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機(jī)器人正成為當(dāng)今科技界熱點(diǎn)，而傳感器在機(jī)器人所占比重在10%~20%之間，是機(jī)器人重要組成部分，未來MEMS傳感器將在機(jī)器人市場有著廣闊的增長空間。本文我們聽聽ADI、中星測控、美的等三位專家如何看MEMS傳感器在機(jī)器人中的應(yīng)用前景。
近來，關(guān)于馬斯克計(jì)劃在特斯拉人工智能日上發(fā)布“特斯拉人形機(jī)器人”的消息不斷發(fā)酵，使得智能機(jī)器人的關(guān)注度再次飆升，有望成為繼智能汽車后的又一風(fēng)口，商業(yè)價(jià)值巨大。而MEMS傳感器作為數(shù)字時(shí)代的感知層，也被廣泛應(yīng)用于機(jī)器人當(dāng)中，擔(dān)當(dāng)著機(jī)器人實(shí)現(xiàn)智能感知功能的基礎(chǔ)，同樣成為新時(shí)代的風(fēng)口。
機(jī)器人正成為MEMS傳感器主要應(yīng)用市場
根據(jù)ADI亞太區(qū)微機(jī)電產(chǎn)品線總監(jiān)趙延輝的介紹：“MEMS傳感器可以測量沖擊、傾角、轉(zhuǎn)動(dòng)、加速度、振動(dòng)等多種信號(hào)?！彪S著數(shù)字化、智能化程度的不斷提高，MEMS傳感器在外部感知中所能發(fā)揮的作用也越來越大。
MEMS技術(shù)對(duì)機(jī)器人的開發(fā)尤其有利，其可以通過對(duì)多種運(yùn)動(dòng)及環(huán)境因素感知，使它們變得更加智慧，使用時(shí)更加安全。以工業(yè)機(jī)器人為例，一方面智能機(jī)器人在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛；另一方面，MEMS技術(shù)支撐機(jī)器人的外部感知，為數(shù)據(jù)采集提供高可靠性、可擴(kuò)展性、靈敏度和成本效益高的解決方案。
西安中星測控有限公司董事長兼總經(jīng)理谷榮祥指出，機(jī)器人最關(guān)鍵的兩個(gè)技術(shù)點(diǎn)：一個(gè)是感知，另一個(gè)是控制。感知的完成主要就依托于各類傳感器，MEMS傳感器是其中應(yīng)用較為廣泛的一個(gè)大類。
谷榮祥還特別強(qiáng)調(diào)，根據(jù)機(jī)器人的擬人化程度不同，其應(yīng)用的傳感器種類也不相同，擬人化程度越高應(yīng)用的傳感器種類和數(shù)量就會(huì)越多。近年來機(jī)器人行業(yè)智能化程度的不斷提高，為MEMS傳感器提供了大量的市場應(yīng)用機(jī)會(huì)。
慣性傳感器中的加速度計(jì)、陀螺儀等產(chǎn)品是機(jī)器人當(dāng)中應(yīng)用最為廣泛的產(chǎn)品類型。根據(jù)美的集團(tuán)中央研究院感知技術(shù)研究所高級(jí)工程師熊貴林的介紹，在工業(yè)機(jī)器人中，位置角度感測、力度與扭矩載荷測量、航跡規(guī)劃、智能圖像及輪廓識(shí)別等都是最常見的應(yīng)用場景，其中都離不開MEMS傳感器的加持。加速度計(jì)可以用來監(jiān)測工業(yè)設(shè)備的振動(dòng)和旋轉(zhuǎn)速度；陀螺儀傳感器是一種基于自由空間移動(dòng)和定位的控制系統(tǒng)，可用于感測與維持方向；基于加速度計(jì)和陀螺儀的慣性測量單元（IMU）在工業(yè)機(jī)器人中有著非常廣泛的應(yīng)用。
