协作机器人在工厂自动化中日益增长的作用

几十年来，机器人始终在工业领域占有一席之地，而技术创新正在推动新一轮工厂自动化浪潮。  协作机器人和类似协作机器人大小的小型机器人的出现将效率和生产力提高到了一个新的水平，为那些曾经负担不起（或者不需要）工业机器人功能的小型企业提供了可能。

与传统的工业机器人相比，协作机器人更小、更经济、更容易编程，而且它们也更加灵活。现代机器人可以根据需求快速进行重新分配，以执行新任务或者移动到工厂或仓库的其他区域。协作机器人可以配合工作人员安全地操作，特别适合执行危险任务或重复性任务，或者在需要极高精度的任务中协助操作人员进行工作。

因此，协作机器人能成为机器人行业增长最快的细分市场之一，也就不足为奇了。预计到 2026 年，全球协作机器人出货量将超过 47,000 台，远高于 2021 年的 10,000 台 [1]，增长率也高于工业机器人的预期增长 [2]。

为了帮助协作机器人设计者设计满足需求的协作机器人，TE Connectivity（以下简称“TE”） 专注于塑造未来工厂自动化的关键趋势：提高（协作机器人的）灵活性、降低总成本、增强其安全性和耐用性。

与工业机器人在几十年内重复执行相同的任务不同，一台协作机器人必须能够适应多种工作。  例如，一家公司就需要协作机器人能够从简单的拾取任务轻松过渡到更高精度需求的机器维护的角色。

协作机器人设计者面临的挑战是，他们需要创造一种机械臂，它能提供完成不同任务所需的运动范围，同时又能降低成本。每次可能的移动都需要一个单独的轴，该轴自带一套电机、传感器、电缆和连接器——这些元素都会增加成本。出于这个原因，协作机器人制造商已经明确制定对柔性机器人采用标准的六轴设置。这种结构模拟了人类手臂的运动范围，使机械臂适用于大多数协作任务。

然而，在这种标准设置中，设计者在选择内部组件时仍然需要考量竞争力，来平衡耐用性、灵敏度和成本。例如，旋转变压器（测量旋转角度的系统）成本低，且可以提供很高的耐用性，但可能无法提供精细任务所需的精度。而另一个极端情况是，光学编码器可以提供更高的精度，但它容易损坏且昂贵。为了帮助广大用户有机会使用上协作机器人，TE 提供了介于这两种选择之间的方案——磁性编码器（Magnetic encoder）。它能提供比旋转变压器更高的精度，但与光学传感器相比，却更便宜、更耐用。

按照定义，协作机器人就是与人类一起工作的。  没有安全笼也能安装它们，这有助于降低安装成本并减少其在工厂或仓库的占地面积。但是，这种结构需要有其他的安全功能来保护与其一起工作的操作人员。

扭矩传感器的进步使协作机器人更加安全、更加可靠。扭矩传感器安装在协作机器人手臂的每个轴上，可测量轴电机和变速箱内的机械张力。我们可对它们进行编程，将扭矩保持在特定阈值以下，可以通过自动关闭协作机器人，避免操作人员受伤或协作机器人手臂损坏的情况。

随着协作机器人的使用率持续上升，我们预计在其他安全功能（例如近距离传感器和绝对位置传感器）方面会有进一步的改进。通过使用一系列光学传感器和压力传感器，工厂所有者可在协作机器人周围建造一个看不见的围栏，当有人进入协作机器人的工作空间时，它会触发机器减速或立即停止。

减少停机时间和维修成本对于保持协作机器人的性价比至关重要，同时这又是一个挑战，因为协作机器人通常在对电子元件和移动部件不友好的环境中运行。  灰尘、湿度、油、热、振动和电磁干扰在工厂和仓库环境中很常见。

因此，TE 专门针对这些严苛条件设计了位置和角度传感器等元件。不过，协作机器人设计者经常忽视另一个对保持其可靠性至关重要的领域：电缆和连接器。

传感器和电机等轴元件的电缆和连接器通常安装在协作机器人手臂内部。即使有这种保护，也有必要使用专门设计的工业级电缆组件以提供每个手臂关节所需的运动范围，同时在手臂重复执行任务时消除任何不必要的移动。

当任务必须适应末端工具和传感的可变性时，连接变得更加棘手。在任务之间切换通常需要在协作机器人手臂末端安装一套新的工具，包括夹子、传感器、摄像头和灯。这些元件中的每一个都需要在协作机器人手臂保护之外获得电源和数据连接。

由于适应性是协作机器人的主要优势之一，因此我们专注于帮助设计者降低布线和连接器的复杂性，同时保持功能。例如，我们正在开发将电源和数据连接结合在单根电缆中的解决方案，例如单对以太网 (SPE)。这一根电缆为任何末端外围设备提供足够的功率和数据传输速率。 

协作机器人的兴起已经将自动化水平提高到了新的高度，而就在几年前，这种技术还不可行，或者（价格高到）难以负担。  随着协作机器人继续代替人工执行更多任务，它们还将帮助制造商优化其生产流程，以实现更高的效率和灵活性。

我们将看到这样一个未来：制造车间围绕模块化单元进行组织，每个单元都提供了在离散任务或定制流程之间切换的灵活性。此外，无线连接方面的进步将帮助工厂所有者监控和分析其中每个半自主单元的性能。与此同时，人工智能和机器学习将不断发展，帮助协作机器人更快地学习执行新任务。

工厂自动化方面的这些进步将帮助制造商适应对速度、效率和定制方面不断增长的需求。它们同时也是应对包括劳动力持续短缺等其他挑战的解决方案的一部分。虽然从半自主生产到完全自主生产的发展需要数年时间，但将协作机器人与无缝连接和增强智能相结合将带领我们实现这一目标。