近來(lái)，關(guān)于馬斯克計劃在特斯拉人工智能日上發(fā)布“特斯拉人形機器人”的消息不斷發(fā)酵，使得智能機器人的關(guān)注度再次飆升，有望成為繼智能汽車(chē)后的又一風(fēng)口，商業(yè)價(jià)值巨大。而MEMS傳感器作為數字時(shí)代的感知層，也被廣泛應用于機器人當中，擔當著(zhù)機器人實(shí)現智能感知功能的基礎，同樣成為新時(shí)代的風(fēng)口。

 

機器人正成為MEMS傳感器主要應用市場(chǎng)

 

根據ADI亞太區微機電產(chǎn)品線(xiàn)總監趙延輝的介紹：“MEMS傳感器可以測量沖擊、傾角、轉動(dòng)、加速度、振動(dòng)等多種信號。”隨著(zhù)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(fā)揮的作用也越來(lái)越大。

 

 

 

MEMS技術(shù)對機器人的開(kāi)發(fā)尤其有利，其可以通過(guò)對多種運動(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)機器人為例，一方面智能機器人在工業(yè)領(lǐng)域的應用越來(lái)越廣泛；另一方面，MEMS技術(shù)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(cháng)兼總經(jīng)理谷榮祥指出，機器人最關(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(lèi)傳感器，MEMS傳感器是其中應用較為廣泛的一個(gè)大類(lèi)。

 

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(lèi)也不相同，擬人化程度越高應用的傳感器種類(lèi)和數量就會(huì )越多。近年來(lái)機器人行業(yè)智能化程度的不斷提高，為MEMS傳感器提供了大量的市場(chǎng)應用機會(huì )。

 

慣性傳感器中的加速度計、陀螺儀等產(chǎn)品是機器人當中應用最為廣泛的產(chǎn)品類(lèi)型。根據美的集團中央研究院感知技術(shù)研究所高級工程師熊貴林的介紹，在工業(yè)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(jiàn)的應用場(chǎng)景，其中都離不開(kāi)MEMS傳感器的加持。加速度計可以用來(lái)監測工業(yè)設備的振動(dòng)和旋轉速度；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，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(yè)機器人中有著(zhù)非常廣泛的應用。

 

機器人的機械手臂中就會(huì )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(tài)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(dòng)和展開(kāi)需要力傳感器測試載荷量程。導航更是常見(jiàn)的應用功能，在室內無(wú)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(guān)鍵器件。

 

“隨著(zhù)機器人產(chǎn)業(yè)智能化的發(fā)展，姿態(tài)檢測和協(xié)作控制，航跡規劃推算等場(chǎng)景都是不可避免的。MEMS傳感器適應多場(chǎng)景應用，更復雜的動(dòng)作信號采集與控制，極致?tīng)顩r下甚至可以使機器手臂配上有觸覺(jué)感知的夾爪達到媲美人手的靈活程度。”熊貴林強調。

 

隨著(zhù)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(lái)越多。據專(zhuān)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(lǐng)域有望繼消費電子、汽車(chē)之后，成為MEMS傳感器的新興的主要應用市場(chǎng)。

 

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(lǐng)域的應用依然面臨諸多挑戰。谷榮祥就指出，機器人的開(kāi)發(fā)和應用，傳感器將起到至關(guān)重要的作用。沒(méi)有傳感器，講機器人就是一句空話(huà)。但是MEMS傳感器和機器人的實(shí)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(chǎng)所還不夠高，起不到“眼睛”的作用；像人類(lèi)皮膚一樣的MEMS柔性薄膜傳感器還僅僅處于開(kāi)發(fā)階段。

 

