1996年，美國(guó)西北大學(xué)的兩位教授J.Edward Colgate和Michael Peshkin率先提出了“協(xié)作機(jī)器人”的概念。他們希望探索一種能夠在確保工人安全的前提下，還能與之和諧共事的機(jī)器人。雖然他們的構(gòu)想因當(dāng)時(shí)的技術(shù)局限性未能實(shí)現(xiàn)，但這種人機(jī)協(xié)作的理念將人機(jī)交互推向了機(jī)器人技術(shù)發(fā)展的前沿。

經(jīng)過(guò)多年的技術(shù)革新，終于在2004年，KUKA發(fā)布了全球首個(gè)協(xié)作機(jī)器人——LBR，隨后2008年，優(yōu)傲機(jī)器人（Universal Robots）的UR5首次實(shí)現(xiàn)了協(xié)作機(jī)器人的商業(yè)成功。自此，協(xié)作機(jī)器人也在全球范圍內(nèi)的嶄露頭角。

而今，協(xié)作機(jī)器人已經(jīng)成為了制造業(yè)中不可或缺的關(guān)鍵幫手，它不僅大幅提高了生產(chǎn)效率和靈活性，還徹底重塑了工業(yè)生產(chǎn)的面貌。而且隨著成本和技術(shù)的持續(xù)優(yōu)化，開始走向更為豐富的商業(yè)場(chǎng)景。

圖1：協(xié)作機(jī)器人歷史

（圖源：AUGMENTUS）

從robot到cobot

人機(jī)交互的的跨越

協(xié)作式機(jī)器人（collaborative robot）簡(jiǎn)稱cobot，是可以和人類在同一工作空間中協(xié)同作戰(zhàn)，并實(shí)現(xiàn)近距離互動(dòng)的機(jī)器人。從機(jī)器人（robot）到協(xié)作機(jī)器人（cobot），人機(jī)交互實(shí)現(xiàn)了巨大的跨越式發(fā)展。

傳統(tǒng)機(jī)器人是按照預(yù)先編程進(jìn)行自動(dòng)作業(yè)，或者是在有限的導(dǎo)引下進(jìn)行作業(yè)，缺乏主動(dòng)避讓人類的安全功能。若需與人共享同一工作空間，傳統(tǒng)機(jī)器人就必須配備安全防護(hù)裝置，通過(guò)人機(jī)隔離以保證工人的安全，這自然也就隔斷了人機(jī)之間的互動(dòng)可能。

相較之下，協(xié)作式機(jī)器在互動(dòng)性和安全性方面表現(xiàn)出色，能與人類更密切的合作。機(jī)器人發(fā)揮其效率和準(zhǔn)確性優(yōu)勢(shì)，而人類則發(fā)揮智慧和創(chuàng)造專長(zhǎng)。兩者人機(jī)協(xié)同，可讓生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)在創(chuàng)新和生產(chǎn)力之間取得更好的平衡。

圖2：人機(jī)協(xié)作

（圖源：Mechanical Engineering）

工業(yè)4.0時(shí)代，制造業(yè)需要更快速、主動(dòng)地響應(yīng)不斷變化的消費(fèi)者需求。對(duì)于某些定制產(chǎn)品而言，其制造流程和工藝可能都是根據(jù)客戶的個(gè)性化需求量身定制的。這種大規(guī)模定制化的制造趨勢(shì)，給工廠的裝配工作提出了更高的要求。

據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，在新時(shí)代工業(yè)制造中，裝配工作約占總工作量45%，占總生產(chǎn)成本的20%-30%。而協(xié)作機(jī)器人的出現(xiàn)，可以大幅提升裝配線效率、精度等，更適合定制化的產(chǎn)線作業(yè)，是當(dāng)前及未來(lái)工業(yè)制造中不可替代的“生產(chǎn)工具”。

Brimind是一家汽車類傳感器制造商，其傳感器產(chǎn)品尺寸非常小，重量也很輕，非常考驗(yàn)機(jī)器人的識(shí)別精準(zhǔn)度和夾持力度。為了提高裝配效率，減少人為失誤造成的損失，Brimind在裝配線的三個(gè)站點(diǎn)引入了ABB的GoFa協(xié)作機(jī)器人。實(shí)際結(jié)果表明：開始時(shí)人工純手動(dòng)方法實(shí)現(xiàn)了接近90%的OEE（Overall Equipment Effectiveness，設(shè)備綜合效率），而引入?yún)f(xié)作機(jī)器人后，裝配站目前的OEE達(dá)到了97%。

另一個(gè)案例來(lái)自寶馬汽車：汽車差速器的裝配對(duì)于精度要求極高，需要將各個(gè)部件實(shí)現(xiàn)分毫不差的組裝。然而差速器的殼體重達(dá)約5.5kg，因此對(duì)于裝配人員而言操作困難、耗時(shí)較長(zhǎng)，且裝配精度難以保證。在引入了KUKA公司的LBR iiwa輕型協(xié)作機(jī)器人后，就可以人機(jī)協(xié)作實(shí)現(xiàn)錐齒輪的靈敏接合，現(xiàn)在差速器和殼體的接合整個(gè)過(guò)程耗時(shí)不到半分鐘。

