誤的決策，影響生產(chǎn)效率和質(zhì)量。而傳感器則是數(shù)據(jù)搜集的核心窗口，其為工業(yè)機(jī)器人提供觸覺，是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)控制的重要環(huán)節(jié)。它能感受到被測(cè)量的信息，并能將感受到的信息按一定規(guī)律變換成電信號(hào)或其他形式的信息輸出。在自動(dòng)化生產(chǎn)過程中需要用各種傳感器來監(jiān)視和控制各個(gè)參數(shù)，使設(shè)備工作在正常狀態(tài)或良好狀態(tài)，并使產(chǎn)品達(dá)到更好的質(zhì)量。

以磁性位置傳感器為例。磁性位置傳感器是當(dāng)前服務(wù)、工業(yè)機(jī)器人中廣泛使用的傳感器技術(shù)之一，幾乎機(jī)器人的每個(gè)關(guān)節(jié)都使用兩個(gè)或多個(gè)位置傳感器。在這方面，霍尼韋爾的SMART 位置傳感器是其中的佼佼者。SMART 角位移型位置傳感器是一款非接觸式傳感解決方案，既能進(jìn)行高度精確的運(yùn)動(dòng)控制，又能改善運(yùn)行效率和安全性。此霍尼韋爾位置傳感器利用磁阻技術(shù)檢測(cè)一個(gè)磁體在兩個(gè)可選傳感范圍內(nèi)相對(duì)于傳感器的位置：0o 至 100o和 0o 至 180o。

SMART 位置傳感器提供自診斷功能和數(shù)據(jù)收集功能，具有高可靠性并可實(shí)現(xiàn)閉環(huán)反饋控制。

這些裝置采用了專用集成電路 (ASIC) 和磁阻 (MR) 傳感器陣列的組合來精確并可靠地確定貼附在移動(dòng)物體上的磁體的位置，以便確定或控制此對(duì)象的位置。MR 陣列可測(cè)量沿著磁體運(yùn)動(dòng)方向安裝的 MR 傳感器的輸出。利用輸出和 MR 傳感器序列可確定與磁體位置中心距離最近的一對(duì) MR 傳感器。然后這兩個(gè) MR 傳感器的輸出可用于確定它們之間的磁體位置。

SMART 表示這是可以獨(dú)立思考的傳感器。SMART 位置傳感器提供自診斷功能和數(shù)據(jù)收集功能，具有高可靠性并可實(shí)現(xiàn)閉環(huán)反饋控制。

人機(jī)協(xié)作也是工業(yè)機(jī)器人的重點(diǎn)領(lǐng)域之一，進(jìn)一步開發(fā)和擴(kuò)展同時(shí)也對(duì)協(xié)作機(jī)器人的安全性提出了更高的要求。對(duì)此，TE推出了一款用于協(xié)作機(jī)器人的安全扭矩傳感器，其典型應(yīng)用于機(jī)器人或機(jī)器臂上，能夠幫助工業(yè)制造領(lǐng)域?qū)ιa(chǎn)流程的狀態(tài)監(jiān)測(cè)。安全扭矩傳感器通常集成在協(xié)作機(jī)器人的關(guān)節(jié)單元中。它可以監(jiān)測(cè)協(xié)作機(jī)器人上各種旋轉(zhuǎn)樞軸點(diǎn)的機(jī)械扭矩。既可以防止不當(dāng)?shù)牟僮鲗?duì)機(jī)械臂本身造成損害，也可以大程度地避免工人受傷的潛在風(fēng)險(xiǎn)。據(jù)悉，TE的安全扭矩傳感器可為精度和速度均得到提升的新一代人機(jī)協(xié)作機(jī)器人提供功能安全性，并且TE的環(huán)形安全扭矩傳感器設(shè)計(jì)為集成在每個(gè)協(xié)作機(jī)器人接頭中，滿足 ISO13849 Category 3 PL d 的新安全要求。