機(jī)器人的機(jī)械手臂中就會(huì)集成編碼器、加速度計(jì)、力傳感器等。對(duì)于機(jī)器人這種高精密的機(jī)械設(shè)備，其手臂伸出去的角度和姿態(tài)都要考慮到安全性、穩(wěn)定性等多種要素，編碼器可以解算運(yùn)行位姿和速度，加速度計(jì)可以檢測運(yùn)行安全，機(jī)械手臂的轉(zhuǎn)動(dòng)和展開需要力傳感器測試載荷量程。導(dǎo)航更是常見的應(yīng)用功能，在室內(nèi)無法依靠GPS的情況下，要完成室內(nèi)航跡的規(guī)劃，IMU就是不可或缺的關(guān)鍵器件。
“隨著機(jī)器人產(chǎn)業(yè)智能化的發(fā)展，姿態(tài)檢測和協(xié)作控制，航跡規(guī)劃推算等場景都是不可避免的。MEMS傳感器適應(yīng)多場景應(yīng)用，更復(fù)雜的動(dòng)作信號(hào)采集與控制，極致狀況下甚至可以使機(jī)器手臂配上有觸覺感知的夾爪達(dá)到媲美人手的靈活程度。”熊貴林強(qiáng)調(diào)。
隨著機(jī)器人的智能化程度不斷提高，其中加載的MEMS傳感器將變得越來越多。據(jù)專家估算，由于機(jī)器人的智能化程度不同，傳感等感知部分約占機(jī)器人總成本的10%到20%。機(jī)器人領(lǐng)域有望繼消費(fèi)電子、汽車之后，成為MEMS傳感器的新興的主要應(yīng)用市場。
低功耗與微型化非常重要
當(dāng)前MEMS傳感器在機(jī)器人、智能裝備等領(lǐng)域的應(yīng)用依然面臨諸多挑戰(zhàn)。谷榮祥就指出，機(jī)器人的開發(fā)和應(yīng)用，傳感器將起到至關(guān)重要的作用。沒有傳感器，講機(jī)器人就是一句空話。但是MEMS傳感器和機(jī)器人的實(shí)際應(yīng)用需求還有較大的差距。比如MEMS圖像傳感器的分辨率在很多場所還不夠高，起不到“眼睛”的作用；像人類皮膚一樣的MEMS柔性薄膜傳感器還僅僅處于開發(fā)階段。
現(xiàn)有的一些測力柔性傳感器剛剛進(jìn)入小批量應(yīng)用；MEMS陀螺儀或者M(jìn)EMS慣性測量單元傳感器應(yīng)用于機(jī)器人的小量程產(chǎn)品開發(fā)難，精度差距還很大；大多數(shù)MEMS傳感器在工業(yè)環(huán)境應(yīng)用，其環(huán)境適應(yīng)性較差，導(dǎo)致穩(wěn)定性差。由于技術(shù)限制，大多數(shù)傳感器用在服務(wù)型機(jī)器人還可以基本滿足環(huán)境需求，但直接用在環(huán)境復(fù)雜的工業(yè)領(lǐng)域，就存在環(huán)境適應(yīng)性不足的問題。應(yīng)對(duì)上述挑戰(zhàn)，MEMS傳感器將向著不斷提升感測精度、低功耗、微型化等方向發(fā)展。
熊貴林則表示，精度對(duì)工業(yè)制造場景的應(yīng)用十分重要。汽車對(duì)MEMS傳感器的要求更多體現(xiàn)在高可靠性上；消費(fèi)類產(chǎn)品對(duì)MEMS傳感器成本及單一品類的產(chǎn)量有高要求；而工業(yè)類產(chǎn)品就體現(xiàn)在高精度、高響應(yīng)與定制化需要之上。沒有高精度和高響應(yīng)是無法滿足大工業(yè)生產(chǎn)精密復(fù)雜要求的，而要滿足這一點(diǎn)則往往需要實(shí)現(xiàn)定制化的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)。
此外，機(jī)器人對(duì)MEMS傳感器的低功耗、微型化也有著嚴(yán)格的要求。趙延輝指出，MEMS傳感器通常要在頻率和理想操作點(diǎn)上尋找平衡。當(dāng)采用2伏特或3伏特電源時(shí)，一個(gè)加速度感測器的功耗通常不到10微安培。同時(shí)，MEMS傳感器往往被安裝在機(jī)器人的末梢或手臂部分，空間非常狹小。極端情況下，設(shè)計(jì)精致小巧MEMS傳感器要用在可穿戴式機(jī)器人系統(tǒng)，甚至用于內(nèi)窺鏡檢查醫(yī)療應(yīng)用的可吞咽膠囊當(dāng)中。低功耗與微型化無疑變得非常重要。
