前言

智慧工廠中傳感器的重要作用!

2012年，美國提出“工業(yè)互聯(lián)網”，2013年，德國提出“工業(yè)4.0”，2015年，中國提出“中國制造2025”。在工業(yè)物聯(lián)網、AR、云計算等技術熱潮下，全球眾多優(yōu)秀制造企業(yè)都開始建設智慧工廠，實現(xiàn)自動化、信息化和智能化的智慧工廠是未來工業(yè)制造的發(fā)展趨勢。那么，什么樣的工廠才能稱做智慧工廠?作為智慧工廠重要組成部分的工業(yè)機器人采用了哪些技術?

智慧工廠的標配

提到智慧工廠，人們首先想到的是自動化、智能化、工業(yè)機器人、工業(yè)物聯(lián)網等概念，那么，一個智慧工廠的標準配置有哪些?

控制器是智慧工廠的大腦，由程序計數(shù)器、指令寄存器、指令譯碼器、時序產生器和操作控制器組成，它是發(fā)布命令的“決策機構”，完成協(xié)調和指揮整個計算機系統(tǒng)的操作。智慧工廠中常用的控制器有PLC、工控機等。

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，又可以運行預先編排的程序，也可以根據(jù)以人工智能技術制定的指令行動。

伺服電機是指在伺服系統(tǒng)中控制機械元件運轉的發(fā)動機，是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制，在自動控制系統(tǒng)中用作執(zhí)行元件，可把所收到的電信號轉換成電動機軸上的角位移或角速度輸出。

傳感器為智慧工廠提供觸覺，是實現(xiàn)自動檢測和自動控制的首要環(huán)節(jié)。它能感受到被測量的信息，并能將感受到的信息按一定規(guī)律變換成電信號或其他形式的信息輸出。在自動化生產過程中需要用各種傳感器來監(jiān)視和控制各個參數(shù)，使設備工作在正常狀態(tài)或最佳狀態(tài)，并使產品達到最好的質量。

變頻器是智慧工廠的交換器，由整流(交流變直流)、濾波、逆變(直流變交流)、制動單元、驅動單元和檢測單元微處理單元組成。它應用變頻技術與微電子技術，通過改變電機工作電源頻率的方式來控制交流電動機。

電磁閥是用電磁控制的工業(yè)設備，可以配合不同的電路來實現(xiàn)預期的控制。它屬于執(zhí)行器，是智慧工廠的開關。

工業(yè)相機是智慧工廠的眼睛，是機器視覺系統(tǒng)關鍵組件。工業(yè)相機一般安裝在機器流水線上代替人眼來做測量和判斷，通過數(shù)字圖像攝取目標轉換成圖像信號，傳送給專用的圖像處理系統(tǒng)。圖像系統(tǒng)對這些信號進行各種運算，抽取目標特征，并根據(jù)判別的結果來控制現(xiàn)場的設備動作。

儀器儀表是智慧工廠的調節(jié)系統(tǒng)，用來檢出、測量、觀察并計算各種物理量、物質成分和參數(shù)等。比如測量壓力、液位、流量、溫度等一些控制過程所需要的參數(shù)值，就需要相關的儀器儀表。

自動化軟件是智慧工廠的心臟。例如，SCADA數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)可以在無人看管的情況下，對生產過程進行調度和自動化控制。

控制柜是智慧工廠的中樞系統(tǒng)。智慧工廠涉及電氣、變頻、電源、水泵等控制柜，可實現(xiàn)不同的控制功能。

下面將詳細剖析智慧工廠的重要組件——工業(yè)機器人。

工業(yè)機器人涉及哪些技術?

機器人自動化是一項快速進步的技術，在短短幾十年的時間里，工業(yè)機器人已經在全世界范圍內變成工廠里普通的裝置。

工業(yè)機器人不僅可以克服惡劣環(huán)境對生產的影響，減少人工的使用，保障工人的安全，還能夠幫助工廠節(jié)約生產成本，提高生產效率，從而保證產品質量。

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，由機械部分、傳感部分、控制部分等三大部分組成，這三大部分又分成六個子系統(tǒng)。分別為：

驅動系統(tǒng)：給每個關節(jié)即每個運動自由度安置傳動裝置，使機器人運動起來。

機械結構系統(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。

傳感系統(tǒng)：獲取內部和外部環(huán)境狀態(tài)中有意義的信息，提高了機器人的機動性、適應性和智能化水準。

機器人-環(huán)境交互系統(tǒng)：實現(xiàn)機器人與外部環(huán)境中的設備相互聯(lián)系和協(xié)調的系統(tǒng)。

人機交互系統(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)指令程序以及從傳感器反饋回來的信號，支配機器人的執(zhí)行機構去完成規(guī)定的運動和功能。

工業(yè)機器人中常用到的傳感器

在工業(yè)自動化領域，機器人需要傳感器提供必要的信息，以正確執(zhí)行相關的操作。

一份報告預測，到2021年，全球工業(yè)機器人傳感器市場將以約8%的復合年增長率(CAGR)穩(wěn)步增長。對于包括消費者和汽車在內的機器人傳感應用，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。

下面列出了工業(yè)機器人中最常用到的傳感器。

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的零件定位等多種任務的攝像頭。許多智能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)接收到的信息適當調整其動作。

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像機或激光掃描器，用以檢測對象的第三維度。例如，零件取放便是利用三維視覺技術檢測物體并創(chuàng)建三維圖像，分析并選擇最好的拾取方式。

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去了觸覺。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，所有反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、示教、力度限制等應用才得以實現(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。

一些傳感器可以是某種觸覺識別系統(tǒng)，通過柔軟的表面感知壓力，給機器人發(fā)送信號，限制或停止機器人的運動。

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反饋，還有些則使用電流反饋。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，從攝像頭到激光等，目的是告訴機器人周圍的狀況。有些安全系統(tǒng)可以設置成當有人出現(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。