現有的一些測力柔性傳感器剛剛進(jìn)入小批量應用；MEMS陀螺儀或者M(jìn)EMS慣性測量單元傳感器應用于機器人的小量程產(chǎn)品開(kāi)發(fā)難，精度差距還很大；大多數MEMS傳感器在工業(yè)環(huán)境應用，其環(huán)境適應性較差，導致穩定性差。由于技術(shù)限制，大多數傳感器用在服務(wù)型機器人還可以基本滿(mǎn)足環(huán)境需求，但直接用在環(huán)境復雜的工業(yè)領(lǐng)域，就存在環(huán)境適應性不足的問(wèn)題。應對上述挑戰，MEMS傳感器將向著(zhù)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，精度對工業(yè)制造場(chǎng)景的應用十分重要。汽車(chē)對MEMS傳感器的要求更多體現在高可靠性上；消費類(lèi)產(chǎn)品對MEMS傳感器成本及單一品類(lèi)的產(chǎn)量有高要求；而工業(yè)類(lèi)產(chǎn)品就體現在高精度、高響應與定制化需要之上。沒(méi)有高精度和高響應是無(wú)法滿(mǎn)足大工業(yè)生產(chǎn)精密復雜要求的，而要滿(mǎn)足這一點(diǎn)則往往需要實(shí)現定制化的設計與生產(chǎn)。

 

此外，機器人對MEMS傳感器的低功耗、微型化也有著(zhù)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(diǎn)上尋找平衡。當采用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(wú)疑變得非常重要。

 

中國已成全球MEMS最大單一市場(chǎng)

 

從全球產(chǎn)業(yè)格局來(lái)看，國際廠(chǎng)商依然占據主導地位。博通、博世、意法、德儀等前十大廠(chǎng)商占據近半市場(chǎng)份額。不過(guò)受益于工業(yè)控制、機器人等應用的拉動(dòng)，我國機器人市場(chǎng)規模也在持續快速增長(cháng)之中，目前已成為全球MEMS行業(yè)最大單一市場(chǎng)，預計到2023年中國MEMS市場(chǎng)規模將超過(guò)1200億元，增速遠高于全球平均水平。以應用為龍頭，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)重大機遇。

 

谷榮祥指出，高端或者高度智能機器人產(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)和機器人企業(yè)一定要上下游協(xié)作，組成創(chuàng )新聯(lián)合體，統一攻關(guān)，統一未來(lái)的利益分配。同時(shí)，政府部門(mén)要通過(guò)政策、稅收或者資金的形式，協(xié)調傳感器企業(yè)和機器人企業(yè)共同應對難題，共筑一條龍的機器人產(chǎn)業(yè)鏈。

 

熊貴林表示，就MEMS在工業(yè)領(lǐng)域的應用來(lái)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(chǎng)形勢更適宜培育自有品牌IDM模式的發(fā)展。很多國際廠(chǎng)商都是以工業(yè)用MEMS傳感器新技術(shù)開(kāi)發(fā)為先導，然后再向汽車(chē)、消費等領(lǐng)域轉移，擴大該系列產(chǎn)品的市場(chǎng)應用范圍，以獲取產(chǎn)能支撐和資金積累來(lái)反哺新技術(shù)的研究。目前我國半導體產(chǎn)業(yè)以Fabless+Foundry為主流。因此，借鑒國際MEMS傳感器大廠(chǎng)的發(fā)展經(jīng)驗，在推進(jìn)MEMS傳感器產(chǎn)業(yè)時(shí)，要想發(fā)揮設計和工藝的整合優(yōu)勢，并保持對MEMS技術(shù)前沿的探索與創(chuàng )新，應當更加重視IDM模式的培育。

 

此外，傳感器的狀態(tài)監測與機器學(xué)習結合是大趨勢。趙延輝強調，從行業(yè)趨勢來(lái)看，傳感器將變得越來(lái)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(kāi)發(fā)當中要清楚客戶(hù)的痛點(diǎn)是什么，市場(chǎng)的應用需求是什么，然后增加數字化功能去解決這些問(wèn)題，而不是簡(jiǎn)單地堆砌一些可運算的單元。未來(lái)，產(chǎn)業(yè)鏈的協(xié)同創(chuàng )新，必將成為贏(yíng)得市場(chǎng)的殺手锏。