一文读懂：工业机器人中的关键传感技术

图源：zhu difeng/stock.adobe.com

近年来，有关工业机器人系统的定义有了很大发展。根据国际标准ISO 8373:2012的定义，工业机器人是“一种多功能、可重编程、自动控制的机械手，可在三个或更多轴上编程，可固定在一个区域或移动用于工业自动化应用”。

工业机器人在外形上通常不是类人机器人，尽管它们能够再现人类的运动和行为，但具有机器的力量、精度和速度。在制造业中，我们认为工业机器人是一种能够以高精度执行制造操作所需的危险或重复任务的劳动力。

1961年，第一个工业机器人Unimate加入了位于美国新泽西州尤因镇的通用汽车工厂的装配线，实际上它是一个自动压铸模具，在工作中需要将热的车门把手和其他汽车零件放到生产线上的冷却桶中，接下来再将这些零件运到工人那里进行最终的精加工和抛光。从国际机器人联合会（International Federation of Robotics）的统计数据中可以看出，自2010年以来，汽车行业一直是工业机器人的最重要客户。

根据Markets and Markets的最新数据，工业机器人市场预计将从2022年的157亿美元增长到2027年的308亿美元；在预测期内，预计复合年增长率将达到14.3%。从应用角度看，汽车行业中的工业机器人有着很高应用率，例如在装配线中移动车身以及安装机械和电子部件等，这也是工业机器人市场持续发展的主要推动力。2022年，搬运应用占据了工业机器人市场的最大份额。由于末端执行器（EOAT）可以与铰接式机器人集成，因此，预计2022年铰接机器人将在传统工业机器人市场上占据较大份额。图1显示了近些年移动机器人安装量的演变以及对未来市场的预测。

图1：2015年—2020年工业机器人年度安装量

以及2021年—2024年度发展展望

（图源：2021世界机器人技术报告）

工业机器人由五个主要部件组成：控制器、传感器、机械手、末端执行器和驱动器。传感器技术是工业机器人最关键的应用科学之一，它使机器人能够像人类一样导航和检测环境变化，并在棘手的情况下做出准确的决策。对于机器人而言，特别是在工业自动化中，传感器必须正确地提供关键数据，才能实现相关的复杂程序。为了确保工业自动化过程中的合理控制和操作，工业机器人采用了大量的传感器。例如，协作机器人因配备了扭矩传感器和摄像头，使它们不仅拥有更广阔的视野，而且还能确保工作场所的安全。那么，工业机器人中究竟包括哪些传感器技术呢？

随着新技术的不断涌现，传感器在机器人上的使用不断增加。工业机器人中最常用的传感器包括2D传感器、3D传感器、力/扭矩传感器和碰撞检测传感器等四种。

根据Interact Analysis 的分析，2017年是工业机器人行业的好年景，收入增长了20%。但自2018年起，工业机器人技术的最大使用者——汽车行业，消费需求疲软。受此影响，工业机器人市场下滑，2019年—2020年这两年，收入减少了10%。2021年，工业机器人市场出现了反弹，出货量同比增长31.9%，在此过程中，中国市场做出很大贡献，在亚洲的工业机器人发货量中占到52.5%。

劳动力成本的持续增长、机器人价格的持续下降、从大规模生产转向半定制生产的趋势、对更短更快产品周期以及进一步提高生产效率和产品质量的需求，这些都将成为进一步推动工业机器人大规模采用的驱动力。Research and Markets的分析表明，机器人技术的市场增长前景十分乐观，在汽车、电气和电子、建筑、医疗和国防领域，机器人技术具有巨大的增长潜力，预计全球机器人市场将从2021年的558亿美元增长到2026年的918亿美元，在2021-2026年的预测期内，复合年增长率为10.5%。从细分市场看，全球工业机器人市场预计将从2021年的280亿美元增长到2026年的422亿美元，复合年增长率为8.6%。

过去，机器人被要求执行非常具体的任务，通常在固定的位置。今天，随着传感技术的引入，工业机器人的外形和功能，以及协作应用能力得到了迅速提升。传感器的应用使得它们能够在有人的环境中安全工作，并记录有关的环境信息。为此，我们还能同步收集制造过程中每个步骤的数据，以实现完全的可追溯性和详细的数据分析，为未来做出更好的决策提供保障。

作为自动化生产过程中的关键参与者，工业机器人直接影响着行业的自动化水平。随着工业产品的复杂性和精度不断提高，对机器人的要求也会越来越复杂和苛刻。以低成本提供高质量产品是阻碍工业机器人传感器市场增长的关键挑战之一。目前来看，机器人传感技术已经从简单的光电和触摸开关发展到高级触觉、声音和视觉传感器，随着新兴传感技术和产品的出现，机器人将被赋予更多的感知能力。

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