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工業機器人中的各類傳感器技術應用

2019-10-24 來（lái）源：轉載作者：-

　　2012年，美國提出“工（gōng）業互聯網”，2013年（nián），德（dé）國提出“工業4.0”，2015年，中國提出“中國製（zhì）造2025”。在工（gōng）業物聯網（wǎng）、AR、雲計（jì）算等技術熱潮下，全球眾多優秀製造企（qǐ）業都開始建設智慧工廠，實現自動化、信息化和智能化的智慧工廠是未來工業製造的（de）發展趨（qū）勢。那（nà）麽，什麽樣的（de）工（gōng）廠（chǎng）才能稱做智慧工（gōng）廠（chǎng）？作為智慧工廠重要組成部（bù）分的工業（yè）機器人采用了哪些技術？

　　智（zhì）慧工廠的標配

　　提到智（zhì）慧工廠，人們首（shǒu）先想到的是（shì）自（zì）動化、智能化、工業機器人、工業物聯網等概念，那麽，一個智慧工廠的標準配置有哪些（xiē）？

　　控製器是智慧（huì）工廠的大腦，由（yóu）程序計數器、指令寄存器、指令譯（yì）碼器（qì）、時序產生器和（hé）操作控製器組成，它是發布命令的“決策機構”，完成協調和指揮整個（gè）計算機係統（tǒng）的操作。智慧工廠中常用的控製器有PLC、工控機等。

　　工業機器人是自動執行工作的機器裝置，它既可以接（jiē）受人的指揮，又可以運行預先編排（pái）的程序，也可以根據以人工智能技術製定（dìng）的指令行動。

　　伺服電機是指（zhǐ）在伺服係統中控製機（jī）械元（yuán）件運轉的發動機，是（shì）自動化工廠提供動力的肌肉。伺服電機轉子轉速受輸入信號控製，在自動（dòng）控製係統中用作執行元件，可把所收到的電信號轉換成電動機（jī）軸上的角位移或角速度輸出。

　　傳（chuán）感器為智慧工廠提供（gòng）觸覺，是實現自（zì）動檢測和自動控製的首要環節。它能感受到被測量的信息（xī），並能將感受到的信息（xī）按一定規（guī）律變換成電信號或其他形（xíng）式的（de）信息輸出。在自動化生產（chǎn）過程中需要用各種傳感器來監視和控製各個（gè）參數，使設備工作在正常狀（zhuàng）態或最佳狀態，並使產品達到（dào）最好的質量。

　　變頻器（qì）是智慧工廠的交換器，由（yóu）整流（liú）（交流變直流）、濾波（bō）、逆變（直流變交流）、製動單元、驅動單元和檢測單元（yuán）微處理單元組成。它應用變頻技術與微電子（zǐ）技術，通過改變電機工作（zuò）電源頻率的方式來控製交（jiāo）流電動機。

　　電磁閥是用電磁控製的工業設（shè）備，可以配合不同的電路來實現預期的控製（zhì）。它屬於執行器，是智慧工廠的開（kāi）關。

　　工業相機是智慧工廠的眼睛，是機器視覺係統關鍵組件。工業相機一般（bān）安裝在機（jī）器流水線上代替人眼來（lái）做測量和（hé）判斷，通過數字圖像攝取目標轉換成圖像信號，傳送給專用的圖（tú）像處理係統。圖像係統對這些信號進行各種運算，抽取目標特征，並根據判別的結果來控製現場的設備動作。

　　儀器儀（yí）表是智慧工廠的調節係統，用（yòng）來檢出、測量、觀察並（bìng）計算各種物理量、物質成分和參數等。比如測量壓力、液位、流量、溫度等一些控（kòng）製過程（chéng）所需要的參數值，就需要相關的儀器儀表。

　　自動化軟件是智慧工廠的心髒。例如，SCADA數據采集（jí）與監控係統可以在無人看管（guǎn）的情況下，對生產過程進行調（diào）度和自（zì）動化控製。控製櫃是智慧工廠的中（zhōng）樞係統。智慧（huì）工廠涉及電（diàn）氣、變頻、電源、水泵等控製櫃，可實現不同的控（kòng）製功能（néng）。

