如何解决工业机器人应用过程中安全和健康问题？

日前，国际机器人联合会（IFR）发布了《世界机器人2021工业机器人报告》（以下简称《报告》，《报告》中显示，尽管全球新冠疫情持续蔓延，但工业机器人的销量仍实现了小幅增长。据《报告》中统计，2020年全年全球工业机器人出货总量为384,000台，其中 71%的份额被亚洲市场占据，而作为该地区最大的工业机器人采用者，中国的设备出货量为168,400台，相比于上一年增长了20%，是有记录以来单个国家增长的最高数值。

如此高的增速，离不开中国制造业实施数字化和智能化转型方针的催化。2019年，我国政府在工作报告中首次提出“智能+”的概念，将智能制造正式确立为国家经济发展新动能的重要发展路线，而在这其中，工业机器人的大规模应用正是智能制造产业升级的具象化体现之一。

尽管制造业智能化的大方向已定，但转型升级并不是引入工业机器人后即能达成。在近几年机器人的日常使用中，有两方面的共性问题引起了广泛关注：一是如何保证人与机器人协作时的安全问题；二是怎样维护机器人长期使用健康以减少停机。本期中，我们就这两个问题来具体讨论一下。

人机协作的安全防线，更高的精准定位

在尚未实现完全的自动化生产之前，人机协作可能是目前工业生产的主要模式。凭借着易用性和灵活性的特点，协作机器人可以无缝衔接到制造过程和仓储物流体系中，但这同时也对机器人定位精准度提出了挑战。更高的精准度不仅可以保证机器人本身的性能安全，还能使机器人与周围环境高度配合，保障周围人与物的安全。

如何解决这一问题呢？基于异性磁阻（AMR）技术的角度传感器承接了这一挑战：基于AMR理念的传感器的材料电阻率取决于相对于电流方向的磁化方向。AMR传感器在饱和状态下工作，因此外部磁场对电阻变化起决定作用。外部磁场和电流方向平行时电阻最大，施加磁场与载流透磁合金的平面垂直时电阻最小。两个独立的惠斯登电桥配置以彼此呈45°的方式排列时，可实现角度传感器，其正弦和余弦输出取决于外部磁场方向，此配置可提供具有180°绝对测量范围的传感器。借助ARM传感器，不仅可实现高角度精度，获得非常小的传感器子系统，而且能够在电机总成内定位传感器。

以亚德诺半导体（ADI）推出的ADIS16470系列高性能IMU为例，集成一个定制型混合信号调理IC以及采用各向异性磁阻技术（AMR）的检测元件，可在广泛的电机应用中实现直接、非接触式和无磨损的角度测量。借助高精度位置反馈信息，可提高电机换向效能，改进对扭矩和速率性能的控制，在低转速应用中尤其如此。产品中的三轴MEMS加速度计和陀螺仪能提供6自由度（DoF）检测，并注重工业“运动物联网”的需求及其对精准地理定位的需求，其性能令系统能精确地表征运动，不受湍流、振动、风、温度和其他环境干扰，从而实现更精准的导航、引导或仪器稳定度，保障人机协作安全。

机器人的健康“预防针”，状态监测

状态监测（CbM）理念，即为对工业设备状态通过持续监测实现预测性、基于状态的维护策略。传统的工厂运营中，机器按照计划进行维护，延迟维护可能会带来工厂停产的风险。如果以设备状态信息与处理技术及维修分析决策技术为核心，对设备进行各种参数测量，则可以随时反映设备实际状态并进行预测性维护。

有行业报告数据显示，机器状态监测一年可以帮助降低12%的维修成本，并将机器可用性大幅提高至92%，基于状态的维护还可以减少约25%的意外故障，修理和检修时间降低几乎一半，备件的库存也可以减少20%。

正如中医号脉一样，工业机器人也有一种特定的脉象——机器振动，实现实时声学和振动数据分析是一种重要的基于状态的系统监测方法。目前市面上已经有了相对成熟的产品，能够通过监测分析机器的振动，检测出机械中发生的主要故障，例如套筒轴承损坏、对准误差、不平衡、摩擦、松动、传动装置故障、轴承磨损和空化等。

此外，在与人工智能（AI）技术结合后，这些振动数据还将进一步发挥更大的价值。它支持计算机听觉，让计算机能理解设备发出的声音和振动主要指标，能在问题变得严重之前确定工厂机器或汽车发动机中的潜在问题。

结语

工业机器人被称为“制造业皇冠顶端的明珠”，是智能工业实现过程中的重要工具和助力。根据德邦证券研报显示，到2023年，我国工业机器人市场规模将突破100亿美元。更大的市场给了工业机器人更广阔的发展空间，从单一的机械手臂，到更智能化的人机协作，短短几年，机器人的发展已经令世人瞩目。在不久的将来，相信会有更多更先进的机器人被应用在制造业以及日常生活中，带来更加完善的智能化体验。

供稿：ADI

来源：荣格-《智能制造纵横》


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