【導讀】在人們對于未來(lái)智能世界的暢想中，機器人肯定是不會(huì )缺席的一環(huán)。因此，隨著(zhù)我們這個(gè)世界智能化程度的增加，機器人的發(fā)展也步入了快車(chē)道。美國波士頓咨詢(xún)公司的研究報告顯示，全球機器人市場(chǎng)規模在2020年約為250億美元，而到十年之后的2030年，將達到1,600億至2,600億美元。
按照用途，機器人通常被分為工業(yè)機器人、服務(wù)機器人和特種機器人三類(lèi)，其中工業(yè)機器人起步最早，在相關(guān)制造業(yè)的滲透率也最高，一直占據著(zhù)機器人市場(chǎng)的半壁江山。在工業(yè)4.0概念的加持下，工業(yè)機器人近幾年的發(fā)展勢頭頗為引人注目。
根據Robo Global公司的研究和預測，到2021年底，全球工業(yè)機器人的安裝量與2015年相比將實(shí)現翻番，超過(guò)320萬(wàn)臺；預計全球工業(yè)機器人市場(chǎng)將從2020年的450億美元上升到2025年的730億美元。
工業(yè)機器人的進(jìn)化
能夠實(shí)現更大的產(chǎn)能、獲得更高的成本效益、達到更佳的質(zhì)量要求，這是人們愿意在工業(yè)機器人身上持續投資的關(guān)鍵理由，也是人們對于工業(yè)機器人的“要求”。按照這樣的“要求”而打造的工業(yè)機器人主要有兩種類(lèi)型：一種是多關(guān)節型機器人（Articulated Robot），另一種是自動(dòng)引導車(chē)輛（AGV）。
多關(guān)節機器人，顧名思義就是具有多個(gè)旋轉關(guān)節或“軸”的機器人，它們多是以多軸機械臂的形式出現，可以在廣泛的工作范圍內、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，則是一種負責物料運輸的自動(dòng)機器人，它們通常是沿著(zhù)倉庫、生產(chǎn)或配送中心周?chē)能壍阑驅Ш铰肪€(xiàn)行駛，能夠大幅提升物流、倉儲等環(huán)節的效率。
圖1：兩種主要的工業(yè)機器人及其應用場(chǎng)景
（圖源：Murata）
隨著(zhù)需求的發(fā)展，工業(yè)機器人也呈現出新的發(fā)展趨勢，進(jìn)化出了一些新物種。比如：
協(xié)作機器人：這也屬于關(guān)節機器人，但是與傳統生產(chǎn)線(xiàn)上那些體積龐大、“關(guān)”在籠子里（處于特定安全隔離區，以免誤傷人類(lèi)員工）的工業(yè)機器人不同，協(xié)作機器人的身形比較小，它們在高效率、高質(zhì)量地完成操作的同時(shí)，還可以與人類(lèi)員工或者機器人在同一個(gè)區域內安全地協(xié)同工作，這就使其靈活性和應用范圍大大增加，近年來(lái)成為了工業(yè)機器人市場(chǎng)重要的“風(fēng)口”。
混合機器人：這類(lèi)機器人工作時(shí)的位置不再是固定的，它整合了關(guān)節型機器人和AGV的優(yōu)點(diǎn)，兼具高效生產(chǎn)和準確“走位”的能力，這使其可以根據需要靈活部署，這對于工廠(chǎng)自動(dòng)化升級、提高生產(chǎn)的靈活性顯然大有裨益。
工業(yè)機器人的賦能技術(shù)
當然，不論是工業(yè)機器人原有產(chǎn)品的升級，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)論機器人是用于焊接、噴漆、裝配還是運輸，它們都屬于一種自動(dòng)化設備，而一個(gè)典型的自動(dòng)化系統主要包括輸入、處理和輸出三個(gè)部分。我們就從這個(gè)基礎架構出發(fā)，來(lái)梳理一下影響未來(lái)機器人發(fā)展的新技術(shù)。
輸入
機器人的輸入主要是來(lái)自于傳感器、計算數據和人機界面（HMI）的信息和指令。為了確保輸入的實(shí)時(shí)性和準確性，下面三種技術(shù)不可或缺：廣泛部署的傳感器（無(wú)論是集成在機器人系統內部還是其外部工作環(huán)境中）、確保各種數據可靠高效傳輸的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)（包括有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )），以及人機交互技術(shù)（比如可視化的圖形界面，甚至是語(yǔ)音、手勢控制等下一代HMI技術(shù)）。
處理
一旦機器人接收到來(lái)自外部的輸入數據，就需要對這些數據進(jìn)行處理，并形成決策。隨著(zhù)邊緣計算的興起，人們對于機器人這個(gè)工業(yè)生產(chǎn)中的邊緣設備的本地化數據處理能力，也有了更高的要求；換言之，機器人需要變得越來(lái)越智能、越來(lái)越“聰明”，而不只是一臺簡(jiǎn)單的執行器。在這個(gè)過(guò)程中，AI和機器學(xué)習技術(shù)的應用也會(huì )越來(lái)越普遍。
輸出
處理后的數據會(huì )“驅動(dòng)”機器人的執行機構（如電機）去快速、精準地完成特定動(dòng)作，例如拾取物品、避開(kāi)障礙物等。更先進(jìn)的電機驅動(dòng)技術(shù)顯然是其中的核心技術(shù)，而在多軸機器人，以及多個(gè)機器人組成的生產(chǎn)線(xiàn)上，通過(guò)實(shí)時(shí)通信確保每個(gè)執行動(dòng)作之間的協(xié)同也變得更為重要。
上述這些工業(yè)機器人系統架構層面的技術(shù)升級挑戰，也勢必會(huì )傳導到作為底層技術(shù)基石的元器件身上。
圖2：典型機械臂的系統架構及關(guān)鍵元器件
（圖源：Murata）
圖3：典型AGV的系統架構及關(guān)鍵元器件
（圖源：Murata）
工業(yè)機器人身上的“工作細胞”
如果我們將工業(yè)機器人比作是一個(gè)人的身體，那么構建起整個(gè)機器人系統的電子元器件和模塊，就可以看做是這個(gè)身體中的“工作細胞”，它們各司其職，不懈工作，最終確保整個(gè)機器人高效、可靠、安全地運轉。
不過(guò)，由于工業(yè)機器人工作環(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，要對其進(jìn)行精心“調教”。