　　下麵將詳細剖析智慧工廠的重（chóng）要組件——工業機器人。

　　工業機（jī）器人涉及哪些技（jì）術？

　　機器人自動化是一項快速進步的技（jì）術，在短短幾十年的（de）時間裏（lǐ），工業機器人已經在全（quán）世界範圍內變成工廠裏普通的裝置。工業機器人（rén）不僅可以克服惡劣環境對生產的（de）影響，減少人工的使用，保（bǎo）障工人的安全，還能夠幫助工廠節約生產成本，提高生產效率，從而保證產品質（zhì）量。

　　工業機器人是多自由度的機器裝置（zhì），能（néng）自動執行工作，按照（zhào）自身動力和控製能力來實現各種功能，由機（jī）械部分、傳感部分、控製部（bù）分（fèn）等（děng）三大部分組成，這（zhè）三大部分又分成（chéng）六個子係統。分別（bié）為：

　　（1）驅（qū）動係統：給每個關節即每個運（yùn）動自由度安置傳（chuán）動裝（zhuāng）置，使機器人運動起（qǐ）來。

　　（2）機械結構係統（tǒng）：由機身、手臂、末端操作器三大件（jiàn）組成。每一（yī）大件都有若幹（gàn）自由度，構（gòu）成（chéng）一個多自由度的（de）機械係統。手臂一般由上臂、下臂（bì）和手腕組成。末端（duān）操作器是（shì）直接裝在（zài）手腕上的一（yī）個重要部件，可以是兩手（shǒu）指或多手指的手爪，也可以是（shì）噴漆槍、焊（hàn）槍等。

　　（3）傳感係統：獲取內部和外（wài）部環境狀態中（zhōng）有意義的（de）信息，提高（gāo）了機器人的機動性、適應性和（hé）智能化水準。

　　（4）機器（qì）人-環境交互（hù）係統：實現機器人與外部環境中的設備相互聯係和協調的係（xì）統。

　　（5）人機交（jiāo）互係（xì）統：人與機器人進行聯係和參與機器人控製的裝置。

　　（6）控製係統：根據機器（qì）人的作業指令程序以（yǐ）及從（cóng）傳感器反饋回來的信號，支（zhī）配機器人的執行機構去完成規定的運動和功能。

　　工業機器人中常用到的傳感器

　　在工業自動化領域，機器人需要（yào）傳感器提供必要的（de）信息，以正確執行相關（guān）的操作。一份報（bào）告預測，到2021年，全球工業（yè）機器人傳感器市場將以約8％的複合年增長率（CAGR）穩步增長。對於（yú）包括（kuò）消（xiāo）費者（zhě）和汽車在內的機器人傳感應用，另一（yī）份報告（gào）明確指出，到2027年，視覺係統將單獨成就57億美元的市場，力傳感（gǎn）器市（shì）場將（jiāng）超過69億美元。

　　下（xià）麵列（liè）出了工業機器人中最常用到的傳感器。

　　二維視覺傳感器

　　二維（wéi）視覺是一個可以執行從檢測運動物體（tǐ）到傳輸帶上的零件定位等多種（zhǒng）任務的（de）攝像頭。許多智能相機（jī）都可以檢測零件並協助機（jī）器人確定零件（jiàn）的位置，機器（qì）人可以根據（jù）接收到的信息適（shì）當調整其動作。

　　三維（wéi）視覺（jiào）傳感器

　　三維視覺係統必須擁有兩（liǎng）個不同角度的（de）攝像機或激光掃（sǎo）描器，用以檢測對象的第（dì）三維度（dù）。例如，零件取放便是利用三維視覺（jiào）技（jì）術檢測物體並創（chuàng）建三維圖像，分析並選擇最（zuì）好的拾取方式。

