协作机器人的崛起与未来

作者：Allan Lagasca，意法半导体全球智能工业产品部机器人产品部战略项目负责人

机器人早已参与到工业生产当中。数十年来，工厂一直依靠自动化技术来提升生产速度、加工精度与质量稳定性；但是，新一轮工业革命与以往不同，随着传感器、微控制器、电机驱动芯片及边缘计算的进步，与人类安全、智能、协同工作的新一类机器正在兴起。

协作机器人（简称“cobots”）正在重塑人类与技术的关系。2024年，协作机器人市场规模达到21.4亿美元，随着传感器技术、微控制器、电机驱动器及系统集成的发展进步，到2030年，协作机器人市场年均增长率预计达到31.6%。

对协作机器人的需求在很大程度上源于制造业的现实：公司企业面临用工短缺和降本增效压力，同时迫切需要更灵活的柔性制造模式，而全自动化并非总是最优解。相反，人机协作将人类的创造力和适应力与机器人的操纵精度和耐力完美结合。这一理念高度契合欧盟工业5.0框架，倡导以人为中心创新，以技术赋能制造业，而非取代人类工人。

协作机器人是具身智能首批大规模应用之一。具身智能又称物理人工智能，在一个机器内整合感知、计算、运动控制和电源管理，这些功能协同运行，直接与现实世界交互。

安全升级与实时响应

出于安全考虑，传统工业机器人通常安置在防护围栏内，避免机器人与人类直接接触。协作机器人走出防护围栏，装备先进传感器、安全系统和控制架构，可与人类工人共享工作空间，同时保持绝对的可靠性。协作机器人为开发者带来了巨大的设计挑战，而解决办法大多都离不开半导体创新。

近距离安全作业能力是协作机器人的核心特征之一。要实现这种安全状态，机器人必须有接触或接近感知能力，并瞬间做出反应。功能安全是直接集成在协作机器人的微控制器与电机驱动芯片内。

符合ISO 73481等安全标准至关重要，但真正的安全取决于确定性性能，即每一个信号都必须在可预测的固定时间内连续到达控制器。

这种响应能力依托将微控制器、传感器、电机控制、电源管理和通信功能融为一体的高度集成化实时控制平台。因此，安全不再是单一的功能，而是一个系统的属性。

环境感知能力

协作机器人需要了解周围的立体空间。协作机器人依靠ToF（飞行时间）传感器、拉力扭力传感器和接近传感器了解周围环境，这完全不同于仅依赖简单二维视觉技术感知环境的早期工业机器人。

协作机器人使用边缘人工智能在本地处理传感器数据流，实时识别运动，测量距离。感知力结合本地智能让协作机器人能够主动反应，而非被动反应，当附近有人类走动时，能够流畅地调整自身运动轨迹，这种实时环境建模正是实现真正的运动协作的关键所在。

智能控制与运动

协作机器人的动作必须轻柔而精准。在实际应用中，这意味着必须平衡扭力、拉力与触感灵敏度的关系。先进电机驱动芯片集成了电流检测与闭环控制功能，让机器人能够流畅地运动，自动调节运动方向和力度。当协作机器人举升或操纵不同重量和不同材质的物体时，嵌入式算法可以动态调整扭力。

这类控制系统还需要处理好散热和噪声问题，这两个因素很容易被人们忽视，但是，在人机共享工作空间时，散热和噪声是两个重要的问题。协作机器人必须把体表温度控制在40°C以下，近乎静音运行，才能营造人类工人所需的安全感和舒适感。

系统集成和能效

协作机器人与早期自动化设备的最大区别在于系统同步程度。对于系统同步，每毫秒都至关重要。传感器、控制器、执行器是机器人的“肌肉”，这些元器件与功率器件必须实时通信，不能有任何延迟，实时性依赖于半导体集成技术。多核微控制器与时敏网络（TSN）技术保证通信时序连续稳定，多轴协调运动。电源管理系统保证机器人电源稳定，同时把电能高效地转换成不同电压。最终，这些系统整合成一个统一的机器人系统，确保机器人的每个动作都精准无误，从容不迫，一丝不苟。

赋能动作协调的并非是某一个单独部件，而是高度集成的半导体平台，将感知、计算、运动控制、电源管理、通信和功能安全整合为确定性实时架构。

协作机器人的价值所在

协作机器人已经在改变那些要求作业精准度和安全性，同时又需要人类监控的行业。

在电子制造业，协作机器人承担小规模重复性装配工作，而人类则专注质检品控；在汽车制造业，协作机器人举升和紧固重型零部件，减少工人肌肉拉伤事故，提升汽车装配品质的一致性；在物流行业，协作机器人配合人类工人打包，精准高效地搬运、分拣仓储货物；甚至在医疗领域，协作机器人也开始扮演重要角色，例如，协助人类完成化验，管理医疗物资，辅助患者护理。

上述每一种应用都代表制造业从僵硬的自动化向柔性的人机协作的转型，实现人类的判断力与机器人的操控一致性的优势互补，最终的结果是不仅是提高了生产效率，还营造了一个更安全、更令人满意的工作环境。

协作机器人的未来

协作机器人不会取代所有的自动化生产线，不适合所有的生产环境。但是，在人类生产技能创造附加值的环境中，协作机器人将是制造业的下一个发展阶段，体现了我们对自动化认知的根本转变，对嵌入式电子的信任以及其响应速度和精细智能是自动化演进的原动力。

此外，协作机器人背后的高性能感知、边缘计算、高效电源控制等技术，还在为智能工业塑造一个更广阔的未来前景。这些系统可以降低延迟，提升能效，让机器能够实时了解环境。

协作机器人是智能机器走进人类工作环境的大趋势的萌芽阶段，也为未来各行业的具身智能系统奠定基础。

各行各业寻求在保持竞争力的同时守护人类福祉，而协作机器人展现了自动化的下一个发展方向。协作机器人的崛起，并非是用机器取代人类，而是重新定义人机协作方式，在未来几年，打造更智能、更以人为本的生产模式。