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工業(yè)機器人開始應(yīng)用大量傳感器，以便在工業(yè)自動化過程實現(xiàn)良好的操作與控制，例如協(xié)作機器人整合了力矩傳感器和攝影機，以確保視角與安全性。工業(yè)機器人還整合了哪些傳感器？

在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(Industrial IoT)、擴增實境(AR)、云端運算等技術(shù)熱潮下，制造企業(yè)紛紛開始建設(shè)智慧工廠，以實現(xiàn)自動化、資訊化和智慧化的工業(yè)制造。其中，工業(yè)機器人將成為這一智慧制造轉(zhuǎn)型的重要組成部分。傳感器是實現(xiàn)工業(yè)機器人的核心技術(shù)之一，讓機器人能夠和人類一樣選擇路徑、感知環(huán)境變化以及在復(fù)雜的情況下作出正確判斷。特別是在工業(yè)自動化領(lǐng)域，機器人需要傳感器提供必要的資訊，以正確執(zhí)行相關(guān)的復(fù)雜的操作。根據(jù)市場預(yù)測，到2021年，工業(yè)機器人傳感器市場將以約8%的復(fù)合年成長率(CAGR)穩(wěn)步成長。對于包括消費者和汽車在內(nèi)的機器人感測應(yīng)用，另一份報告明確指出，到2027年，視覺系統(tǒng)將單獨成就57億美元的市場，力傳感器市場將超過69億美元。工業(yè)機器人正開始應(yīng)用大量傳感器以確保在工業(yè)自動化過程實現(xiàn)良好的控制與操作，例如協(xié)作機器人整合了力矩傳感器和攝影機，除了提供更好的視角，也保證工作區(qū)域的安全等。此外，工業(yè)機器人還整合了哪些傳感器？

智慧工廠的要角——工業(yè)機器人

機器人自動化是一項快速進步的技術(shù)，在短短幾十年的時間里，工業(yè)機器人已經(jīng)在范圍內(nèi)變成工廠里普通的裝置。工業(yè)機器人是自動執(zhí)行工作的機器裝置，它既可以接受人的指揮、執(zhí)行預(yù)先編排的程式，也可以根據(jù)以人工智慧(AI)技術(shù)定義的指令行動。此外，它還可以克服惡劣環(huán)境對生產(chǎn)的影響，減少人工的使用，保障工人的安全，同時幫助工廠節(jié)約生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率，從而保證產(chǎn)品品質(zhì)。

工業(yè)機器人是多自由度的機器裝置，能自動執(zhí)行工作，按照自身動力和控制能力來實現(xiàn)各種功能，由機械、感測與控制等三大部分組成，這三大部分又分成六個子系統(tǒng)。分別為：

驅(qū)動系統(tǒng)：為每個關(guān)節(jié)即每個運動自由度安置傳動裝置，使機器人運動起來。機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)：由機身、手臂、末端操作器三大件組成。每一大件都有若干自由度，構(gòu)成一個多自由度的機械系統(tǒng)。手臂一般由上臂、下臂和手腕組成。末端操作器是直接裝在手腕上的一個重要部件，可以是兩手指或多手指的手爪，也可以是噴漆槍、焊槍等。感測系統(tǒng)：獲取內(nèi)部和外部環(huán)境狀態(tài)中有意義的資訊，提高了機器人的機動性、適應(yīng)性和智慧化水準。機器人-環(huán)境互動系統(tǒng)：實現(xiàn)機器人與外部環(huán)境中的設(shè)備相互聯(lián)系和協(xié)調(diào)的系統(tǒng)。

人機互動系統(tǒng)：人與機器人進行聯(lián)系和參與機器人控制的裝置。

控制系統(tǒng)：根據(jù)機器人的作業(yè)指令程式以及從傳感器反饋回來的訊號，支配機器人的執(zhí)行機構(gòu)去完成規(guī)定的動作和功能。

工業(yè)機器人常用的傳感器

工業(yè)機器人到的傳感器包括二維視覺傳感器、三維視覺傳感器、力/力矩傳感器以及碰撞檢測傳感器。

二維視覺傳感器：二維視覺是一個可以執(zhí)行從檢測運動物體到傳輸帶上零件定位等多種任務(wù)的攝影機。許多智慧相機都可以檢測零件并協(xié)助機器人確定零件的位置，機器人可以根據(jù)接收到的資訊適當調(diào)整其動作。