最簡單的例子是電梯門上的激光安全傳感器。當激光檢測到障礙物時，電梯門會立即停止并退回，以避免碰撞。

其它傳感器

市場上還有很多的傳感器適用于不同的應用。例如焊縫追蹤傳感器等。

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，從而知道對象的確切位置，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。

視覺和接近傳感器類似于自動駕駛車輛所需的傳感器，包括攝像頭、紅外線、聲納、超聲波、雷達和激光雷達。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使用，機器人便可以確定尺寸，識別物體，并確定其距離。

射頻識別(RFID)傳感可以提供識別碼并允許得到許可的機器人獲取其他信息。

麥克風(聲學傳感器)幫助工業(yè)機器人接收語音命令并識別熟悉環(huán)境中的異常聲音。如果加上壓電傳感器，還可以識別并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。

利用化學、光學和顏色傳感器，機器人能夠評估、調整和檢測其環(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。它們需要與智能手機相同類型的傳感器，以便提供機器人的準確位置數(shù)據(jù)。在這些應用采用了具有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)。

傳感器是實現(xiàn)軟件智能的關鍵組件，沒有傳感器，很多復雜的操作就不能實現(xiàn)。它們不僅實現(xiàn)了復雜的操作，同時也保證這些操作在進行的過程中得到良好的控制。

工業(yè)機器人避障主要用到哪些傳感器?

移動機器人需要通過傳感器實時獲取周圍的障礙物信息，包括尺寸、形狀和位置信息，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、激光傳感器、紅外傳感器、超聲波傳感器等。

超聲波傳感器

超聲波傳感器的基本原理是測量超聲波的飛行時間，通過d=vt/2測量距離，其中d是距離，v是聲速，t是飛行時間。

上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個頻率在幾十kHz的超聲波脈沖組成波包，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。超聲波傳感器一般作用距離較短，普通的有效探測距離幾米，但是會有一個幾十毫米左右的最小探測盲區(qū)。由于超聲傳感器成本低、實現(xiàn)方法簡單、技術成熟，是移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，通過結構上的幾何三角關系，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，小于超聲波，同時遠距離測量也有最小距離的限制。另外，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。但相對于超聲來說，紅外傳感器具有更高的帶寬。

激光傳感器

常見的激光雷達是基于飛行時間的(ToF，time of flight)，通過測量激光的飛行時間來測距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)射一定幅度的調制光，并測量發(fā)射和反向信號之間的相移，如上圖。

調制信號的波長為lamda=c/f，其中c是光速，f是調制頻率，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

常用的計算機視覺方案也有很多種， 比如雙目視覺，基于TOF的深度相機，基于結構光的深度相機等。

基于結構光的深度相機發(fā)射出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，因為與攝像頭距離不同，被攝像頭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，利用攝像頭位置、傳感器大小等參數(shù)就可以計算出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，由于兩個攝像頭的位置不同，就像人的兩只眼睛一樣，看到的物體也不一樣。兩個攝像頭看到的同一個點P，在成像的時候會有不同的像素位置，此時通過三角測距就可以測出這個點的距離。

在工業(yè)4.0時代工業(yè)機器人的發(fā)展趨勢

美國機器人產業(yè)協(xié)會(RIA)預測了工業(yè)機器人的六大發(fā)展趨勢。

工業(yè)物聯(lián)網(IIoT) 技術的應用：機器人會在生產的最前沿應用智能傳感器，采集制造商以前無法獲得的數(shù)據(jù)。

優(yōu)先考慮工業(yè)網絡安全：機器人與內部系統(tǒng)的聯(lián)網越來越多，網絡安全的風險不斷增加。制造商必須解決生產工藝中的缺陷，并在網絡安全方面加大投資，確保安全、可靠的生產。

大數(shù)據(jù)分析成為競爭優(yōu)勢：機器人將成為工廠車間的主要信息來源之一。制造商必須實施系統(tǒng)來組織和分析采集到的所有數(shù)據(jù)，以便采取有效的行動，提升企業(yè)的競爭優(yōu)勢。

實施開放式的自動化架構：隨著機器人自動化應用越來越廣泛，對開放式自動化架構的需求相應增加。大型的行業(yè)參與者將與行業(yè)機構一起制定標準和開放式文檔，機器人集成更加容易，兼容性會變得更好。

虛擬解決方案增加：虛擬解決方案會成為工業(yè)機器人的一個主要部分。

協(xié)作機器人將更受歡迎：協(xié)作機器人可以在人類身邊安全地工作，而且通常比工業(yè)機器人便宜得多。隨著協(xié)作機器人在嚴苛的工業(yè)環(huán)境中變得更有能力，對投資回報率有嚴格要求的制造商會更多地采用協(xié)作機器人。

結語

“工業(yè)4.0”強調自動化與信息化相互融合，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)制造自動化水平。隨著工業(yè)產品工藝復雜程度和精度的要求不斷提高，機器人的應用場所和應用需求也越來越復雜和苛刻，機器人的計算平臺已經從傳統(tǒng)的PC平臺、嵌入式平臺擴展到智能手機、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(fā)展到觸覺、聲覺、視覺等高端傳感器，機器人伺服系統(tǒng)與控制系統(tǒng)之間的通信方式也由原來的“脈沖+方向”的通信線纜，發(fā)展到通信更高效、通信數(shù)據(jù)量更大的各種現(xiàn)場總線。機器人控制系統(tǒng)正朝著開放化的方向轉變，工業(yè)物聯(lián)網、大數(shù)據(jù)分析以及虛擬化等技術的發(fā)展，也使機器人更好地融入制造業(yè)應用。