工業(yè)機(jī)器人身體里，有哪些不容小覷的“工作細(xì)胞”？

在人們對(duì)于未來(lái)智能世界的暢想中，機(jī)器人肯定是不會(huì)缺席的一環(huán)。因此，隨著我們這個(gè)世界智能化程度的增加，機(jī)器人的發(fā)展也步入了快車道。美國(guó)波士頓咨詢公司的研究報(bào)告顯示，全球機(jī)器人市場(chǎng)規(guī)模在2020年約為250億美元，而到十年之后的2030年，將達(dá)到1,600億至2,600億美元。

按照用途，機(jī)器人通常被分為工業(yè)機(jī)器人、服務(wù)機(jī)器人和特種機(jī)器人三類，其中工業(yè)機(jī)器人起步最早，在相關(guān)制造業(yè)的滲透率也最高，一直占據(jù)著機(jī)器人市場(chǎng)的半壁江山。在工業(yè)4.0概念的加持下，工業(yè)機(jī)器人近幾年的發(fā)展勢(shì)頭頗為引人注目。

根據(jù)Robo Global公司的研究和預(yù)測(cè)，到2021年底，全球工業(yè)機(jī)器人的安裝量與2015年相比將實(shí)現(xiàn)翻番，超過(guò)320萬(wàn)臺(tái)；預(yù)計(jì)全球工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)將從2020年的450億美元上升到2025年的730億美元。

工業(yè)機(jī)器人的進(jìn)化

能夠?qū)崿F(xiàn)更大的產(chǎn)能、獲得更高的成本效益、達(dá)到更佳的質(zhì)量要求，這是人們?cè)敢庠诠I(yè)機(jī)器人身上持續(xù)投資的關(guān)鍵理由，也是人們對(duì)于工業(yè)機(jī)器人的“要求”。按照這樣的“要求”而打造的工業(yè)機(jī)器人主要有兩種類型：一種是多關(guān)節(jié)型機(jī)器人（Articulated Robot），另一種是自動(dòng)引導(dǎo)車輛（AGV）。

多關(guān)節(jié)機(jī)器人，顧名思義就是具有多個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)或“軸”的機(jī)器人，它們多是以多軸機(jī)械臂的形式出現(xiàn)，可以在廣泛的工作范圍內(nèi)、多個(gè)自由度上動(dòng)作，完成特定的制造任務(wù)，如焊接、噴漆、裝配等。

AGV，則是一種負(fù)責(zé)物料運(yùn)輸?shù)淖詣?dòng)機(jī)器人，它們通常是沿著倉(cāng)庫(kù)、生產(chǎn)或配送中心周圍的軌道或?qū)Ш铰肪€行駛，能夠大幅提升物流、倉(cāng)儲(chǔ)等環(huán)節(jié)的效率。

圖1：兩種主要的工業(yè)機(jī)器人及其應(yīng)用場(chǎng)景

（圖源：Murata）

隨著需求的發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人也呈現(xiàn)出新的發(fā)展趨勢(shì)，進(jìn)化出了一些新物種。比如：

協(xié)作機(jī)器人：這也屬于關(guān)節(jié)機(jī)器人，但是與傳統(tǒng)生產(chǎn)線上那些體積龐大、“關(guān)”在籠子里（處于特定安全隔離區(qū)，以免誤傷人類員工）的工業(yè)機(jī)器人不同，協(xié)作機(jī)器人的身形比較小，它們?cè)诟咝?、高質(zhì)量地完成操作的同時(shí)，還可以與人類員工或者機(jī)器人在同一個(gè)區(qū)域內(nèi)安全地協(xié)同工作，這就使其靈活性和應(yīng)用范圍大大增加，近年來(lái)成為了工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)重要的“風(fēng)口”。