中國已成全球MEMS最大單一市場
從全球產(chǎn)業(yè)格局來看，國際廠商依然占據(jù)主導(dǎo)地位。博通、博世、意法、德儀等前十大廠商占據(jù)近半市場份額。不過受益于工業(yè)控制、機(jī)器人等應(yīng)用的拉動(dòng)，我國機(jī)器人市場規(guī)模也在持續(xù)快速增長之中，目前已成為全球MEMS行業(yè)最大單一市場，預(yù)計(jì)到2023年中國MEMS市場規(guī)模將超過1200億元，增速遠(yuǎn)高于全球平均水平。以應(yīng)用為龍頭，推動(dòng)產(chǎn)業(yè)的上下游互動(dòng)，將是促進(jìn)我國MEMS傳感產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個(gè)重大機(jī)遇。
谷榮祥指出，高端或者高度智能機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展受制于傳感器技術(shù)的發(fā)展，因此傳感器企業(yè)和機(jī)器人企業(yè)一定要上下游協(xié)作，組成創(chuàng)新聯(lián)合體，統(tǒng)一攻關(guān)，統(tǒng)一未來的利益分配。同時(shí)，政府部門要通過政策、稅收或者資金的形式，協(xié)調(diào)傳感器企業(yè)和機(jī)器人企業(yè)共同應(yīng)對(duì)難題，共筑一條龍的機(jī)器人產(chǎn)業(yè)鏈。
熊貴林表示，就MEMS在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用來看，其高精度高響應(yīng)、中小規(guī)模、定制化的需求，結(jié)合當(dāng)前的市場形勢更適宜培育自有品牌IDM模式的發(fā)展。很多國際廠商都是以工業(yè)用MEMS傳感器新技術(shù)開發(fā)為先導(dǎo)，然后再向汽車、消費(fèi)等領(lǐng)域轉(zhuǎn)移，擴(kuò)大該系列產(chǎn)品的市場應(yīng)用范圍，以獲取產(chǎn)能支撐和資金積累來反哺新技術(shù)的研究。目前我國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)以Fabless+Foundry為主流。因此，借鑒國際MEMS傳感器大廠的發(fā)展經(jīng)驗(yàn)，在推進(jìn)MEMS傳感器產(chǎn)業(yè)時(shí)，要想發(fā)揮設(shè)計(jì)和工藝的整合優(yōu)勢，并保持對(duì)MEMS技術(shù)前沿的探索與創(chuàng)新，應(yīng)當(dāng)更加重視IDM模式的培育。
此外，傳感器的狀態(tài)監(jiān)測與機(jī)器學(xué)習(xí)結(jié)合是大趨勢。趙延輝強(qiáng)調(diào)，從行業(yè)趨勢來看，傳感器將變得越來越智能化，intelligentedge(智能邊緣)將是不可逆的一個(gè)趨勢。但是不能為了智能而智能，企業(yè)在進(jìn)行產(chǎn)品開發(fā)當(dāng)中要清楚客戶的痛點(diǎn)是什么，市場的應(yīng)用需求是什么，然后增加數(shù)字化功能去解決這些問題，而不是簡單地堆砌一些可運(yùn)算的單元。未來，產(chǎn)業(yè)鏈的協(xié)同創(chuàng)新，必將成為贏得市場的殺手锏。