另一方面，工業(yè)制造設(shè)備正變得更高效與智能，但設(shè)備本身的維護(hù)工作卻仍存巨大挑戰(zhàn)，國(guó)際自動(dòng)化學(xué)會(huì)ISA曾有數(shù)據(jù)顯示，全球制造商每年因設(shè)備故障停機(jī)遭受的損失高達(dá)6470億美元。電機(jī)被譽(yù)為“工業(yè)之母”，是現(xiàn)代工業(yè)動(dòng)力來源主要的核心之一，因此針對(duì)電機(jī)的預(yù)測(cè)性維護(hù)是行業(yè)的重要課題，也是包括TE在內(nèi)諸多工業(yè)領(lǐng)域的優(yōu)質(zhì)供應(yīng)商聚焦的熱點(diǎn)技術(shù)。

對(duì)此，TE設(shè)計(jì)了 8911 無線加速度傳感器，8911 是一款緊湊型 LoRaWAN （868/915MHz）無線加速度傳感器，可進(jìn)行邊緣計(jì)算以監(jiān)測(cè)狀態(tài)。8911 無線加速度傳感器采用LoRaWAN A 級(jí)，該協(xié)議提供更長(zhǎng)的傳輸距離，并且不易受到外部信號(hào)干擾。它還提供了安全的方法，即將基于狀態(tài)的維護(hù)擴(kuò)展至有線系統(tǒng)安裝費(fèi)用過高的工廠區(qū)域，從而將數(shù)據(jù)傳輸?shù)浆F(xiàn)有過程控制和信息系統(tǒng)。LoRaWAN 可以安裝在管理網(wǎng)絡(luò)或客戶自己的私人網(wǎng)絡(luò)中。

另外，8911 無線加速度傳感器提供環(huán)境溫度并在設(shè)備中計(jì)算 FFT（快速傅里葉變換）。它傳輸前 8 個(gè)相關(guān)的峰值頻率，并將傳感器、數(shù)據(jù)采集器和 LoRaWAN無線設(shè)備集成在一個(gè)緊湊的電池供電設(shè)備中。

在工業(yè)領(lǐng)域深耕多年的模擬巨頭ADI同樣有推出相關(guān)的解決方案智能電機(jī)傳感器（SMS），便是典型的預(yù)測(cè)性維護(hù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)。據(jù)了解，該解決方案僅需4顆可更換的1.5V AA鋰電池供電，器件內(nèi)部集成了ADI高性能傳感器、精密轉(zhuǎn)換器和信號(hào)鏈，能捕獲電機(jī)的振動(dòng)、溫度、速度和磁通量等各種參數(shù)，在早期就能檢測(cè)出電機(jī)異常狀況，并通過Wi-Fi連接將這些數(shù)據(jù)安全地發(fā)送到后端云進(jìn)行處理。云上運(yùn)行并集成到Web應(yīng)用中的人工智能引擎分析數(shù)據(jù)并監(jiān)控電機(jī)的運(yùn)行狀況，使客戶可以在手機(jī)移動(dòng)應(yīng)用程序或PC端網(wǎng)絡(luò)儀表板上實(shí)現(xiàn)7x24小時(shí)電機(jī)狀況監(jiān)控。

聚焦機(jī)器人智能化水平，高性能MCU賦能運(yùn)動(dòng)控制

隨著AI、大數(shù)據(jù)等新技術(shù)正與機(jī)器人技術(shù)深度融合，機(jī)器人在位置、速度、動(dòng)作順序等控制方式上也更加復(fù)雜、精細(xì)和智能化，這對(duì)機(jī)器人控制器的功能、性能和接口提出了新的挑戰(zhàn)，于是高性能和高集成度的MCU則成為了機(jī)器人主控制器芯片的主流方案。目前40nm已成為MCU的成熟工藝，未來在更先進(jìn)工藝下設(shè)計(jì)的MCU，采用更高性能的內(nèi)核，其性能將得到大幅度提升，同時(shí)將部分核心控制算法進(jìn)行硬件化加速，內(nèi)置更高精度的ADC等，在提升機(jī)器人控制響應(yīng)速度和精度的同時(shí)，還可降低系統(tǒng)成本。

作為全球前列的半導(dǎo)體巨頭Microchip在多軸運(yùn)動(dòng)控制上的實(shí)力獨(dú)樹一幟，其中的SAM系列的高性能MCU一直是相當(dāng)獨(dú)特的存在。SAM S70和E70使用了300MHz的ArmCortex-M7內(nèi)核。一般來說，添加DSP數(shù)據(jù)處理指令的M4已經(jīng)足夠應(yīng)付工業(yè)機(jī)器人多軸運(yùn)控。如果考慮到拓展功能，添上FPGA也足以應(yīng)付目前絕大多數(shù)工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用，但SAM S70和E70在追求優(yōu)質(zhì)的性能。