三維視覺傳感器：三維視覺系統(tǒng)必須擁有兩個不同角度的攝影機或雷射掃描器，用以檢測物件的第三維度。例如，零件取放便是利用三維視覺技術(shù)檢測物體并創(chuàng)建三維影像，分析并選擇拾取方式。

力/力矩傳感器：如果說視覺傳感器給了機器人眼睛，那么力/力矩傳感器則給機器人帶來觸覺。機器人利用力/力矩傳感器感知末端執(zhí)行器的力度。多數(shù)情況下，力/力矩傳感器位于機器人和夾具之間，這樣，所有回饋到夾具上的力都在機器人的監(jiān)控之中。有了力/力矩傳感器，裝配、人工引導(dǎo)、示教、力度限制等應(yīng)用才得以實現(xiàn)。碰撞檢測傳感器：這種傳感器有各種不同的形式，其主要應(yīng)用是為作業(yè)人員提供一個安全的工作環(huán)境，協(xié)作機器人最需要它們。

有些傳感器可以是某種觸覺辨識系統(tǒng)，透過柔軟的表面感知壓力，給機器人發(fā)送訊號，限制或停止機器人的運動。有些傳感器則直接內(nèi)建于機器人中。有些公司利用加速度計回饋，還有些則使用電流回饋。在這兩種情況下，當機器人感知到異常的力度時，便觸發(fā)緊急停止，從而確保安全。

要想讓工業(yè)機器人與人進行協(xié)作，首先要找出可以保證作業(yè)人員安全的方法。這些傳感器有各種形式，從攝影機到雷射等，目的是告訴機器人周圍的狀況。有些安全系統(tǒng)可以設(shè)置成當有人出現(xiàn)在特定的區(qū)域/空間時，機器人會自動減速運行，如果人員繼續(xù)靠近，機器人則會停止工作。的例子是電梯門上的雷射安全傳感器。當雷射檢測到障礙物時，電梯門會立即停止并退回，以避免碰撞。

適于不同的應(yīng)用的其他傳感器

市場上還有很多傳感器適用于不同的應(yīng)用。例如焊縫追蹤傳感器，以及觸覺傳感器也越來越受歡迎。這類傳感器一般安裝在抓手上，用來檢測和感覺抓取的物體是什么。傳感器通常能夠檢測力度并得出力度分布的情況，從而知道物件的確切位置，讓你可以控制抓取的位置和末端執(zhí)行器的抓取力度。另外還有一些觸覺傳感器可以檢測熱量的變化。視覺和近接傳感器類似于自動駕駛車所需的傳感器，包括攝影機、紅外線、聲納、超音波、雷達和光達。某些情況下可以使用多個攝影機，尤其是立體視覺。將這些傳感器組合起來使用，機器人便可以確定尺寸，辨識物體，并確定其距離。

射頻辨識(RFID)感測可以提供辨識碼并允許得到的機器人獲取其他資訊。

麥克風(fēng)(聲學(xué)傳感器)協(xié)助工業(yè)機器人接收語音命令并辨識熟悉環(huán)境中的異常聲音。如果加上壓電傳感器，還可以辨識并消除振動引起的雜訊，避免機器人錯誤理解語音命令。*的演算法甚至可以讓機器人了解說話者的情緒。

溫度感測是機器人自我診斷的一部分，可用于確定其周遭的環(huán)境，避免潛在的有害熱源。此外，利用化學(xué)、光學(xué)和顏色傳感器，機器人能夠評估、調(diào)整和檢測其環(huán)境中存在的問題。對于可以走路、跑步甚至跳舞的人形機器人，穩(wěn)定性是一個主要問題。它們需要與智慧型手機相同類型的傳感器，以便提供機器人的準確位置資料。在這些應(yīng)用采用了具有3軸加速度計、3軸陀螺儀和3軸磁力計的9自由度(9DOF)傳感器或慣性測量單元(IMU)。

避障傳感器瞄準行動機器人

行動機器人需要透過傳感器即時擷取周圍的障礙物資訊，包括尺寸、形狀和位置資訊，來實現(xiàn)避障。避障使用的傳感器有很多種，目前常見的有視覺傳感器、雷射傳感器、紅外傳感器、超音波傳感器等。

