作者：Allan Lagasca，意法半導體全球智能工業(yè)產(chǎn)品部機器人產(chǎn)品部戰(zhàn)略項目負責人

機器人早已參與到工業(yè)生產(chǎn)當中。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、電機驅(qū)動芯片及邊緣計算的進步，與人類安全、智能、協(xié)同工作的新一類機器正在興起。

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

對協(xié)作機器人的需求在很大程度上源于制造業(yè)的現(xiàn)實：公司企業(yè)面臨用工短缺和降本增效壓力，同時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，人機協(xié)作將人類的創(chuàng)造力和適應力與機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)作機器人是具身智能首批大規(guī)模應用之一。具身智能又稱物理人工智能，在一個機器內(nèi)整合感知、計算、運動控制和電源管理，這些功能協(xié)同運行，直接與現(xiàn)實世界交互。

安全升級與實時響應

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

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

符合ISO 73481等安全標準至關(guān)重要，但真正的安全取決于確定性性能，即每一個信號都必須在可預測的固定時間內(nèi)連續(xù)到達控制器。

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

環(huán)境感知能力

協(xié)作機器人需要了解周圍的立體空間。協(xié)作機器人依靠ToF（飛行時間）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)機器人。

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

智能控制與運動

協(xié)作機器人的動作必須輕柔而精準。在實際應用中，這意味著必須平衡扭力、拉力與觸感靈敏度的關(guān)系。先進電機驅(qū)動芯片集成了電流檢測與閉環(huán)控制功能，讓機器人能夠流暢地運動，自動調(diào)節(jié)運動方向和力度。當協(xié)作機器人舉升或操縱不同重量和不同材質(zhì)的物體時，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，這兩個因素很容易被人們忽視，但是，在人機共享工作空間時，散熱和噪聲是兩個重要的問題。協(xié)作機器人必須把體表溫度控制在40°C以下，近乎靜音運行，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)行器是機器人的“肌肉”，這些元器件與功率器件必須實時通信，不能有任何延遲，實時性依賴于半導體集成技術(shù)。多核微控制器與時敏網(wǎng)絡(luò)（TSN）技術(shù)保證通信時序連續(xù)穩(wěn)定，多軸協(xié)調(diào)運動。電源管理系統(tǒng)保證機器人電源穩(wěn)定，同時把電能高效地轉(zhuǎn)換成不同電壓。最終，這些系統(tǒng)整合成一個統(tǒng)一的機器人系統(tǒng)，確保機器人的每個動作都精準無誤，從容不迫，一絲不茍。

賦能動作協(xié)調(diào)的并非是某一個單獨部件，而是高度集成的半導體平臺，將感知、計算、運動控制、電源管理、通信和功能安全整合為確定性實時架構(gòu)。

協(xié)作機器人的價值所在

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

在電子制造業(yè)，協(xié)作機器人承擔小規(guī)模重復性裝配工作，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)作機器人配合人類工人打包，精準高效地搬運、分揀倉儲貨物；甚至在醫(yī)療領(lǐng)域，協(xié)作機器人也開始扮演重要角色，例如，協(xié)助人類完成化驗，管理醫(yī)療物資，輔助患者護理。

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

協(xié)作機器人的未來

協(xié)作機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)作機器人將是制造業(yè)的下一個發(fā)展階段，體現(xiàn)了我們對自動化認知的根本轉(zhuǎn)變，對嵌入式電子的信任以及其響應速度和精細智能是自動化演進的原動力。

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

協(xié)作機器人是智能機器走進人類工作環(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守護人類福祉，而協(xié)作機器人展現(xiàn)了自動化的下一個發(fā)展方向。協(xié)作機器人的崛起，并非是用機器取代人類，而是重新定義人機協(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。