例如S70在擁有高主頻的同時(shí)擁有高達(dá)64 KB緊耦合內(nèi)核內(nèi)存，可以快速驅(qū)動(dòng)FOC控制。為了實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)的速度，S70采用了一對(duì)2 Msps雙的采樣12 bit ADC引擎。再加上先進(jìn)的模擬外設(shè)、16 bit PWM與16 bitTimers，S70可以輕松地以高性能實(shí)現(xiàn)多軸控制與雙電機(jī)控制。

近年來，本土的MCU廠商也在不斷加快產(chǎn)業(yè)布局，加大產(chǎn)品研發(fā)力度，技術(shù)實(shí)力正在迅速提升。作為優(yōu)質(zhì)的國(guó)產(chǎn)MCU廠商，國(guó)民技術(shù)在機(jī)器人控制應(yīng)用領(lǐng)域早有布局，旗下工業(yè)增強(qiáng)級(jí)MCU具有優(yōu)異的電機(jī)控制算法技術(shù)和強(qiáng)大的處理性能、豐富的高速模擬器件與數(shù)字通信接口，可助力客戶輕松完成產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)，開發(fā)出功能更為強(qiáng)大和智能化程度更高的機(jī)器人產(chǎn)品。

當(dāng)前，國(guó)民技術(shù)32位工業(yè)增強(qiáng)級(jí)MCU，如N32G45X、N32G43X和N32G030等系列，已經(jīng)在機(jī)械臂、機(jī)器骨骼、步進(jìn)電機(jī)、伺服電機(jī)等工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域獲得批量應(yīng)用。N32G455、N32G435和N32L4x系列等多款MCU憑借高性能ARM Cortex-M4F內(nèi)核及高主頻優(yōu)勢(shì)，高達(dá)5Msps的高速12bit ADC等多項(xiàng)行業(yè)優(yōu)秀指標(biāo)，適用于移動(dòng)機(jī)器人的激光導(dǎo)航模塊，也可用作各類移動(dòng)機(jī)器人主控芯片，現(xiàn)已成功應(yīng)用于多家行業(yè)標(biāo)桿客戶的掃地機(jī)器人和送餐服務(wù)機(jī)器人產(chǎn)品中。

另一邊，本土廠商兆易創(chuàng)新新推出的GD32H7系列MCU也于市場(chǎng)中脫穎而出，其憑借雙發(fā)射6級(jí)流水線架構(gòu)，以及支持高帶寬的AXI和AHB總線接口，可實(shí)現(xiàn)更高的處理性能，主頻高達(dá)600MHz，高主頻下的工作性能可達(dá)1552 DMIPS，CoreMark測(cè)試取得了2888分的出色表現(xiàn)；同主頻下的代碼執(zhí)行效率相比市場(chǎng)同類產(chǎn)品提升約10%，相比Cortex-M4產(chǎn)品的性能提升超過40%。

同時(shí)，GD32H7系列內(nèi)置了高級(jí)DSP硬件加速器和雙精度浮點(diǎn)單元（FPU）、硬件三角函數(shù)加速器（TMU）和濾波算法加速器（FAC），大幅減輕了內(nèi)核的負(fù)擔(dān)，并有助于提升處理效率；片上集成了2個(gè)14位ADC采樣速率高達(dá)4MSPS、1個(gè)12位ADC采樣速率高達(dá)5.3MSPS，在電機(jī)控制、光伏儲(chǔ)能等應(yīng)用中可提供高精度采樣率和快速響應(yīng)；3個(gè)CAN-FD接口和2個(gè)以太網(wǎng)控制器也為工業(yè)網(wǎng)卡、變頻器、伺服器提供了很好的優(yōu)勢(shì)；內(nèi)置了TFT LCD液晶驅(qū)動(dòng)器和圖形處理加速器IPA，支持2D圖像疊加、旋轉(zhuǎn)、縮放及多種顏色格式轉(zhuǎn)換等功能，可以勝任更高分辨率的GUI，從而滿足智能化HMI的定制需求。