在逐漸邁向工業5.0(製造業數位化的下一階段)的過程中，對於人機互動的需求日益增加，機器人技術也亟待改進。智慧機器人種類繁多，從機械臂到輪式自動送貨機器人，再到能夠獨立行走的人形機器人，應有盡有。
機器人產業趨勢
人工智慧(AI)技術的進步推動打造出更加複雜的自主機器人，這些機器人不僅可以在倉庫中運行，而且還可以用於戶外和其他管控相對較少的環境，顯著擴大了智慧機器人的全球市場規模。自主機器人市場為電子商務、製造業、醫療等眾多產業提供方案，而且可以根據不同需求靈活訂製。
從2023~2030年，協作機器人等既有方案的市場規模預計將以32%的年複合成長率(CAGR)成長。與此同時，還會出現許多新穎和複雜的應用場景。未來幾年，自動駕駛堆高機有望成為電子商務領域的新寵，引領市場成長。
其他成熟的類型包括倉庫機器人， 預計2023~2030年間的年複合成長率為19%，而送貨機器人的成長率預計為30.3%。智慧機器人的部署需要大量的早期投資，導致許多潛在客戶望而卻步，無法享受自主機器人技術帶來的便利與效益。而且，公司需要投入資源對員工進行培訓，使員工能夠有效地與機器人協作，然後方能提高工作產出。
AI引領工業5.0
是工業化的新興階段。在此階段中，人類將與先進的AI賦能機器人肩並肩工作。這一新階段建立在工業4.0的基礎之上，並由資訊技術(IT)的發展所推動， 例如人工智慧、自動化、大數據分析、物聯網(IoT)、機器學習和機器人技術。
工業5.0的主要優勢在於能夠創造具有更高價值的工作職缺。透過達成製造過程的自動化管理，員工能夠將更多精力投入到發揮創造力、探索高效的業務方案和執行增值任務中。這將會提升生產效率和工作積極性。隨著對永續性和適應性的關注不斷提高，企業將變得更加敏捷和靈活，同時對社會產生積極影響。工業5.0正在製造業、醫療、教育、農業等眾多領域蓬勃發展。
智慧機器人系統架構
與傳統工業機器人不同，智慧機器人運用多種感測器、人工智慧及先進演算法，能夠與環境互動、檢測障礙物，並與人類及其他機器協同工作。部署自主機器人有助於提升生產力與效率：它們可承擔重複性或耗時任務，讓人類員工得以專注於增值活動。輕負載場景下， 系統可採用12V電池供電；較高電壓(如48V)則能降低工作電流，進而減小導線尺寸並節省成本。目前，智慧機器人主要應用於倉庫、生產工廠等受控環境， 但其戶外作業的應用趨勢正不斷擴大。
圖1展示了安森美(onsemi)打造的智慧移動機器人方案，機器人系統由多個相互連接的子模組構成，主要包括電池管理、運動控制、感測器和中央處理器(CPU)等子模組。這些子模組方案與具體的應用場景緊密相關：例如，僅在內部作業的機器人所需的感測器數量較少；而搭載機械臂的機器人則需要配備更多電機逆變器。
圖1 智慧機器人系統架構
智慧機器人通訊模組
AMR中的CPU和所有構建模組需要相互通訊。通訊方式有許多種。傳統上，使用的是CAN、LIN、RS-485、RS232和許多其他方式。所有這些都可以用 10Base-T1S取代。
它是IEEE在802.3cg第147條規範中指定的乙太網路協定。憑藉10BASE-T1S，僅使用一根雙絞線便可將多個PHY連接到公共總線。這減少了所需的交換機連接埠數量，並且無需閘道。由於10BASE-T1S只需要一根非遮罩雙絞線，因此布線成本也大幅降低。
此外，10BASE-T1S的傳輸速度可達10Mbps，高於迄今為止的許多方案(例如，LIN最高為20Kbps，CAN最高為約1Mbps)。任何節點都可以向/從任何其他節點發送/接收乙太網路幀，類似於傳統的乙太網路LAN。
在多分支拓撲中運行時(圖2)，物理層衝突避免(PLCA)特性可以避免資料封包衝突。節點會根據各自的ID輪流(一次一個)在總線上進行傳輸。PLCA週期不是固定的，取決於待處理的數據。
圖2 多分支與點對點網路拓撲
深度感知與環境感知
位置感測器會測量輪子或其他運動部件的旋轉，以準確追蹤它們在環境中的位置和方向。這些感測器可用作BLDC 控制電子換向的一部分。電感式編碼器相較傳統的光學或磁檢測有許多優勢。
電感式檢測穩健、輕便、只需很少的元件，並且對振動或污染不敏感。為了讓智慧機器人系統真正實現自主移動，而不依賴於既定路徑(如自動導引車那樣)，它需要能夠防止與障礙物或其他機器人發生碰撞，但最重要的是防止與人碰撞。深度感知可以利用多種感測器來實現，每種感測器都有各自的優點和缺點(表1)。
將來自多種感測器模式的數據加以組合稱為感測器融合。透過感測器融合， 可以獲得所有感測器的優點。單一感測器技術無法在所有條件下提供穩健可靠的資訊，而多種感測器共同運行可以提供更為可靠的資料集。
機器視覺
光學感測器可用於深度感知、方向感知，或為機器人提供其他能力，如檢查或圖像識別。機器人的不同子系統中可能存在多個圖像感測器(IS)和IS處理器。光學感測器是唯一能夠檢測顏色的感測器方案。借助光學感測器，系統可以檢測障礙物並增強安全性，或讀取資訊(例如從條碼讀取資訊)。
採用全域快門的影像感測器會同時儲存整個圖像中的像素資料，而不會出現運動偽影。因此，在需要清晰圖像的時候，例如當機器人四處移動的時候，全域快門感測器非常有用。
捲簾快門感測器具有更高的動態範圍，因此可以在照明較差或不斷變化的條件下更好地工作。影像感測器還可以整合高動態範圍(HDR)技術，使得圖像在光線對比強烈的情況下更清晰。高動態範圍(HDR)對於難以控制照明條件的應用至關重要。
無線通訊
無線連接系統可用於收集感測器數據、執行監測和確定位置，它是SLAM 演算法的一部分。藍牙出發角(AoD)是一種室內定位技術，其工作原理與戶外全球定位系統(GPS)類似。
在AoD方法中，發射設備採用以陣列排列的多個天線來發射250kHz訊號。接收設備有一個天線。當來自發射設備的訊號穿過接收設備的天線時，接收設備會收集資料，然後計算訊號方向。
(本文由安森美提供)