混合機(jī)器人：這類機(jī)器人工作時(shí)的位置不再是固定的，它整合了關(guān)節(jié)型機(jī)器人和AGV的優(yōu)點(diǎn)，兼具高效生產(chǎn)和準(zhǔn)確“走位”的能力，這使其可以根據(jù)需要靈活部署，這對(duì)于工廠自動(dòng)化升級(jí)、提高生產(chǎn)的靈活性顯然大有裨益。

工業(yè)機(jī)器人的賦能技術(shù)

當(dāng)然，不論是工業(yè)機(jī)器人原有產(chǎn)品的升級(jí)，還是新概念產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)，都需要新技術(shù)的推動(dòng)和賦能。

從本質(zhì)上講，無(wú)論機(jī)器人是用于焊接、噴漆、裝配還是運(yùn)輸，它們都屬于一種自動(dòng)化設(shè)備，而一個(gè)典型的自動(dòng)化系統(tǒng)主要包括輸入、處理和輸出三個(gè)部分。我們就從這個(gè)基礎(chǔ)架構(gòu)出發(fā)，來(lái)梳理一下影響未來(lái)機(jī)器人發(fā)展的新技術(shù)。

輸入

機(jī)器人的輸入主要是來(lái)自于傳感器、計(jì)算數(shù)據(jù)和人機(jī)界面（HMI）的信息和指令。為了確保輸入的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性，下面三種技術(shù)不可或缺：廣泛部署的傳感器（無(wú)論是集成在機(jī)器人系統(tǒng)內(nèi)部還是其外部工作環(huán)境中）、確保各種數(shù)據(jù)可靠高效傳輸?shù)墓I(yè)互聯(lián)網(wǎng)（包括有線和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)），以及人機(jī)交互技術(shù)（比如可視化的圖形界面，甚至是語(yǔ)音、手勢(shì)控制等下一代HMI技術(shù)）。

處理

一旦機(jī)器人接收到來(lái)自外部的輸入數(shù)據(jù)，就需要對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并形成決策。隨著邊緣計(jì)算的興起，人們對(duì)于機(jī)器人這個(gè)工業(yè)生產(chǎn)中的邊緣設(shè)備的本地化數(shù)據(jù)處理能力，也有了更高的要求；換言之，機(jī)器人需要變得越來(lái)越智能、越來(lái)越“聰明”，而不只是一臺(tái)簡(jiǎn)單的執(zhí)行器。在這個(gè)過(guò)程中，AI和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的應(yīng)用也會(huì)越來(lái)越普遍。

輸出

處理后的數(shù)據(jù)會(huì)“驅(qū)動(dòng)”機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)（如電機(jī)）去快速、精準(zhǔn)地完成特定動(dòng)作，例如拾取物品、避開(kāi)障礙物等。更先進(jìn)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)顯然是其中的核心技術(shù)，而在多軸機(jī)器人，以及多個(gè)機(jī)器人組成的生產(chǎn)線上，通過(guò)實(shí)時(shí)通信確保每個(gè)執(zhí)行動(dòng)作之間的協(xié)同也變得更為重要。

上述這些工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)架構(gòu)層面的技術(shù)升級(jí)挑戰(zhàn)，也勢(shì)必會(huì)傳導(dǎo)到作為底層技術(shù)基石的元器件身上。

圖2：典型機(jī)械臂的系統(tǒng)架構(gòu)及關(guān)鍵元器件

（圖源：Murata）

圖3：典型AGV的系統(tǒng)架構(gòu)及關(guān)鍵元器件

（圖源：Murata）

工業(yè)機(jī)器人身上的“工作細(xì)胞”

如果我們將工業(yè)機(jī)器人比作是一個(gè)人的身體，那么構(gòu)建起整個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)的電子元器件和模塊，就可以看做是這個(gè)身體中的“工作細(xì)胞”，它們各司其職，不懈工作，最終確保整個(gè)機(jī)器人高效、可靠、安全地運(yùn)轉(zhuǎn)。