　　力/力矩傳感器

　　如果說視覺（jiào）傳感器給了機器（qì）人眼睛，那麽力（lì）/力矩傳感器則給機器人（rén）帶去了觸覺。機器人利用力/力矩傳感器感知末端執行器的力度。多數情況下，力/力矩傳感器位（wèi）於機器人和夾具（jù）之間，這（zhè）樣，所有反饋到夾具上的力都（dōu）在機器人的監控之中。有了力/力矩傳感器（qì），裝配、人（rén）工引導、示教、力度限製等應用才（cái）得以實現。

　　碰撞檢測傳感器（qì）

　　這種傳感器（qì）有各種（zhǒng）不同的形式（shì），其主（zhǔ）要應用是為（wéi）作業人（rén）員提供（gòng）一（yī）個安全的（de）工作環境，協作機（jī）器人最需要（yào）它們。一些傳感器可以是某種觸覺識別係統，通過柔軟的表麵感知壓力，給機器人發送信號，限製或停止機器（qì）人的運動。

　　一些傳感器還可以直接內置在機器人中。有些公司利用加速度計（jì）反饋，還有些則使用電流反饋。在這兩種情況（kuàng）下，當機器人感知（zhī）到異常的力度時，便觸（chù）發緊急停止（zhǐ），從而確保安全。

　　要想讓工業機器人與人進行協作，首先要找出（chū）可以保證作業人員安全（quán）的方法。這些傳感器有各種形（xíng）式，從攝（shè）像頭到激光等，目的是告訴機器人周圍的狀況。有些安全係（xì）統（tǒng）可以設置成當有人出現在特定的區域/空間時，機器人會（huì）自動減速運行，如（rú）果人員（yuán）繼續（xù）靠近，機器人則會停（tíng）止工作。最簡單的例子是電梯門上的激光安（ān）全傳（chuán）感（gǎn）器。當激光檢測到障礙物時（shí），電梯門會立即停止並退回（huí），以（yǐ）避免碰撞。

　　其它傳感器

　　市場（chǎng）上還（hái）有很（hěn）多的（de）傳感器適用於不同的應（yīng）用。例如焊縫追蹤傳感（gǎn）器等。

　　觸覺傳（chuán）感器也越來越受歡（huān）迎。這類傳感器一（yī）般（bān）安裝在抓手上，用（yòng）來檢測和感覺抓取的物體（tǐ）是什麽。傳感器通（tōng）常能夠檢測力度並得出力度分布的情況，從而知道對象的（de）確切（qiē）位置，讓你可以控製抓取的位置和末端執行器的抓取力度。另外還有一（yī）些觸覺傳感器可以檢測（cè）熱量的變化。

　　視覺和接近傳感器類似於自動駕駛車輛所需（xū）的傳（chuán）感器，包括攝像頭、紅外線（xiàn）、聲納、超聲（shēng）波、雷達和激光雷達（dá）。某些情況下可以使用多個攝像頭，尤其是立體視覺。將這些傳感器組合起來（lái）使用，機器人便可以確（què）定尺寸，識別物體，並確（què）定其距離。

　　射（shè）頻識別（bié）（RFID）傳感可以提供識（shí）別（bié）碼並允許得到許可的機器人獲取其他信息。

　　麥克風（聲學傳感器）幫（bāng）助工業機器人接收語音命令並識別熟悉（xī）環境中的異常聲音。如果加上壓電傳感器，還可以識別並消除振動引起的噪聲，避免機器人錯誤理解語音命令。先進的（de）算法甚至可以讓機器人了解說話者的情緒。

　　溫度傳感是機器人自我診斷（duàn）的一部分，可用（yòng）於確（què）定其周遭的環境，避免（miǎn）潛在的有（yǒu）害熱源。利用（yòng）化學、光學和顏色傳感器，機（jī）器人能夠評估、調整和（hé）檢（jiǎn）測其環境中存在的問題（tí）。