圖3：BMW使用協(xié)作機(jī)器人進(jìn)行變速器組裝

（圖源：KUKA）

據(jù)Yano Resarch的預(yù)測(cè)，2032年全球協(xié)作機(jī)器人的出貨量將從2021年的44,204臺(tái)增加至約432,514臺(tái)；市場(chǎng)規(guī)模從9.94億美元增長(zhǎng)至70億美元。

中國(guó)是制造業(yè)大國(guó)，對(duì)于協(xié)作機(jī)器人的市場(chǎng)需求也是逐年增加。據(jù)高工機(jī)器人產(chǎn)業(yè)研究所（GGII）數(shù)據(jù)，2022年我國(guó)協(xié)作機(jī)器人銷量約為3.5萬(wàn)臺(tái)，整體市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到了36.05億元。如此大的市場(chǎng)和未來(lái)增長(zhǎng)前景，吸引了全球協(xié)作機(jī)器人企業(yè)的爭(zhēng)先涌入。

圖4：全球協(xié)作機(jī)器人出貨量變化與預(yù)測(cè)

（圖源：Yano Research）

更好的前景也吸引了資本的紛紛入局，2022年中國(guó)協(xié)作機(jī)器人市場(chǎng)共發(fā)生13起，總規(guī)模超過(guò)50億元人民幣的融資案例。其中節(jié)卡機(jī)器人于2022年7月宣布完成約10億元人民幣D輪融資，創(chuàng)下了協(xié)作機(jī)器人領(lǐng)域融資金額新高。

交互能力的實(shí)現(xiàn)：

感知、計(jì)算和HMI缺一不可

協(xié)作機(jī)器人要與人類在實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)環(huán)境中無(wú)縫合作，需要具備強(qiáng)大的交互能力。通過(guò)這種交互能力，協(xié)作機(jī)器人得以準(zhǔn)確快速地理解人類意圖、有效溝通并適應(yīng)動(dòng)態(tài)環(huán)境。

而這種交互能力的實(shí)現(xiàn)，需要感知、計(jì)算和人機(jī)界面（HMI）等多個(gè)功能模塊的協(xié)同工作。

圖5：協(xié)作機(jī)器人框圖

（圖源：英飛凌）

感知能力是協(xié)作機(jī)器人順利執(zhí)行任務(wù)的基石。具體而言，感知部分分為環(huán)境感知和機(jī)器人自身感知兩大類。環(huán)境感知主要依靠傳感器來(lái)收集周圍環(huán)境的信息，從而判斷是否滿足工作的條件。而機(jī)器人自身感知?jiǎng)t通過(guò)一系列傳感器，如位置傳感器、力矩傳感器、視覺(jué)傳感器、壓力傳感器以及3軸陀螺儀或IMU等，來(lái)確保機(jī)器人的動(dòng)作精準(zhǔn)無(wú)誤，同時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)人體位置，有效避免任何潛在的相互干擾。

在計(jì)算部分，協(xié)作機(jī)器人的每個(gè)運(yùn)動(dòng)軸通常都配備了獨(dú)立的微控制單元（MCU）來(lái)負(fù)責(zé)電機(jī)的精準(zhǔn)控制。而對(duì)于機(jī)械臂整體智能的協(xié)調(diào)，比如傳感信號(hào)的采集、視覺(jué)信息的處理、工業(yè)互聯(lián)及人機(jī)界面（HMI）等復(fù)雜任務(wù)，則需依賴功能更強(qiáng)大的微處理器（MPU）、系統(tǒng)芯片（SoC）或中央處理器（CPU）來(lái)實(shí)現(xiàn)。這些核心的計(jì)算與控制功能，有時(shí)直接集成于協(xié)作機(jī)器人中，但更多情況下是通過(guò)外部的獨(dú)立控制器來(lái)完成。

至于人機(jī)界面（HMI），常見(jiàn)的形式包括觸控屏、交互式按鈕、語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)等。這些界面同樣依賴傳感器與MCU的配合，以實(shí)現(xiàn)直觀且高效的人機(jī)交互。

圖6：協(xié)作機(jī)器人應(yīng)用框圖

（圖源：英飛凌）

那什么樣的器件才能夠滿足協(xié)作機(jī)器人的感知、計(jì)算和HMI應(yīng)用需求？接下來(lái)我們一同探究。

為電容/電感傳感而生的MCU

電容傳感技術(shù)適用于那些需要觸摸按鈕、滑條、旋鈕、觸控板以及觸摸屏等交互界面的應(yīng)用場(chǎng)景。相較之下，電感傳感技術(shù)則是一種既可靠又經(jīng)濟(jì)的方案，它不僅能與現(xiàn)有的用戶界面無(wú)縫集成，還能用于檢測(cè)金屬或其他導(dǎo)電物體的存在。