不過(guò)，由于工業(yè)機(jī)器人工作環(huán)境的特殊性，以及產(chǎn)品迭代發(fā)展的新需要，這就要求能夠在工業(yè)機(jī)器人上使用的元器件，要具有一些特殊的素質(zhì)，也就是說(shuō)在其上崗之前，要對(duì)其進(jìn)行精心“調(diào)教”。

在打造工業(yè)機(jī)器人所需的“工作細(xì)胞”方面，Murata頗有心得。由Murata開(kāi)發(fā)的豐富的元器件組合，可以為機(jī)械臂（如圖2）和AVG（如圖3）等工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)提供完整的解決方案。下面我們就從中挑選幾款代表性的產(chǎn)品，一起來(lái)發(fā)現(xiàn)他們身上的“亮點(diǎn)”。

MYMGK MonoBK? DC-DC轉(zhuǎn)換器模塊

如上文所述，如今工業(yè)機(jī)器人的“技能”越來(lái)越高，這也就意味著一個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)中所包括的傳感器、控制器、執(zhí)行器、無(wú)線模塊等功能單元也會(huì)越來(lái)越多，想要將電能傳輸?shù)竭@些用電單元，并且盡可能減少電能傳輸和轉(zhuǎn)換過(guò)程中的損耗，就需要采用分布式的電源總線架構(gòu)，以及小型化、高效率的PoL（負(fù)載點(diǎn)）DC-DC轉(zhuǎn)換器，以便盡可能部署在用電器件和模塊附近。

Murata的MYMGK MonoBK? DC-DC轉(zhuǎn)換器就是為這樣的應(yīng)用而打造的電源管理解決方案。該模塊集成了電感、FET、補(bǔ)償電路和所需的被動(dòng)元件，而尺寸僅有10.5mm × 9mm × 5.6mm。

在性能方面，該DC-DC電源模塊的輸入電壓范圍為4.5V至8.0V或8.0V至15.0V，可提供0.7V至1.8V的可設(shè)置輸出電壓，輸出電流可達(dá)12A（MYMGK1R812）或20A（MYMGK1R820）。在效率方面，該系列模塊效率高達(dá)93.2%，空載電流僅為100mA。

此外，MYMGK MonoBK? DC-DC電源模塊還提供欠壓鎖定（UVLO）、輸出短路保護(hù)和過(guò)流保護(hù)等功能，具有開(kāi)/關(guān)控制以及電源良好信號(hào)輸出，符合CISPR 32B類電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)，具有較高的可靠性。綜合來(lái)看，非常適合于AGV、機(jī)械臂、AC伺服系統(tǒng)的應(yīng)用。

GRM系列 多層陶瓷電容器

MLCC（片式多層陶瓷電容器）是由印好電極（內(nèi)電極）的陶瓷介質(zhì)膜片以錯(cuò)位的方式疊合起來(lái)，經(jīng)過(guò)一次性高溫?zé)Y(jié)形成陶瓷片式結(jié)構(gòu)體，再在其兩端封上金屬層（外電極），從而形成一個(gè)完整的電容器。由于這種特殊的工藝和結(jié)構(gòu)，MLCC具有高可靠、高精度、高集成、高頻率、大容量、小型化和低成本等特點(diǎn)。顯而易見(jiàn)，這與工業(yè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)要求很合拍。

Murata在MLCC領(lǐng)域一直是頭部的玩家，其GRM系列多層陶瓷電容器就可以滿足工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用的需要。該系列MLCC可在表面貼裝的小型封裝中（從0.25mm × 0.125mm至5.7mm × 5.0mm）實(shí)現(xiàn)大容量，容值范圍為0.10pF至330μF，容差范圍為+/-0.05pF?20%，設(shè)計(jì)額定電壓為630VDC（也提供250VDC至1,000VDC的高壓版本），可以適用于工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)中去耦、濾波、箝位緩沖電路、電源阻尼器緩沖器等多種應(yīng)用場(chǎng)景。