　　對於可以走路、跑步甚至跳舞的人形機器（qì）人，穩定性是一個主要（yào）問題。它們需要與智能手機（jī）相同類型的傳感器（qì），以便（biàn）提供機器人的準確位置數（shù）據。在（zài）這些（xiē）應用采用了具有3軸加速度計、3軸陀螺儀（yí）和3軸磁力計的9自由度（9DOF）傳感器或慣性測量單元（IMU）。

　　傳感（gǎn）器是實現軟（ruǎn）件智能的關鍵組（zǔ）件，沒有傳（chuán）感器，很多複雜的操作就不能實（shí）現。它們不僅實現了複（fù）雜的操作，同時也保證這些操作在進行的過程中得到良好的控製。

　　工業機器（qì）人避障（zhàng）主要（yào）用到哪些傳感器？

　　移動機器人需要通過傳感器實時獲取周（zhōu）圍（wéi）的障礙物信息，包括尺寸、形狀和位置信（xìn）息，來實現避障。避障（zhàng）使用的傳感器有很多種，目（mù）前常見的有視覺（jiào）傳感器、激光傳感器、紅外傳感器（qì）、超聲波傳感器等。

　　超聲波傳感器

　　超聲波（bō）傳感器的基本（běn）原理是測量超聲波的飛（fēi）行時間，通過d=vt/2測量距離，其（qí）中（zhōng）d是距離，v是（shì）聲速，t是飛行時間。

　　上（shàng）圖是超聲波傳感器信號的一個示意。通過壓電或靜電變送器產生一（yī）個頻率在幾十kHz的超聲（shēng）波脈衝組成波包（bāo），係統檢測高於某閾值的反向聲（shēng）波，然後（hòu）使用測（cè）量到的飛行（háng）時間計算距（jù）離。超聲（shēng）波傳（chuán）感器一般作用距離較短，普通的有效探測距離幾米（mǐ），但是會有一（yī）個（gè）幾（jǐ）十毫米（mǐ）左右的（de）最小探測盲區。由（yóu）於超聲傳感器成本低（dī）、實現方法簡單、技術成熟，是移動機器人中常用的傳感器（qì）。

　　紅外傳感器

　　一般的紅外測距都是采用三角測距的（de）原理。紅外發射器按照一定角度發射紅外光束，遇到物體之後，光會反向回來，檢測到反射光之後，通過結構上的幾何（hé）三角關（guān）係，就可以計（jì）算出物體距離D。

　　當D的距離足夠近的時候，上圖中L值（zhí）會（huì）相當大，如果超過CCD的探測範圍，雖然物體（tǐ）很近，傳感器反而看不到了。當物體距離D很大時，L值就會很（hěn）小，測量精度會變差。因此（cǐ），常見的紅（hóng）外傳感器的測量距離都比較近，小於超聲波，同時遠距離（lí）測量（liàng）也有最小距離的限製。另外，對於透明的（de）或者近似黑（hēi）體的物（wù）體，紅外（wài）傳感器是無法檢測距離（lí）的。但相對於超聲來說，紅外傳感器（qì）具有更高的帶寬。

　　激光傳（chuán）感器

　　常見的激光雷達是基於飛行時間的（ToF，time of flight），通過測量（liàng）激光的飛行時間來測距d=ct/2，類似前麵提到的超（chāo）聲測距公式，其中d是（shì）距離，c是光速，t是從發射到接收的時間間隔。

　　比較簡（jiǎn）單的方案是測量反射光的相移，傳感器以已知的（de）頻率發射一定幅度的調製光，並測量發（fā）射和反向（xiàng）信號（hào）之間的（de）相移，如上圖。

　　調製信號的波長為lamda=c/f，其中c是光速（sù），f是調製頻率，測量到發射和反射（shè）光束之間的相移差theta之後，距離可由lamda*theta/4pi計（jì）算得（dé）到，如上（shàng）圖。