在打造工業(yè)機器人所需的“工作細胞”方面，Murata頗有心得。由Murata開(kāi)發(fā)的豐富的元器件組合，可以為機械臂（如圖2）和AVG（如圖3）等工業(yè)機器人系統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)現他們身上的“亮點(diǎn)”。
MYMGK MonoBK? DC-DC轉換器模塊
如上文所述，如今工業(yè)機器人的“技能”越來(lái)越高，這也就意味著(zhù)一個(gè)機器人系統中所包括的傳感器、控制器、執行器、無(wú)線(xiàn)模塊等功能單元也會(huì )越來(lái)越多，想要將電能傳輸到這些用電單元，并且盡可能減少電能傳輸和轉換過(guò)程中的損耗，就需要采用分布式的電源總線(xiàn)架構，以及小型化、高效率的PoL（負載點(diǎn)）DC-DC轉換器，以便盡可能部署在用電器件和模塊附近。
Murata的MYMGK MonoBK? DC-DC轉換器就是為這樣的應用而打造的電源管理解決方案。該模塊集成了電感、FET、補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的可設置輸出電壓，輸出電流可達12A（MYMGK1R812）或20A（MYMGK1R820）。在效率方面，該系列模塊效率高達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）、輸出短路保護和過(guò)流保護等功能，具有開(kāi)/關(guān)控制以及電源良好信號輸出，符合CISPR 32B類(lèi)電磁兼容標準，具有較高的可靠性。綜合來(lái)看，非常適合于A(yíng)GV、機械臂、AC伺服系統的應用。
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（內電極）的陶瓷介質(zhì)膜片以錯位的方式疊合起來(lái)，經(jīng)過(guò)一次性高溫燒結形成陶瓷片式結構體，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構，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)機器人的設計要求很合拍。
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(mǎn)足工業(yè)機器人應用的需要。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)現大容量，容值范圍為0.10pF至330μF，容差范圍為+/-0.05pF?20%，設計額定電壓為630VDC（也提供250VDC至1,000VDC的高壓版本），可以適用于工業(yè)機器人設計中去耦、濾波、箝位緩沖電路、電源阻尼器緩沖器等多種應用場(chǎng)景。
GRM系列具有C0G/X7*溫度系數，在-55°C至125°C工作溫度范圍具有良好的穩定性。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，對于工業(yè)機器人系統提升品質(zhì)也很有幫助。
PRG系列 PTC熱敏電阻
大家知道，工業(yè)機器人智能化的水平是與其采用的傳感器數量成正比的。傳感器可以為機器人精準、敏捷地“行動(dòng)”提供數據保障。在工業(yè)機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，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(zhù)溫度升高而快速增大的器件，利用這種特性，PTC可以在線(xiàn)路中實(shí)現溫度檢測、電路限流保護等功能。
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)流保護的產(chǎn)品，其額定電壓高達32V，電流范圍10mA至750mA。當電路中出現過(guò)流時(shí)，該PTC元件可快速呈現高阻狀態(tài)，阻斷大電流對下游的電路和電源造成沖擊和損害；而當過(guò)流現象消除后，PRG熱敏電阻會(huì )自動(dòng)恢復初始低阻狀態(tài)，可重復使用而無(wú)需更換，這顯然既省錢(qián)又省事——在這個(gè)方面和PPTC（有機材料PTC）相比，PRG系列PTC多次使用后阻值特性不會(huì )變化，穩定性更勝一籌。
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安全標準，可以很方便地集成到工業(yè)機器人設計中，對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)負載誤連接引發(fā)的I/O輸出電路過(guò)流進(jìn)行保護。
圖4：在工業(yè)機器人中PRG系列熱敏電阻的典型應用場(chǎng)景（圖源：Murata）
本文小結
現代工廠(chǎng)對高效生產(chǎn)和無(wú)縫供應鏈管理的需求，推動(dòng)著(zhù)工業(yè)機器人應用的不斷發(fā)展；而工業(yè)4.0的興起，也在催生能夠充分利用數據資源、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)機器人。因此在未來(lái)10年甚至是更長(cháng)的時(shí)間內，工業(yè)機器人市場(chǎng)將呈現出持續快速增長(cháng)的態(tài)勢。
而在這樣一種大環(huán)境下，一款工業(yè)機器人產(chǎn)品想要獲得超乎他人的競爭優(yōu)勢，必須要有健壯而高效的“工作細胞”——也就是電子元器件——以支撐其“肌體”的高效運轉。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(mǎn)足這一要求，而且Murata極為豐富的產(chǎn)品組合還可以為客戶(hù)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)機器人，就從這里起步吧。
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