人机协同时代开启，如何进一步撬动新型工业化水平？

纵观人类历史上的每一步飞跃，都离不开机器的身影。蒸汽机鸣响推动了第一次工业革命，内燃机引擎点燃了第二次工业革命，如今以新一代信息技术为核心的改革余温还未消散，工业4.0又迎来了以协作机器人、AI、大数据等为主的发展新动力，其中促进协作机器人的发展更是工业4.0的核心战略。

在2023世界机器人大会上发布了这样一组数据：2022年度全球工厂中新安装工业机器人数量为553052台，同比增长5％。根据地区划分，其中亚洲占73％，欧洲占15％，美洲占10％。国际机器人联合会主席Marina Bill表示，2023年新安装工业机器人数量连续第二年超过了50万台，预计2023年全球工业机器人市场增速为7％，或超过59万台。毋庸置疑，当下工业协作机器人产业正迎来蓬勃发展的时代。

打造工业机器人自动化地基，多维度精确传感器是关键

数据是一切自动化的基础，在工业机器人应用中同样如此，工业机器人的智能化需要大量的数据支持，另一方面，数据的质量和准确性是智能化的关键，不准确的数据可能导致错误的决策，影响生产效率和质量。而传感器则是数据搜集的核心窗口，其为工业机器人提供触觉，是实现自动检测和自动控制的重要环节。它能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息按一定规律变换成电信号或其他形式的信息输出。在自动化生产过程中需要用各种传感器来监视和控制各个参数，使设备工作在正常状态或良好状态，并使产品达到更好的质量。

以磁性位置传感器为例。磁性位置传感器是当前服务、工业机器人中广泛使用的传感器技术之一，几乎机器人的每个关节都使用两个或多个位置传感器。在这方面，霍尼韦尔的SMART 位置传感器是其中的佼佼者。SMART 角位移型位置传感器是一款非接触式传感解决方案，既能进行高度精确的运动控制，又能改善运行效率和安全性。此霍尼韦尔位置传感器利用磁阻技术检测一个磁体在两个可选传感范围内相对于传感器的位置：0º 至 100º和 0º 至 180º。

SMART 位置传感器提供自诊断功能和数据收集功能，具有高可靠性并可实现闭环反馈控制。

这些装置采用了专用集成电路 (ASIC) 和磁阻 (MR) 传感器阵列的组合来精确并可靠地确定贴附在移动物体上的磁体的位置，以便确定或控制此对象的位置。MR 阵列可测量沿着磁体运动方向安装的 MR 传感器的输出。利用输出和 MR 传感器序列可确定与磁体位置中心距离最近的一对 MR 传感器。然后这两个 MR 传感器的输出可用于确定它们之间的磁体位置。

SMART 表示这是可以独立思考的传感器。SMART 位置传感器提供自诊断功能和数据收集功能，具有高可靠性并可实现闭环反馈控制。

人机协作也是工业机器人的重点领域之一，进一步开发和扩展同时也对协作机器人的安全性提出了更高的要求。对此，TE推出了一款用于协作机器人的安全扭矩传感器，其典型应用于机器人或机器臂上，能够帮助工业制造领域对生产流程的状态监测。安全扭矩传感器通常集成在协作机器人的关节单元中。它可以监测协作机器人上各种旋转枢轴点的机械扭矩。既可以防止不当的操作对机械臂本身造成损害，也可以大程度地避免工人受伤的潜在风险。据悉，TE的安全扭矩传感器可为精度和速度均得到提升的新一代人机协作机器人提供功能安全性，并且TE的环形安全扭矩传感器设计为集成在每个协作机器人接头中，满足 ISO13849 Category 3 PL d 的新安全要求。

另一方面，工业制造设备正变得更高效与智能，但设备本身的维护工作却仍存巨大挑战，国际自动化学会ISA曾有数据显示，全球制造商每年因设备故障停机遭受的损失高达6470亿美元。电机被誉为“工业之母”，是现代工业动力来源主要的核心之一，因此针对电机的预测性维护是行业的重要课题，也是包括TE在内诸多工业领域的优质供应商聚焦的热点技术。

对此，TE设计了 8911 无线加速度传感器，8911 是一款紧凑型 LoRaWAN （868/915MHz）无线加速度传感器，可进行边缘计算以监测状态。8911 无线加速度传感器采用LoRaWAN A 级，该协议提供更长的传输距离，并且不易受到外部信号干扰。它还提供了安全的方法，即将基于状态的维护扩展至有线系统安装费用过高的工厂区域，从而将数据传输到现有过程控制和信息系统。LoRaWAN 可以安装在管理网络或客户自己的私人网络中。

