近来,关于马斯克计划在特斯拉人工智能日上发布“特斯拉人形机器人”的消息不断发酵,使得智能机器人的关注度再次飙升,有望成为继智能汽车后的又一风口,商业价值巨大。而MEMS传感器作为数字时代的感知层,也被广泛应用于机器人当中,担当着机器人实现智能感知功能的基础,同样成为新时代的风口。

 

机器人正成为MEMS传感器主要应用市场

 

根据ADI亚太区微机电产品线总监赵延辉的介绍:“MEMS传感器可以测量冲击、倾角、转动、加速度、振动等多种信号。”随着数字化、智能化程度的不断提高,MEMS传感器在外部感知中所能发挥的作用也越来越大。

 

MEMS技术对机器人的开发尤其有利,其可以通过对多种运动及环境因素感知,使它们变得更加智慧,使用时更加安全。以工业机器人为例,一方面智能机器人在工业领域的应用越来越广泛;另一方面,MEMS技术支撑机器人的外部感知,为数据采集提供高可靠性、可扩展性、灵敏度和成本效益高的解决方案。

 

西安中星测控有限公司董事长兼总经理谷荣祥指出,机器人最关键的两个技术点:一个是感知,另一个是控制。感知的完成主要就依托于各类传感器,MEMS传感器是其中应用较为广泛的一个大类。

 

谷荣祥还特别强调,根据机器人的拟人化程度不同,其应用的传感器种类也不相同,拟人化程度越高应用的传感器种类和数量就会越多。近年来机器人行业智能化程度的不断提高,为MEMS传感器提供了大量的市场应用机会。

 

惯性传感器中的加速度计陀螺仪等产品是机器人当中应用最为广泛的产品类型。根据美的集团中央研究院感知技术研究所高级工程师熊贵林的介绍,在工业机器人中,位置角度感测、力度与扭矩载荷测量、航迹规划、智能图像及轮廓识别等都是最常见的应用场景,其中都离不开MEMS传感器的加持。加速度计可以用来监测工业设备的振动和旋转速度;陀螺仪传感器是一种基于自由空间移动和定位的控制系统,可用于感测与维持方向;基于加速度计和陀螺仪的惯性测量单元(IMU)在工业机器人中有着非常广泛的应用。

 

机器人的机械手臂中就会集成编码器、加速度计、力传感器等。对于机器人这种高精密的机械设备,其手臂伸出去的角度和姿态都要考虑到安全性、稳定性等多种要素,编码器可以解算运行位姿和速度,加速度计可以检测运行安全,机械手臂的转动和展开需要力传感器测试载荷量程。导航更是常见的应用功能,在室内无法依靠GPS的情况下,要完成室内航迹的规划,IMU就是不可或缺的关键器件。

 

“随着机器人产业智能化的发展,姿态检测和协作控制,航迹规划推算等场景都是不可避免的。MEMS传感器适应多场景应用,更复杂的动作信号采集与控制,极致状况下甚至可以使机器手臂配上有触觉感知的夹爪达到媲美人手的灵活程度。”熊贵林强调。

 

随着机器人的智能化程度不断提高,其中加载的MEMS传感器将变得越来越多。据专家估算,由于机器人的智能化程度不同,传感等感知部分约占机器人总成本的10%到20%。机器人领域有望继消费电子、汽车之后,成为MEMS传感器的新兴的主要应用市场。

 

低功耗与微型化非常重要

 

当前MEMS传感器在机器人、智能装备等领域的应用依然面临诸多挑战。谷荣祥就指出,机器人的开发和应用,传感器将起到至关重要的作用。没有传感器,讲机器人就是一句空话。但是MEMS传感器和机器人的实际应用需求还有较大的差距。比如MEMS图像传感器的分辨率在很多场所还不够高,起不到“眼睛”的作用;像人类皮肤一样的MEMS柔性薄膜传感器还仅仅处于开发阶段。

 

现有的一些测力柔性传感器刚刚进入小批量应用;MEMS陀螺仪或者MEMS惯性测量单元传感器应用于机器人的小量程产品开发难,精度差距还很大;大多数MEMS传感器在工业环境应用,其环境适应性较差,导致稳定性差。由于技术限制, 大多数传感器用在服务型机器人还可以基本满足环境需求,但直接用在环境复杂的工业领域,就存在环境适应性不足的问题。应对上述挑战,MEMS传感器将向着不断提升感测精度、低功耗、微型化等方向发展。

 

熊贵林则表示,精度对工业制造场景的应用十分重要。汽车对MEMS传感器的要求更多体现在高可靠性上;消费类产品对MEMS传感器成本及单一品类的产量有高要求;而工业类产品就体现在高精度、高响应与定制化需要之上。没有高精度和高响应是无法满足大工业生产精密复杂要求的,而要满足这一点则往往需要实现定制化的设计与生产。

 

此外,机器人对MEMS传感器的低功耗、微型化也有着严格的要求。赵延辉指出,MEMS传感器通常要在频率和理想操作点上寻找平衡。当采用2伏特或3伏特电源时,一个加速度感测器的功耗通常不到10微安培。同时,MEMS传感器往往被安装在机器人的末梢或手臂部分,空间非常狭小。极端情况下,设计精致小巧MEMS传感器要用在可穿戴式机器人系统,甚至用于内窥镜检查医疗应用的可吞咽胶囊当中。低功耗与微型化无疑变得非常重要。

 

中国已成全球MEMS最大单一市场

 

从全球产业格局来看,国际厂商依然占据主导地位。博通、博世、意法、德仪等前十大厂商占据近半市场份额。不过受益于工业控制、机器人等应用的拉动,我国机器人市场规模也在持续快速增长之中,目前已成为全球MEMS行业最大单一市场,预计到2023年中国MEMS市场规模将超过1200亿元,增速远高于全球平均水平。以应用为龙头,推动产业的上下游互动,将是促进我国MEMS传感产业发展的一个重大机遇。

 

谷荣祥指出,高端或者高度智能机器人产业发展受制于传感器技术的发展,因此传感器企业和机器人企业一定要上下游协作,组成创新联合体,统一攻关,统一未来的利益分配。同时,政府部门要通过政策、税收或者资金的形式,协调传感器企业和机器人企业共同应对难题,共筑一条龙的机器人产业链。

 

熊贵林表示,就MEMS在工业领域的应用来看,其高精度高响应、中小规模、定制化的需求,结合当前的市场形势更适宜培育自有品牌IDM模式的发展。很多国际厂商都是以工业用MEMS传感器新技术开发为先导,然后再向汽车、消费等领域转移,扩大该系列产品的市场应用范围,以获取产能支撑和资金积累来反哺新技术的研究。目前我国半导体产业以Fabless+Foundry为主流。因此,借鉴国际MEMS传感器大厂的发展经验,在推进MEMS传感器产业时,要想发挥设计和工艺的整合优势,并保持对MEMS技术前沿的探索与创新,应当更加重视IDM模式的培育。

 

此外,传感器的状态监测与机器学习结合是大趋势。赵延辉强调,从行业趋势来看,传感器将变得越来越智能化,intelligent edge (智能边缘)将是不可逆的一个趋势。但是不能为了智能而智能,企业在进行产品开发当中要清楚客户的痛点是什么,市场的应用需求是什么,然后增加数字化功能去解决这些问题,而不是简单地堆砌一些可运算的单元。未来,产业链的协同创新,必将成为赢得市场的杀手锏。

 

作者丨陈炳欣

编辑丨邱江勇

美编丨马利亚

监制丨连晓东