人形機(jī)器人和工業(yè)機(jī)器人在應(yīng)用場景上的區(qū)別及實(shí)戰(zhàn)方案

發(fā)布時(shí)間：2024-12-11 閱讀量：1919 來源: 我愛方案網(wǎng) 作者: bebop

大模型技術(shù)為人形機(jī)器人研發(fā)帶來了創(chuàng)新浪潮，近期國內(nèi)外多款人形機(jī)器人爭相進(jìn)入制造工廠“實(shí)習(xí)”。與此同時(shí)，以機(jī)械臂為代表的工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用也在不斷普及。這兩種類型的機(jī)器人在應(yīng)用場景上有著顯著的區(qū)別，并且針對各自的特點(diǎn)，業(yè)界也開發(fā)出了不同的實(shí)戰(zhàn)方案。

工業(yè)機(jī)器人與人形機(jī)器人在擅長能力與應(yīng)用場景上各有側(cè)重。在能力和場景上，工業(yè)機(jī)器人主要通過預(yù)設(shè)程序完成重復(fù)性、單一任務(wù)、流程化的操作，如焊接、裝配、搬運(yùn)、碼垛等，通常需要較高的精度和速度，適用于汽車、電子等工業(yè)生產(chǎn)線等標(biāo)準(zhǔn)化、結(jié)構(gòu)化的封閉場景中。人形機(jī)器人則基于人工智能技術(shù)具備較好的通用性和泛化性，可以實(shí)現(xiàn)類人靈活操作、人機(jī)交互、決策以及推理的智能化能力，具有高度的靈活性和適應(yīng)性，更擅長完成高柔性、高協(xié)作、復(fù)雜流程的任務(wù)，應(yīng)用場景更加多元化，包括工業(yè)、商業(yè)和家用等多領(lǐng)域。

具體來看：

1、人形機(jī)器人在工業(yè)制造領(lǐng)域的潛在進(jìn)入空間比較有限。

“人類員工占比”當(dāng)前高于25%的場景集中在工業(yè)制造流程起始端的搬運(yùn)、上下料環(huán)節(jié)，以及工業(yè)制造流程尾端的裝配、組裝、檢測環(huán)節(jié)。但在工業(yè)制造流程中間環(huán)節(jié)的材料加工、產(chǎn)品成型等環(huán)節(jié)，“人類員工占比”普遍很低，已經(jīng)處于高度自動(dòng)化的狀態(tài)。這一方面是我國多年來對工業(yè)制造領(lǐng)域的持續(xù)重視和“制造強(qiáng)國”戰(zhàn)略實(shí)施的結(jié)果，另一方面也揭示出人形機(jī)器人在工業(yè)制造領(lǐng)域的潛在進(jìn)入空間存在“天花板”，這與人形機(jī)器人進(jìn)廠實(shí)習(xí)的測試任務(wù)普遍集中在搬運(yùn)、裝配等工作的現(xiàn)象也高度吻合。

2、離散制造業(yè)中，裝配組裝和質(zhì)檢巡檢以及原材料處理環(huán)節(jié)是人形機(jī)器人的潛在應(yīng)用場景。

以汽車和3C制造為例，在原材料搬運(yùn)和上下料等環(huán)節(jié)，以人類員工操作自動(dòng)化設(shè)備為主完成任務(wù)；在材料加工和成型、塑形環(huán)節(jié)，以應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人為主來執(zhí)行高負(fù)荷和重復(fù)性任務(wù)，工人占比很少。以特斯拉上海工廠、理想常州&北京工廠、長安重慶工廠、小米、極氪等新建汽車工廠為例，沖壓、噴涂車間自動(dòng)化率接近100%，焊接車間從過去的80%提升至95%以上。而在總裝和質(zhì)檢環(huán)節(jié)，自動(dòng)化率只有5%-10%，線束等非標(biāo)準(zhǔn)部件裝配、車輛點(diǎn)檢和路試等工作仍然嚴(yán)重依賴人工。

3、流程制造行業(yè)中，人形機(jī)器人的潛在應(yīng)用空間還要小于離散制造業(yè)。

在上下料、石化煉制、藥品提純、食品烹飪、煉鋼軋鋼等材料加工和產(chǎn)品成型環(huán)節(jié)，以自動(dòng)化設(shè)備為主完成工作。人類員工主要從事工藝操作、設(shè)備控制與維護(hù)、包裝、巡檢、質(zhì)檢等工作，整體占比少于離散制造。以寶山基地的冷軋熱鍍鋅智能車間為例，兩條200米長的生產(chǎn)線已基本實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化工作，每條只需二三名工人流動(dòng)檢視，傳統(tǒng)守候在產(chǎn)線一旁的工人已成為坐在操作室里通過電子屏幕遠(yuǎn)程操控生產(chǎn)線的操作人員。在河鋼集團(tuán)唐鋼新區(qū)，軋鋼作業(yè)區(qū)幾乎已經(jīng)看不到工人，技術(shù)人員在中控室已經(jīng)可以完成絕大部分工作。

