工业机器人身体里，有哪些不容小觑的“工作细胞”？
【导读】在人们对于未来智能世界的畅想中，机器人肯定是不会缺席的一环。因此，随着我们这个世界智能化程度的增加，机器人的发展也步入了快车道。美国波士顿咨询公司的研究报告显示，全球机器人市场规模在2020年约为250亿美元，而到十年之后的2030年，将达到1,600亿至2,600亿美元。
按照用途，机器人通常被分为工业机器人、服务机器人和特种机器人三类，其中工业机器人起步最早，在相关制造业的渗透率也最高，一直占据着机器人市场的半壁江山。在工业4.0概念的加持下，工业机器人近几年的发展势头颇为引人注目。
根据Robo Global公司的研究和预测，到2021年底，全球工业机器人的安装量与2015年相比将实现翻番，超过320万台；预计全球工业机器人市场将从2020年的450亿美元上升到2025年的730亿美元。
工业机器人的进化
能够实现更大的产能、获得更高的成本效益、达到更佳的质量要求，这是人们愿意在工业机器人身上持续投资的关键理由，也是人们对于工业机器人的“要求”。按照这样的“要求”而打造的工业机器人主要有两种类型：一种是多关节型机器人（Articulated Robot），另一种是自动引导车辆（AGV）。
多关节机器人，顾名思义就是具有多个旋转关节或“轴”的机器人，它们多是以多轴机械臂的形式出现，可以在广泛的工作范围内、多个自由度上动作，完成特定的制造任务，如焊接、喷漆、装配等。
AGV，则是一种负责物料运输的自动机器人，它们通常是沿着仓库、生产或配送中心周围的轨道或导航路线行驶，能够大幅提升物流、仓储等环节的效率。
图1：两种主要的工业机器人及其应用场景
（图源：Murata）
随着需求的发展，工业机器人也呈现出新的发展趋势，进化出了一些新物种。比如：
协作机器人：这也属于关节机器人，但是与传统生产线上那些体积庞大、“关”在笼子里（处于特定安全隔离区，以免误伤人类员工）的工业机器人不同，协作机器人的身形比较小，它们在高效率、高质量地完成操作的同时，还可以与人类员工或者机器人在同一个区域内安全地协同工作，这就使其灵活性和应用范围大大增加，近年来成为了工业机器人市场重要的“风口”。
混合机器人：这类机器人工作时的位置不再是固定的，它整合了关节型机器人和AGV的优点，兼具高效生产和准确“走位”的能力，这使其可以根据需要灵活部署，这对于工厂自动化升级、提高生产的灵活性显然大有裨益。
工业机器人的赋能技术
当然，不论是工业机器人原有产品的升级，还是新概念产品的开发，都需要新技术的推动和赋能。
从本质上讲，无论机器人是用于焊接、喷漆、装配还是运输，它们都属于一种自动化设备，而一个典型的自动化系统主要包括输入、处理和输出三个部分。我们就从这个基础架构出发，来梳理一下影响未来机器人发展的新技术。
输入
机器人的输入主要是来自于传感器、计算数据和人机界面（HMI）的信息和指令。为了确保输入的实时性和准确性，下面三种技术不可或缺：广泛部署的传感器（无论是集成在机器人系统内部还是其外部工作环境中）、确保各种数据可靠高效传输的工业互联网（包括有线和无线网络），以及人机交互技术（比如可视化的图形界面，甚至是语音、手势控制等下一代HMI技术）。
处理
一旦机器人接收到来自外部的输入数据，就需要对这些数据进行处理，并形成决策。随着边缘计算的兴起，人们对于机器人这个工业生产中的边缘设备的本地化数据处理能力，也有了更高的要求；换言之，机器人需要变得越来越智能、越来越“聪明”，而不只是一台简单的执行器。在这个过程中，AI和机器学习技术的应用也会越来越普遍。
输出
处理后的数据会“驱动”机器人的执行机构（如电机）去快速、精准地完成特定动作，例如拾取物品、避开障碍物等。更先进的电机驱动技术显然是其中的核心技术，而在多轴机器人，以及多个机器人组成的生产线上，通过实时通信确保每个执行动作之间的协同也变得更为重要。
上述这些工业机器人系统架构层面的技术升级挑战，也势必会传导到作为底层技术基石的元器件身上。
图2：典型机械臂的系统架构及关键元器件
（图源：Murata）
图3：典型AGV的系统架构及关键元器件
（图源：Murata）
工业机器人身上的“工作细胞”
如果我们将工业机器人比作是一个人的身体，那么构建起整个机器人系统的电子元器件和模块，就可以看做是这个身体中的“工作细胞”，它们各司其职，不懈工作，最终确保整个机器人高效、可靠、安全地运转。
不过，由于工业机器人工作环境的特殊性，以及产品迭代发展的新需要，这就要求能够在工业机器人上使用的元器件，要具有一些特殊的素质，也就是说在其上岗之前，要对其进行精心“调教”。
在打造工业机器人所需的“工作细胞”方面，Murata颇有心得。由Murata开发的丰富的元器件组合，可以为机械臂（如图2）和AVG（如图3）等工业机器人系统提供完整的解决方案。下面我们就从中挑选几款代表性的产品，一起来发现他们身上的“亮点”。