超音波傳感器

超音波傳感器的基本原理是測量超音波的飛行時間，透過d=vt/2測量距離，其中d是距離，v是音速，t是飛行時間。

上圖是超音波傳感器訊號的一個示意。透過壓電或靜電變送器產(chǎn)生一個頻率在幾十kHz的超音波脈沖組成封包，系統(tǒng)檢測高于某閾值的反向聲波，然后使用測量到的飛行時間計算距離。超音波傳感器一般作用距離較短，普通的有效探測距離幾公尺，但是會有一個幾十毫米(mm)左右的最小探測盲區(qū)。由于超音波傳感器成本低、實現(xiàn)方法簡單、技術(shù)成熟，是行動機器人中常用的傳感器。

紅外傳感器

一般的紅外測距都是采用三角測距的原理。紅外發(fā)射器按照一定角度發(fā)射紅外光束，遇到物體之后，光會反向回來，檢測到反射光之后，透過結(jié)構(gòu)上的幾何三角關(guān)系，就可以計算出物體距離D。

當D的距離足夠近的時候，上圖中L值會相當大，如果超過CCD的探測范圍，雖然物體很近，傳感器反而看不到了。當物體距離D很大時，L值就會很小，測量精度會變差。因此，常見的紅外傳感器的測量距離都比較近，小于超音波，同時遠距離測量也有最小距離的限制。此外，對于透明的或者近似黑體的物體，紅外傳感器是無法檢測距離的。但相對于超音波來說，紅外線傳感器具有更高的頻寬。

雷射傳感器

常見的雷射雷達是基于飛行時間的(ToF)，透過測量雷射的飛行時間來測距d=ct/2，類似前面提到的超聲測距公式，其中d是距離，c是光速，t是從發(fā)射到接收的時間間隔。

比較簡單的方案是測量反射光的相移，傳感器以已知的頻率發(fā)射一定幅度的調(diào)制光，并測量發(fā)射和反向訊號之間的相移，如上圖。

調(diào)變訊號的波長為lamda=c/f，其中c是光速，f是調(diào)制頻率，測量到發(fā)射和反射光束之間的相移差theta之后，距離可由lamda * theta/4pi計算得到，如上圖。

視覺傳感器

常用的電腦視覺方案也有很多種， 比如雙目視覺，基于ToF的深度相機，基于結(jié)構(gòu)光的深度相機等。

基于結(jié)構(gòu)光的深度相機發(fā)射出的光會產(chǎn)生相對隨機但又固定的斑點圖樣，光斑打在物體上，因為與攝影機距離不同，被攝影機捕捉到的位置也不相同。先計算斑點與標定的標準圖案在不同位置的偏移，利用攝影機位置、傳感器大小等參數(shù)就可以計算出物體與攝影機的距離。

雙目視覺的測距本質(zhì)上也是三角測距法，由于兩個攝影機的位置不同，就像人的兩只眼睛一樣，看到的物體也不一樣。兩個攝影機看到的同一個點P，在成像的時候會有不同的畫素位置，此時透過三角測距就可以測出這個點的距離。

在「工業(yè)4.0」時代，強調(diào)自動化與資訊化相互融合，工業(yè)機器人作為自動化制造過程的重要參與者，直接影響著工業(yè)制造自動化水準。

隨著工業(yè)產(chǎn)品復(fù)雜程度和精度的要求不斷提高，機器人的應(yīng)用場所和需求也越來越復(fù)雜和嚴苛，機器人的運算平臺已經(jīng)從傳統(tǒng)的PC平臺、嵌入式平臺擴展到智慧型手機、平板電腦等行動裝置，機器人配備的傳感器從簡單的光電開關(guān)、觸碰開關(guān)發(fā)展到觸覺、聲覺、視覺等高階傳感器，機器人伺服系統(tǒng)與控制系統(tǒng)之間的通訊方式也由原來的「脈沖+方向」通訊線纜，發(fā)展到通訊更高效、通訊資料量更大的各種現(xiàn)場匯流排。

機器人控制系統(tǒng)正朝著開放化的方向轉(zhuǎn)變，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)分析以及虛擬化等技術(shù)的發(fā)展，也使機器人更好地融入制造業(yè)應(yīng)用。