英飛凌（Infineon Technologies）提供了先進(jìn)的CapSense電容傳感和MagSense電感傳感產(chǎn)品，而且還提供了更易與這兩類傳感器結(jié)合的PSoC4系列MCU產(chǎn)品。

圖7：PSoC4電感應(yīng)用框圖

（圖源：英飛凌）

PSoC4系列微控制器基于Arm Cortex-M0架構(gòu)，這不僅保證了較低的能耗，而且其主要特色在于其內(nèi)置的混合信號(hào)架構(gòu)。該架構(gòu)配備了豐富的模擬和數(shù)字資源，特別是為CapSense和MagSense量身打造的專用模塊，大大簡(jiǎn)化了與電容和電感傳感器的接口設(shè)計(jì)，提高了信號(hào)處理的效率。

關(guān)于PSoC4系列我們推薦的具體型號(hào)為CY8C4024LQS-S411，詳情可在貿(mào)澤電子官網(wǎng)上查詢。

圖8：PSoC4參數(shù)表

（圖源：英飛凌）

賦予機(jī)器人聆聽的能力

在人機(jī)交互領(lǐng)域，語(yǔ)音互動(dòng)無(wú)疑是實(shí)現(xiàn)自然溝通的關(guān)鍵手段之一。機(jī)器人能夠通過(guò)內(nèi)置麥克風(fēng)捕捉人類的語(yǔ)音指令，并通過(guò)揚(yáng)聲器進(jìn)行即時(shí)反饋，從而實(shí)現(xiàn)雙向的語(yǔ)音交流。

對(duì)于構(gòu)建高效的語(yǔ)音用戶界面（VUI），英飛凌的XENSIV MEMS麥克風(fēng)系列是不錯(cuò)的選擇。這一系列的麥克風(fēng)擁有高達(dá)105dB的動(dòng)態(tài)范圍，即便在嘈雜的環(huán)境或高聲壓級(jí)下，也能以極低的自噪聲和微小的失真保持音質(zhì)純凈，確保對(duì)音頻信號(hào)的精準(zhǔn)捕捉。

推薦產(chǎn)品型號(hào)為IM67D130AXTSA2，詳細(xì)信息可在貿(mào)澤電子官網(wǎng)上查詢。

圖9：XENSIV MEMS麥克風(fēng)

（圖源：貿(mào)澤電子）

探索未來(lái)：

自然人機(jī)交互的新紀(jì)元

協(xié)作機(jī)器人的人機(jī)交互正逐漸邁向其終極目標(biāo)：打造一種如同人與人交流般自然流暢的互動(dòng)模式。在這種理想的互動(dòng)中，哪怕是微妙的眼神和肢體語(yǔ)言都能成為信息傳遞的載體。技術(shù)的不斷進(jìn)步，尤其是在自然交互與情感表達(dá)方面的突破，為我們揭示了這一愿景的實(shí)現(xiàn)之路。

隨著大語(yǔ)言模型（LLM）技術(shù)的興起，將其與協(xié)作機(jī)器人進(jìn)行結(jié)合正變得越發(fā)可行。展望未來(lái)，人類將能夠借助自然語(yǔ)言與協(xié)作機(jī)器人進(jìn)行溝通，而非局限于預(yù)設(shè)的固定語(yǔ)音指令。得益于語(yǔ)義分析能力的加持，協(xié)作機(jī)器人在自然學(xué)習(xí)方面的潛力將得到極大拓展；相比之下，傳統(tǒng)的軌跡學(xué)習(xí)能力不過(guò)是冰山一角。曾經(jīng)高大上的手勢(shì)識(shí)別與追蹤等功能，也將成為協(xié)作機(jī)器人的標(biāo)準(zhǔn)配置。

此外，如何強(qiáng)化人們對(duì)機(jī)器人的信任感也是人機(jī)交互研究的重要議題。機(jī)器人意圖的可視化表達(dá)是增強(qiáng)信任的有效手段之一，這可以通過(guò)變換LED燈光顏色或利用顯示屏演繹面部表情等多種方式實(shí)現(xiàn)。

而要實(shí)現(xiàn)更深層次的無(wú)縫協(xié)作，我們可以考慮將虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）技術(shù)與協(xié)作機(jī)器人相結(jié)合，甚至通過(guò)腦機(jī)接口等尖端技術(shù)實(shí)現(xiàn)人與機(jī)器共融，從而達(dá)到真正的無(wú)縫協(xié)作。

隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步與創(chuàng)新，我們正向著實(shí)現(xiàn)更加自然、無(wú)縫的人機(jī)協(xié)作關(guān)系的愿景穩(wěn)步前行。協(xié)作機(jī)器人的交互不僅僅是技術(shù)進(jìn)步的體現(xiàn)，更是人類生產(chǎn)方式、工作環(huán)境乃至生活方式的一次深刻變革。這一切的努力，都旨在打造一個(gè)人與機(jī)器人能夠和諧共處、互助互補(bǔ)的未來(lái)世界。

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