支持机器人进化的各种半导体

在房间里移动的清洁机器人现在在电子商店中很常见，并且可以充当说话伙伴的人形机器人现在正在销售。最近，很多人都觉得机器人对我们来说越来越熟悉了。机器人已经从只出现在科幻小说和动漫中的梦想，进入了被开发和用作商业产品的时代（图1）。

机器人已经应用于各种工业领域，包括制造、建筑、医疗、护理和安全。根据国际机器人联合会出版的统计年鉴《世界机器人2013》显示，2012年工业机器人出货量为159,346台，其中约60%是日本生产的。日本是世界领先的“机器人强国”。

[图1]机器人开始在熟悉的地方发挥积极作用

机器人的进化是由半导体支撑的

有一个日语-英语单词“mechatronics”，用一个词描述了制造机器人的技术。这个由“机械”和“电子”组合而成的词表明，电子工程是机器人开发的必备技术。半导体器件作为电子工程的成果，可以说是支撑机器人进化的最重要的部件。

机器人在未来将扮演越来越重要的角色，成为人们生活和社会活动中不可或缺的一部分。从现在开始，我们将大量使用许多先进的半导体器件。现在活跃在家庭和工厂的机器人使用了什么样的半导体器件？我想在这里简单介绍一下。

持续进化现已开始

首先是清洁机器人。我一开始就提到半导体器件很重要，但是很抱歉这么唐突，但是清洁机器人实际上只是由一个32位微控制器和几个红外传感器控制。然而，这只是最简单的形式，也是机器人不断进化的开始。更先进的机器人已经出现。工业机器人通过组装和喷漆汽车来模仿人类任务，是使用大量多样化且功能强大的半导体器件制成的。

如果我们按功能对这些机器人中使用的半导体器件进行分类，它们可以分为三类：“感知/识别/识别”、“电机控制”和“网络”。这三个功能可以说是使用半导体器件的机器人所具备的基本要素。无论机器人未来如何发展，这三件事永远是必要的。让我们仔细看看每个功能以及其中使用的半导体器件。

远超人类的五种感官

首先，有感知、辨别和识别功能。它使用各种传感器捕获图像、声音、加速度和温度等数据，以了解周围环境和操作条件。此外，使用微控制器（主要处理控制指令的微控制器）和DSP（专用于乘法累加运算的微处理器）对捕获的数据进行分析。提取可用于控制机器人的信息。

机器人通常用来模仿生物的功能和运动。有些生物具有惊人的感知能力，例如鹰可以从远处发现小型猎物，狗可以嗅出配偶和捕食者的气味。机器人传感器也已经发展到远远超过人类的五种感官。例如，为机器人提供视觉的 CMOS 图像传感器。分辨率有所提高，可以区分更精细的细节。不仅如此，它还可以捕捉黑暗中的物体以及移动速度快于肉眼可见的物体。在模仿生物的感官的同时实现卓越的性能。这是当前传感器发展的目标，也是融入机器人的感知、识别和识别功能将进化的方向（图2）。

[图2]机器人已经开始拥有超越人类五种感官的感官

读取大气的机器人

近年来，从传感器获得的数据中提取有意义的信息的技术也取得了显着的进步。

例如，数码相机现在不仅可以区分照片中的人物，还可以区分他们是儿童还是成人、男性还是女性，以及他们是否在微笑。一种只有当孩子微笑时才释放快门的相机被商业化。

对于传统机器来说，开发易于用户操作的用户界面非常重要。另一方面，对于机器人来说，重要的是创造一种机制，让它们能够自行判断周围的环境和条件并自主移动。机器人本身需要具备读取场所气氛的能力。由于微控制器性能和算法开发的进步，机器人变得越来越敏感。

精确、敏捷地移动大型机器

接下来是电机控制。由于机器人具有机械元件，因此控制产生机械运动的电机的机制至关重要。它是一个可以移动大型物体的强大机器人吗？还是需要复杂精细动作的机器人？用于电机控制的半导体器件的规格根据机器人执行的工作类型而有很大差异。

两种类型的半导体器件用于电机控制。一类是功率半导体，例如驱动器和开关元件，用于驱动发电电机。当然，较大的机器人需要更高的输出功率半导体，并且所使用的功率半导体的数量根据安装的用于进行复杂运动的电机数量的增加而增加。