MYMGK MonoBK? DC-DC转换器模块
如上文所述，如今工业机器人的“技能”越来越高，这也就意味着一个机器人系统中所包括的传感器、控制器、执行器、无线模块等功能单元也会越来越多，想要将电能传输到这些用电单元，并且尽可能减少电能传输和转换过程中的损耗，就需要采用分布式的电源总线架构，以及小型化、高效率的PoL（负载点）DC-DC转换器，以便尽可能部署在用电器件和模块附近。
Murata的MYMGK MonoBK? DC-DC转换器就是为这样的应用而打造的电源管理解决方案。该模块集成了电感、FET、补偿电路和所需的被动元件，而尺寸仅有10.5mm × 9mm × 5.6mm。
在性能方面，该DC-DC电源模块的输入电压范围为4.5V至8.0V或8.0V至15.0V，可提供0.7V至1.8V的可设置输出电压，输出电流可达12A（MYMGK1R812）或20A（MYMGK1R820）。在效率方面，该系列模块效率高达93.2%，空载电流仅为100mA。
此外，MYMGK MonoBK? DC-DC电源模块还提供欠压锁定（UVLO）、输出短路保护和过流保护等功能，具有开/关控制以及电源良好信号输出，符合CISPR 32B类电磁兼容标准，具有较高的可靠性。综合来看，非常适合于AGV、机械臂、AC伺服系统的应用。
GRM系列 多层陶瓷电容器
MLCC（片式多层陶瓷电容器）是由印好电极（内电极）的陶瓷介质膜片以错位的方式叠合起来，经过一次性高温烧结形成陶瓷片式结构体，再在其两端封上金属层（外电极），从而形成一个完整的电容器。由于这种特殊的工艺和结构，MLCC具有高可靠、高精度、高集成、高频率、大容量、小型化和低成本等特点。显而易见，这与工业机器人的设计要求很合拍。
Murata在MLCC领域一直是头部的玩家，其GRM系列多层陶瓷电容器就可以满足工业机器人应用的需要。该系列MLCC可在表面贴装的小型封装中（从0.25mm × 0.125mm至5.7mm × 5.0mm）实现大容量，容值范围为0.10pF至330μF，容差范围为+/-0.05pF?20%，设计额定电压为630VDC（也提供250VDC至1,000VDC的高压版本），可以适用于工业机器人设计中去耦、滤波、箝位缓冲电路、电源阻尼器缓冲器等多种应用场景。
GRM系列具有C0G/X7*温度系数，在-55°C至125°C工作温度范围具有良好的稳定性。而且，该MLCC外部电极镀锡，又有出色的可焊性，兼容SMT自动化工艺，对于工业机器人系统提升品质也很有帮助。
PRG系列 PTC热敏电阻
大家知道，工业机器人智能化的水平是与其采用的传感器数量成正比的。传感器可以为机器人精准、敏捷地“行动”提供数据保障。在工业机器人需要感知的众多物理量中，温度是十分关键的一个参数，这时就要用到PTC热敏电阻了。
PTC热敏电阻是一种阻值会随着温度升高而快速增大的器件，利用这种特性，PTC可以在线路中实现温度检测、电路限流保护等功能。
Murata的PTC热敏电阻均采用具有优异可靠性及性能的陶瓷材料制成。其中，PRG系列PTC热敏电阻用于过流保护的产品，其额定电压高达32V，电流范围10mA至750mA。当电路中出现过流时，该PTC元件可快速呈现高阻状态，阻断大电流对下游的电路和电源造成冲击和损害；而当过流现象消除后，PRG热敏电阻会自动恢复初始低阻状态，可重复使用而无需更换，这显然既省钱又省事——在这个方面和PPTC（有机材料PTC）相比，PRG系列PTC多次使用后阻值特性不会变化，稳定性更胜一筹。
采用表面贴装封装的PRG热敏电阻外形紧凑，有利于节省电路板空间，安装和通电后特性变化较小，具有较高的可靠性，支持较宽的工作温度范围（-40°C至+105°C），符合UL：E137188 VDE和TUV安全标准，可以很方便地集成到工业机器人设计中，对于由于接地故障引发的I/O输入电路过流以及由于无负载误连接引发的I/O输出电路过流进行保护。
图4：在工业机器人中PRG系列热敏电阻的典型应用场景（图源：Murata）
本文小结
现代工厂对高效生产和无缝供应链管理的需求，推动着工业机器人应用的不断发展；而工业4.0的兴起，也在催生能够充分利用数据资源、具有更高智能水平的高精度、高可靠性、高灵活性的新型工业机器人。因此在未来10年甚至是更长的时间内，工业机器人市场将呈现出持续快速增长的态势。
而在这样一种大环境下，一款工业机器人产品想要获得超乎他人的竞争优势，必须要有健壮而高效的“工作细胞”——也就是电子元器件——以支撑其“肌体”的高效运转。从以上三款产品中我们不难看出，Murata高性能、高可靠、小型化的电子元器件正好可以满足这一要求，而且Murata极为丰富的产品组合还可以为客户提供完整的解决方案！想要打造可以在未来世界大展身手的工业机器人，就从这里起步吧。
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