MEMS傳感器站在機器人風口上
http://www.debgrams.com 2022-09-06 10:38 來源：中國電子報
近來，關于馬斯克計劃在特斯拉人工智能日上發布“特斯拉人形機器人”的消息不斷發酵，使得智能機器人的關注度再次飆升，有望成為繼智能汽車后的又一風口，商業價值巨大。而MEMS傳感器作為數字時代的感知層，也被廣泛應用于機器人當中，擔當著機器人實現智能感知功能的基礎，同樣成為新時代的風口。
機器人正成為MEMS傳感器主要應用市場
根據ADI亞太區微機電產品線總監趙延輝的介紹：“MEMS傳感器可以測量沖擊、傾角、轉動、加速度、振動等多種信號。”隨著數字化、智能化程度的不斷提高，MEMS傳感器在外部感知中所能發揮的作用也越來越大。
MEMS技術對機器人的開發尤其有利，其可以通過對多種運動及環境因素感知，使它們變得更加智慧，使用時更加安全。以工業機器人為例，一方面智能機器人在工業領域的應用越來越廣泛；另一方面，MEMS技術支撐機器人的外部感知，為數據采集提供高可靠性、可擴展性、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理谷榮祥指出，機器人最關鍵的兩個技術點：一個是感知，另一個是控制。感知的完成主要就依托于各類傳感器，MEMS傳感器是其中應用較為廣泛的一個大類。
谷榮祥還特別強調，根據機器人的擬人化程度不同，其應用的傳感器種類也不相同，擬人化程度越高應用的傳感器種類和數量就會越多。近年來機器人行業智能化程度的不斷提高，為MEMS傳感器提供了大量的市場應用機會。
慣性傳感器中的加速度計、陀螺儀等產品是機器人當中應用最為廣泛的產品類型。根據美的集團中央研究院感知技術研究所高級工程師熊貴林的介紹，在工業機器人中，位置角度感測、力度與扭矩載荷測量、航跡規劃、智能圖像及輪廓識別等都是最常見的應用場景，其中都離不開MEMS傳感器的加持。加速度計可以用來監測工業設備的振動和旋轉速度；陀螺儀傳感器是一種基于自由空間移動和定位的控制系統，可用于感測與維持方向；基于加速度計和陀螺儀的慣性測量單元（IMU）在工業機器人中有著非常廣泛的應用。
機器人的機械手臂中就會集成編碼器、加速度計、力傳感器等。對于機器人這種高精密的機械設備，其手臂伸出去的角度和姿態都要考慮到安全性、穩定性等多種要素，編碼器可以解算運行位姿和速度，加速度計可以檢測運行安全，機械手臂的轉動和展開需要力傳感器測試載荷量程。導航更是常見的應用功能，在室內無法依靠GPS的情況下，要完成室內航跡的規劃，IMU就是不可或缺的關鍵器件。
“隨著機器人產業智能化的發展，姿態檢測和協作控制，航跡規劃推算等場景都是不可避免的。MEMS傳感器適應多場景應用，更復雜的動作信號采集與控制，極致狀況下甚至可以使機器手臂配上有觸覺感知的夾爪達到媲美人手的靈活程度。”熊貴林強調。
隨著機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。據專家估算，由于機器人的智能化程度不同，傳感等感知部分約占機器人總成本的10%到20%。機器人領域有望繼消費電子、汽車之后，成為MEMS傳感器的新興的主要應用市場。
低功耗與微型化非常重要
當前MEMS傳感器在機器人、智能裝備等領域的應用依然面臨諸多挑戰。谷榮祥就指出，機器人的開發和應用，傳感器將起到至關重要的作用。沒有傳感器，講機器人就是一句空話。但是MEMS傳感器和機器人的實際應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階段。
現有的一些測力柔性傳感器剛剛進入小批量應用；MEMS陀螺儀或者MEMS慣性測量單元傳感器應用于機器人的小量程產品開發難，精度差距還很大；大多數MEMS傳感器在工業環境應用，其環境適應性較差，導致穩定性差。由于技術限制，大多數傳感器用在服務型機器人還可以基本滿足環境需求，但直接用在環境復雜的工業領域，就存在環境適應性不足的問題。應對上述挑戰，MEMS傳感器將向著不斷提升感測精度、低功耗、微型化等方向發展。
熊貴林則表示，精度對工業制造場景的應用十分重要。汽車對MEMS傳感器的要求更多體現在高可靠性上；消費類產品對MEMS傳感器成本及單一品類的產量有高要求；而工業類產品就體現在高精度、高響應與定制化需要之上。沒有高精度和高響應是無法滿足大工業生產精密復雜要求的，而要滿足這一點則往往需要實現定制化的設計與生產。
此外，機器人對MEMS傳感器的低功耗、微型化也有著嚴格的要求。趙延輝指出，MEMS傳感器通常要在頻率和理想操作點上尋找平衡。當采用2伏特或3伏特電源時，一個加速度感測器的功耗通常不到10微安培。同時，MEMS傳感器往往被安裝在機器人的末梢或手臂部分，空間非常狹小。極端情況下，設計精致小巧MEMS傳感器要用在可穿戴式機器人系統，甚至用于內窺鏡檢查醫療應用的可吞咽膠囊當中。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
從全球產業格局來看，國際廠商依然占據主導地位。博通、博世、意法、德儀等前十大廠商占據近半市場份額。不過受益于工業控制、機器人等應用的拉動，我國機器人市場規模也在持續快速增長之中，目前已成為全球MEMS行業最大單一市場，預計到2023年中國MEMS市場規模將超過1200億元，增速遠高于全球平均水平。以應用為龍頭，推動產業的上下游互動，將是促進我國MEMS傳感產業發展的一個重大機遇。
谷榮祥指出，高端或者高度智能機器人產業發展受制于傳感器技術的發展，因此傳感器企業和機器人企業一定要上下游協作，組成創新聯合體，統一攻關，統一未來的利益分配。同時，政府部門要通過政策、稅收或者資金的形式，協調傳感器企業和機器人企業共同應對難題，共筑一條龍的機器人產業鏈。
熊貴林表示，就MEMS在工業領域的應用來看，其高精度高響應、中小規模、定制化的需求，結合當前的市場形勢更適宜培育自有品牌IDM模式的發展。很多國際廠商都是以工業用MEMS傳感器新技術開發為先導，然后再向汽車、消費等領域轉移，擴大該系列產品的市場應用范圍，以獲取產能支撐和資金積累來反哺新技術的研究。目前我國半導體產業以Fabless+Foundry為主流。因此，借鑒國際MEMS傳感器大廠的發展經驗，在推進MEMS傳感器產業時，要想發揮設計和工藝的整合優勢，并保持對MEMS技術前沿的探索與創新，應當更加重視IDM模式的培育。
此外，傳感器的狀態監測與機器學習結合是大趨勢。趙延輝強調，從行業趨勢來看，傳感器將變得越來越智能化，intelligent edge (智能邊緣)將是不可逆的一個趨勢。但是不能為了智能而智能，企業在進行產品開發當中要清楚客戶的痛點是什么，市場的應用需求是什么，然后增加數字化功能去解決這些問題，而不是簡單地堆砌一些可運算的單元。未來，產業鏈的協同創新，必將成為贏得市場的殺手锏。
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