總的來說，在智能制造體系里，對制造質(zhì)量和制造效率要求高的工作依靠工業(yè)機(jī)器人和自動(dòng)化設(shè)備來完成，人形機(jī)器人的定位主要是完成輔助性的工作，例如簡單的搬運(yùn)和裝配等技術(shù)難度較低的重復(fù)且標(biāo)準(zhǔn)化的任務(wù)，以及諸如監(jiān)控生產(chǎn)線狀態(tài)、執(zhí)行簡單的維護(hù)任務(wù)等泛化要求相對不高的任務(wù)。在自動(dòng)化率低的生產(chǎn)場景，當(dāng)前人形機(jī)器人的靈巧性和精細(xì)操作能力尚不足以完全勝任高復(fù)雜度、高靈活性的任務(wù)，這使得其應(yīng)用規(guī)模存在較明顯的“天花板”。

以下將介紹一些基于高性能、高實(shí)時(shí)性MCU的機(jī)器人電機(jī)控制案例及其技術(shù)實(shí)現(xiàn)方式，以作參考。

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案例一：直線旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器方案

方案介紹：

方案基于 HPM6200 系列高性能多核處理器，專門滿足半導(dǎo)體行業(yè)在高節(jié)拍、高精度Z軸、高精度力控以及高穩(wěn)定性等方面有嚴(yán)格要求。該方案采用新一代的氮化鎵 (GaN) 作為核心驅(qū)動(dòng)，結(jié)合 HPM6200 系列的皮秒級高精度定時(shí)器和卓越計(jì)算性能，大幅提升了電流環(huán)帶寬并降低電流紋波。雙核架構(gòu)設(shè)計(jì)使一核運(yùn)行 RTOS 來處理應(yīng)用和通信，另一核通過裸機(jī)協(xié)程控制電機(jī)，實(shí)現(xiàn) 100kHz 以上的高頻率驅(qū)控合一。高實(shí)時(shí)性通信和高頻電機(jī)控制互不干擾，在單芯片上實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的解耦，使 EtherCAT 通信周期在低于 100 微秒間隔的情況下保持極低抖動(dòng)，完全不影響控制帶寬。

應(yīng)用場景：

半導(dǎo)體封測、芯片貼裝、3C精密裝配

方案優(yōu)勢：

1. 先進(jìn)的硬件技術(shù)：機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)器采用了最先進(jìn)的氮化鎵 (GaN) 半導(dǎo)體技術(shù)和 600MHz 主頻的雙核處理器，在提升功率的同時(shí)減小體積，降低電流紋波，顯著提高性能和實(shí)時(shí)性。這種硬件組合使其在性能和成本效益方面均優(yōu)于其他解決方案。

2. 尖端軟件算法：通過引入先進(jìn)的阻抗和導(dǎo)納控制算法，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的力控、快速響應(yīng)和出色的穩(wěn)定性，相比傳統(tǒng)的軟著陸技術(shù)表現(xiàn)更為卓越，在復(fù)雜的動(dòng)態(tài)應(yīng)用場景中具有更優(yōu)性能。

3. 專屬監(jiān)控功能與精準(zhǔn)適配：智能芯片提供絕對值信息、溫度監(jiān)控和各種安全報(bào)警，并采用專屬通信協(xié)議以無縫連接到驅(qū)動(dòng)器實(shí)時(shí)獲取其監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性，在溫度變化條件下確保最佳的力控精度。

4. 針對性設(shè)計(jì)與定制功能：驅(qū)動(dòng)器針對半導(dǎo)體和 3C 末端任務(wù)特別設(shè)計(jì)，具備多種定制功能，包括高級力控算法，確保與 LA 和 LRA 本體的完美兼容，為特定應(yīng)用場景提供最佳解決方案。

方案采用的主控先楫HPM6200是針對機(jī)器人開發(fā)行業(yè)推出的高性能、高實(shí)時(shí)性MCU，擁有3路16位ADC，可以支持2MHz的采樣率，同時(shí)具備4通道?-Δ數(shù)字濾波;精準(zhǔn)控制方面，HPM6200系列100 ps的PWM達(dá)到世界一流水平的調(diào)制精度，4組獨(dú)立PWM可實(shí)現(xiàn)多路馬達(dá)控制。

案例二：機(jī)械臂電動(dòng)平行夾爪方案

先楫HPM6280芯片具備響應(yīng)速度快、定位精度高等特點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)高速、高精度的運(yùn)動(dòng)控制。HPM6280高性能MCU目前已應(yīng)用于電動(dòng)平行夾爪方案，方案內(nèi)置FOC算法+H橋驅(qū)動(dòng)芯片，以50K電流環(huán)頻率實(shí)現(xiàn)4軸步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制，步進(jìn)電機(jī)速度>1200RPM，在工業(yè)機(jī)械臂場景，HPM6280 MCU能夠迅速準(zhǔn)確地完成各種復(fù)雜任務(wù)，提高工作效率和生產(chǎn)質(zhì)量。