GRM系列具有C0G/X7*溫度系數(shù)，在-55°C至125°C工作溫度范圍具有良好的穩(wěn)定性。而且，該MLCC外部電極鍍錫，又有出色的可焊性，兼容SMT自動(dòng)化工藝，對(duì)于工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)提升品質(zhì)也很有幫助。

PRG系列 PTC熱敏電阻

大家知道，工業(yè)機(jī)器人智能化的水平是與其采用的傳感器數(shù)量成正比的。傳感器可以為機(jī)器人精準(zhǔn)、敏捷地“行動(dòng)”提供數(shù)據(jù)保障。在工業(yè)機(jī)器人需要感知的眾多物理量中，溫度是十分關(guān)鍵的一個(gè)參數(shù)，這時(shí)就要用到PTC熱敏電阻了。

PTC熱敏電阻是一種阻值會(huì)隨著溫度升高而快速增大的器件，利用這種特性，PTC可以在線路中實(shí)現(xiàn)溫度檢測(cè)、電路限流保護(hù)等功能。

Murata的PTC熱敏電阻均采用具有優(yōu)異可靠性及性能的陶瓷材料制成。其中，PRG系列PTC熱敏電阻用于過(guò)流保護(hù)的產(chǎn)品，其額定電壓高達(dá)32V，電流范圍10mA至750mA。當(dāng)電路中出現(xiàn)過(guò)流時(shí)，該P(yáng)TC元件可快速呈現(xiàn)高阻狀態(tài)，阻斷大電流對(duì)下游的電路和電源造成沖擊和損害；而當(dāng)過(guò)流現(xiàn)象消除后，PRG熱敏電阻會(huì)自動(dòng)恢復(fù)初始低阻狀態(tài)，可重復(fù)使用而無(wú)需更換，這顯然既省錢又省事——在這個(gè)方面和PPTC（有機(jī)材料PTC）相比，PRG系列PTC多次使用后阻值特性不會(huì)變化，穩(wěn)定性更勝一籌。

采用表面貼裝封裝的PRG熱敏電阻外形緊湊，有利于節(jié)省電路板空間，安裝和通電后特性變化較小，具有較高的可靠性，支持較寬的工作溫度范圍（-40°C至+105°C），符合UL：E137188 VDE和TUV安全標(biāo)準(zhǔn)，可以很方便地集成到工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)中，對(duì)于由于接地故障引發(fā)的I/O輸入電路過(guò)流以及由于無(wú)負(fù)載誤連接引發(fā)的I/O輸出電路過(guò)流進(jìn)行保護(hù)。

圖4：在工業(yè)機(jī)器人中PRG系列熱敏電阻的典型應(yīng)用場(chǎng)景（圖源：Murata）

本文小結(jié)

現(xiàn)代工廠對(duì)高效生產(chǎn)和無(wú)縫供應(yīng)鏈管理的需求，推動(dòng)著工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用的不斷發(fā)展；而工業(yè)4.0的興起，也在催生能夠充分利用數(shù)據(jù)資源、具有更高智能水平的高精度、高可靠性、高靈活性的新型工業(yè)機(jī)器人。因此在未來(lái)10年甚至是更長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)將呈現(xiàn)出持續(xù)快速增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)。

而在這樣一種大環(huán)境下，一款工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)品想要獲得超乎他人的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，必須要有健壯而高效的“工作細(xì)胞”——也就是電子元器件——以支撐其“肌體”的高效運(yùn)轉(zhuǎn)。從以上三款產(chǎn)品中我們不難看出，Murata高性能、高可靠、小型化的電子元器件正好可以滿足這一要求，而且Murata極為豐富的產(chǎn)品組合還可以為客戶提供完整的解決方案！想要打造可以在未來(lái)世界大展身手的工業(yè)機(jī)器人，就從這里起步吧。