另外，8911 无线加速度传感器提供环境温度并在设备中计算 FFT（快速傅里叶变换）。它传输前 8 个相关的峰值频率，并将传感器、数据采集器和 LoRaWAN无线设备集成在一个紧凑的电池供电设备中。

在工业领域深耕多年的模拟巨头ADI同样有推出相关的解决方案智能电机传感器（SMS），便是典型的预测性维护产品设计。据了解，该解决方案仅需4颗可更换的1.5V AA锂电池供电，器件内部集成了ADI高性能传感器、精密转换器和信号链，能捕获电机的振动、温度、速度和磁通量等各种参数，在早期就能检测出电机异常状况，并通过Wi-Fi连接将这些数据安全地发送到后端云进行处理。云上运行并集成到Web应用中的人工智能引擎分析数据并监控电机的运行状况，使客户可以在手机移动应用程序或PC端网络仪表板上实现7x24小时电机状况监控。

聚焦机器人智能化水平，高性能MCU赋能运动控制

随着AI、大数据等新技术正与机器人技术深度融合，机器人在位置、速度、动作顺序等控制方式上也更加复杂、精细和智能化，这对机器人控制器的功能、性能和接口提出了新的挑战，于是高性能和高集成度的MCU则成为了机器人主控制器芯片的主流方案。目前40nm已成为MCU的成熟工艺，未来在更先进工艺下设计的MCU，采用更高性能的内核，其性能将得到大幅度提升，同时将部分核心控制算法进行硬件化加速，内置更高精度的ADC等，在提升机器人控制响应速度和精度的同时，还可降低系统成本。

作为全球前列的半导体巨头Microchip在多轴运动控制上的实力独树一帜，其中的SAM系列的高性能MCU一直是相当独特的存在。SAM S70和E70使用了300MHz的ArmCortex-M7内核。一般来说，添加DSP数据处理指令的M4已经足够应付工业机器人多轴运控。如果考虑到拓展功能，添上FPGA也足以应付目前绝大多数工业机器人应用，但SAM S70和E70在追求优质的性能。

例如S70在拥有高主频的同时拥有高达64 KB紧耦合内核内存，可以快速驱动FOC控制。为了实现优质的速度，S70采用了一对2 Msps双的采样12 bit ADC引擎。再加上先进的模拟外设、16 bit PWM与16 bitTimers，S70可以轻松地以高性能实现多轴控制与双电机控制。

近年来，本土的MCU厂商也在不断加快产业布局，加大产品研发力度，技术实力正在迅速提升。作为优质的国产MCU厂商，国民技术在机器人控制应用领域早有布局，旗下工业增强级MCU具有优异的电机控制算法技术和强大的处理性能、丰富的高速模拟器件与数字通信接口，可助力客户轻松完成产品创新设计，开发出功能更为强大和智能化程度更高的机器人产品。

当前，国民技术32位工业增强级MCU，如N32G45X、N32G43X和N32G030等系列，已经在机械臂、机器骨骼、步进电机、伺服电机等工业应用领域获得批量应用。N32G455、N32G435和N32L4x系列等多款MCU凭借高性能ARM Cortex-M4F内核及高主频优势，高达5Msps的高速12bit ADC等多项行业优秀指标，适用于移动机器人的激光导航模块，也可用作各类移动机器人主控芯片，现已成功应用于多家行业标杆客户的扫地机器人和送餐服务机器人产品中。

另一边，本土厂商兆易创新新推出的GD32H7系列MCU也于市场中脱颖而出，其凭借双发射6级流水线架构，以及支持高带宽的AXI和AHB总线接口，可实现更高的处理性能，主频高达600MHz，高主频下的工作性能可达1552 DMIPS，CoreMark测试取得了2888分的出色表现；同主频下的代码执行效率相比市场同类产品提升约10%，相比Cortex-M4产品的性能提升超过40%。

同时，GD32H7系列内置了高级DSP硬件加速器和双精度浮点单元（FPU）、硬件三角函数加速器（TMU）和滤波算法加速器（FAC），大幅减轻了内核的负担，并有助于提升处理效率；片上集成了2个14位ADC采样速率高达4MSPS、1个12位ADC采样速率高达5.3MSPS，在电机控制、光伏储能等应用中可提供高精度采样率和快速响应；3个CAN-FD接口和2个以太网控制器也为工业网卡、变频器、伺服器提供了很好的优势；内置了TFT LCD液晶驱动器和图形处理加速器IPA，支持2D图像叠加、旋转、缩放及多种颜色格式转换等功能，可以胜任更高分辨率的GUI，从而满足智能化HMI的定制需求。