另一个是用于精细控制电机运动的控制器。通常使用微控制器。这里，需要根据所需的运动和电机上的负载变化来瞬时且精确地控制扭矩（旋转物体在旋转方向上的扭转强度）。这需要大量使用复杂的数值计算，而这些计算是使用性能高于预期的微控制器进行处理的（图 3）。

[图3]机器人中使用了许多先进的半导体

充满内外网络

最后是网络功能。需要具有优良实时性能的网络技术来连接大型机器人的各个部件，或者连接多个机器人使它们协同工作。我们还在努力将机器人连接到云端并实现更高级的功能。因此，连接到 IT 网络的能力就变得非常必要。这些功能将使用微控制器、DSP、通信协议处理IC（根据通信程序处理数据的IC）、FPGA（可在现场编程的逻辑IC）等内部的外围电路来实现。

目前，还没有专门针对机器人的网络技术。如果我不得不猜测的话，工厂自动化的网络技术可能就是这样的一个例子。未来，机器人网络技术有可能需要具有鲜明特征的技术，例如能够即时交换大量信息的技术、高实时性的技术、高可靠性的技术。根据需要，可能会使用IT设备和车载使用的网络技术。

机器人是多品种、小批量的产品

现在，机器人未来会朝什么方向发展？那里需要什么样的半导体？未来，机器人很可能会从“多样化”、“智能化”、“更高可靠性”三个角度进化（图4）。

乍一看，如果开发出一个人形机器人，一个可以执行多种任务的人形机器人，似乎会很方便。然而，实际上，创建专门从事特定任务的机器人通常会更有效。就目前而言，机器人很可能是一种高品种、小批量的产品，随着使用场景的扩大，将变得更加多样化。

因此，需要一种能够设计和制造更多规格的机器人，同时降低开发成本的机制。如果我们将其重新定义为半导体器件的要求，则可以灵活地对内置功能进行编程的半导体器件的应用范围将会扩大。其中，通用性强的微处理器和允许自由配置硬件的FPGA的用途范围预计将扩大。

[图4]通过使用先进半导体，机器人以三种方式进化

许多机器人在分享智慧的同时成长

工业机器人将能够通过学习工匠的技能来执行任务，同时自主评估情况。未来，机器人可能会变得更加“智能”，随着使用次数的增加，机器人会学习如何更有效地执行任务。这将得到近年来快速发展的机器学习（人工智能）技术的支持。

Softbank 已开始销售 Pepper，这是一款能够从经验中学习并增强与人互动能力的机器人。放置在云端的人工智能会收集 Peppers 在不同家庭和工作场所的经验，将其转化为集体智慧，并加速增长。对于像我这样无法借鉴自己的经验的人来说，我认为事情会很糟糕。这种基于云的人工智能不仅需要机器人本身，也需要数据中心拥有先进的信息处理能力和大容量内存。

彻底的高可靠性是自主运行的主要先决条件

机器人是与人和物交互并自主执行任务的机器。在确保安全方面，用户无能为力。大部分工作绝大多数都留给了机器人制造商。为此，我们会比其他工业产品更加追求“高可靠性”。

2014年2月1日，国际标准化组织（ISO）发布了有关生命支持机器人安全的国际标准化标准“ISO13482”。这是日本新能源产业技术综合开发机构（NEDO）提出的第一个规定机器人成品安全性的标准。顺应追求更高可靠性的趋势，半导体器件及其使用的开发环境也将被要求进一步提高可靠性，包括符合功能安全标准。

日本的出生率和老龄化人口将继续下降。日本不仅要成为“机器人超级大国”，还要成为“机器人使用超级大国”。世界上最需要机器人的日本，从用户的角度考虑半导体器件的使用，无疑将在机器人开发方面引领世界。下一次，我们将介绍一个未来有望增长的 IoT（物联网）的例子。物联网包括将所有事物连接到互联网的概念，我们可以在那里看到新的未来。

作家

伊藤元明（伊藤元明）

光线有限公司代表

在富士通担任 3 年半导体开发工程师，在 Nikkei Micro Devices、Nikkei Electronics、Nikkei BP Semiconductor Research 等公司担任记者/台/主编 12 年新闻工作，在 Techno Associates（Nikkei BP 和三菱商事的合资智囊团）担任顾问 6 年为制造商业务提供支持，以及在日本担任广告制作人 4 年营销支持Nikkei BP 技术信息组的广告部门。

2014年，他独立成立了光线有限公司。该公司提供专门从事技术营销的支持服务，公司考虑并付诸实践如何向目标受众（主要是科技公司）准确传达技术的价值。

网址：http://wwwenlight-inccojp/