　　視覺（jiào）傳感器

　　常用的計算機視覺方案也有很多種（zhǒng），比如雙目視覺（jiào），基於TOF的深度相（xiàng）機，基於（yú）結構光的深度相機（jī）等。

　　基於結構光的深度相機發射出（chū）的光會生成相對隨機但又固定的斑點圖樣，光斑打在物體上，因為（wéi）與攝像（xiàng）頭距離不（bú）同，被（bèi）攝像頭捕捉到的位置（zhì）也不相（xiàng）同。先計算斑點與標定的標準（zhǔn）圖案在不（bú）同位置的偏（piān）移，利用（yòng）攝像頭位置、傳感器大小等參數就可以計算出（chū）物體與攝像頭的距離。

　　雙目視覺的測距本質上也是三角測距法，由於兩個攝像頭的位置不同，就像人的兩（liǎng）隻（zhī）眼睛一（yī）樣，看到的物體也（yě）不一樣。兩個攝像頭看（kàn）到的同一（yī）個點P，在成像的時候會有不同的像素位置，此時通過（guò）三角測距就可以測出這個點的距離。

　　在工業4.0時代工業機器人的（de）發展趨勢

　　美國機器人產業協會（RIA）預測了工業機器人（rén）的六大發展趨勢。

　　（1）工業物聯網(IIoT) 技術的應用：機器人會在生（shēng）產（chǎn）的最（zuì）前沿應用智能傳感器，采集製（zhì）造商以前無法獲得的數據。

　　（2）優先考慮工業網絡安全：機器人與內部係統的聯網越來越多，網絡安全的風險不斷增加（jiā）。製造（zào）商必須解決生產工（gōng）藝中的缺陷（xiàn），並在網絡（luò）安全方麵加大投資，確（què）保安全、可靠的生產。

　　（3）大數據分析成為競爭優勢：機器人將成為工廠（chǎng）車間的主（zhǔ）要信息來（lái）源之一。製造商必須實施係統來組織和分析采集到的所有數據，以（yǐ）便采取有效的行動（dòng），提升企業的競爭優勢。

　　（4）實施開放式（shì）的自動化架構：隨著機器人自動化應用越來越（yuè）廣泛，對開放式（shì）自動（dòng）化（huà）架構的需求相應（yīng）增加（jiā）。大型（xíng）的行業參與者將與（yǔ）行業機構一起製定標準和開（kāi）放式文檔（dàng），機器人集成（chéng）更加容易，兼容性會變得更好（hǎo）。

　　（5）虛（xū）擬解（jiě）決方（fāng）案增加：虛擬解決方案會成為工業機器人的一個（gè）主（zhǔ）要部分。

　　（6）協作機器人將更受歡迎：協作機（jī）器人可以在人類身邊安全地工作（zuò），而且通常比工業機器（qì）人便宜得多。隨（suí）著協作機器人在嚴苛的工業環境中變得更有能力，對投（tóu）資回報率有嚴（yán）格要求的製造（zào）商會（huì）更多地采用協作機器人。

　　結語

　　“工業4.0”強調自動化與信息化相互融合，工業機器人作為自動化製造過程的重要參（cān）與者（zhě），直接影響著工業製造自動化水平。隨著工（gōng）業產（chǎn）品工藝複雜程度和精度的要求不斷提高，機器人的應（yīng）用場所和應（yīng）用需求也越來越（yuè）複雜和苛刻（kè），機器人的計算平台已經從（cóng）傳統的PC平台、嵌入式平（píng）台擴（kuò）展到（dào）智能手機、平板電腦等移動設備，機器人配備的傳感器從簡單的光電開關、觸碰開關發展到觸覺、聲覺、視覺等（děng）高端傳（chuán）感器，機器人伺服係統與控製係統之間的通信方式也由原來的“脈衝+方向”的通信線纜，發展到（dào）通信更高效、通（tōng）信數據量更大的各種現場總線。機器人控製係統正朝著開放化的方向轉變，工業物聯網、大數據分析（xī）以及虛擬化等技術的發展，也使機器（qì）人更好地融入製造業應用。

來源：未來工（gōng）業互聯網（wǎng）

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