工业机器人需要什么样的传感器?

在工业物联网、增强现实(AR)、云计算等技术的技术热潮下，全球制造企业纷纷开始建设智能工厂，实现工业制造的自动化、信息化、智能化。其中，工业机器人将成为这场智能制造转型的重要组成部分。

传感器技术是工业机器人的核心技术之一，可以让机器人像人类一样选择路径，感知环境变化，在复杂的情况下做出正确的判断。特别是在工业自动化领域，机器人需要传感器提供必要的信息，以便正确执行相关的复杂操作。

根据市场预测，到2021年，全球工业机器人传感器市场将以8%左右的复合年增长率(CAGR)稳步增长。对于包括消费者和汽车在内的机器人传感应用，另一份报告明确指出，到2027年，仅视觉系统就将实现57亿美元的市场，力传感器市场将超过69亿美元。

工业机器人开始大量使用传感器，以保证工业自动化过程中的良好控制和运行。例如，协作机器人集成了扭矩传感器和摄像头。除了提供更好的视角外，它们还确保了工作区域的安全。另外，工业机器人中集成了哪些传感器?

智能工厂的主要核心之一——工业机器人

机器人自动化是一项快速发展的技术。在短短几十年里，工业机器人已经成为世界各地工厂的通用设备。

工业机器人是一种自动工作的机械装置。它可以接受人类的命令，执行预先安排好的程序，或者根据人工智能(AI)技术定义的指令行事。此外，它可以克服恶劣环境对生产的影响，减少人工的使用，保证工人的安全，同时帮助工厂节省生产成本，提高生产效率，从而保证产品质量。

工业机器人是一种多自由度的机器装置，可以根据自身的动力和控制能力自动进行工作，实现各种功能。它们由三个主要部分组成:机械、传感和控制。这三个主要部分分为六个子系统。它们是:

• 驱动系统:为每个关节即每个运动自由度放置传动装置，使机器人运动。
• 机械结构系统:由主体、手臂、末端机械手三部分组成。每个大件都有几个自由度，形成一个多自由度的机械系统。手臂一般由上臂、下臂和手腕组成。末端机械手是直接装在手腕上的重要部件。它可以是两指爪或多指爪，喷漆枪，焊枪等。
• 传感系统:获取内外环境状态中有意义的信息，提高机器人的机动性、适应性和智能水平。
• 机器人-环境交互系统:使机器人能够与外部环境中的设备进行交互和协调的系统。
• 人机交互系统:人与机器人进行交流并参与机器人控制的装置。
• 控制系统:根据机器人的操作指令程序和传感器返回的信号，控制机器人的执行机构完成规定的动作和功能。

工业机器人中常用的传感器

工业机器人最常用的传感器包括二维视觉传感器、三维视觉传感器、力/扭矩传感器和碰撞检测传感器。

二维视觉传感器:二维视觉是一种摄像机，可以执行各种任务，从检测移动物体到定位传送带上的部件。许多智能摄像头可以检测零件并协助机器人确定零件的位置，机器人可以根据接收到的信息适当调整运动。

3D视觉传感器:3D视觉系统必须有两个不同角度的摄像头或激光扫描仪来检测物体的第三维度。例如，零件拾取和放置是利用3D视觉技术检测物体并创建3D图像，分析和选择最佳拾取方法。

力/力矩传感器:如果视觉传感器赋予机器人眼睛，那么力/扭矩传感器则赋予机器人触觉。机器人使用力/扭矩传感器来感知末端执行器的力。在大多数情况下，力/扭矩传感器位于机器人和夹具之间，因此所有反馈到夹具的力都由机器人监控。使用力/扭矩传感器，可以实现装配，手动指导，教学和力限制等应用。

碰撞检测传感器:这种传感器有多种形式，其主要应用是为操作人员提供安全的工作环境，协作机器人最需要这种传感器。

有些传感器可以是某种触觉识别系统，它通过柔软的表面感知压力，并向机器人发送信号，以限制或停止机器人的运动。有些传感器是直接安装在机器人身上的。有些公司使用加速度计反馈，而其他公司则使用电流反馈。在这两种情况下，当机器人感知到异常的力时，都会触发紧急停车以确保安全。

要让工业机器人与人合作，首先要想办法确保工人的安全。这些传感器有多种形式，从相机到激光等。目的是告诉机器人周围的环境。一些安全系统可以设置，当有人出现在一个特定的区域/空间，机器人会自动减速运行，如果人继续接近，机器人将停止工作。

最简单的例子是电梯门上的激光安全传感器。当激光检测到障碍物时，电梯门会立即停止并后退以避免碰撞。

其他适用于不同应用的传感器

市场上有许多适合不同应用的传感器。例如，接缝跟踪传感器和触觉传感器也越来越受欢迎。这种类型的传感器通常安装在抓取器上，以检测和感觉被抓取的东西。传感器通常可以检测力并获得力的分布，从而知道物体的确切位置，从而可以控制末端执行器的抓取位置和抓取力。还有一些触觉传感器可以探测到热量的变化。

视觉和接近传感器与自动驾驶汽车所需的传感器类似，包括摄像头、红外、声纳、超声波、雷达和激光雷达。在某些情况下，可以使用多个摄像头，特别是立体视觉。结合使用这些传感器，机器人可以确定大小，识别物体，并确定其距离。

射频识别(RFID)传感可以提供识别码，并允许授权的机器人获取其他信息。

麦克风(声学传感器)帮助工业机器人接收语音命令，并识别熟悉环境中的异常声音。如果增加一个压电传感器，它还可以识别和消除振动引起的噪音，避免机器人误解语音命令。先进的算法甚至可以让机器人理解说话人的情绪。

温度传感是机器人自我诊断的一部分，可用于确定周围环境，以避免潜在的有害热源。此外，利用化学、光学和颜色传感器，机器人可以评估、调整和检测环境中的问题。

对于能走、能跑、甚至能跳舞的类人机器人来说，稳定性是一个主要问题。它们需要与智能手机相同类型的传感器，以便提供机器人的准确位置信息。在这些应用中，使用带有3轴加速度计、3轴陀螺仪和3轴磁力计的9自由度(9DOF)传感器或惯性测量单元(IMU)。

针对移动机器人的避障传感器

移动机器人需要利用传感器实时捕捉障碍物信息，包括大小、形状和位置信息，以实现避障。用于避障的传感器有很多种。目前常用的传感器有视觉传感器、激光传感器、红外传感器和超声波传感器。

• 超声波传感器:超声波传感器的基本原理是测量超声波的飞行时间，通过d = vt / 2来测量距离，其中d为距离，v为声速，t为飞行时间。
  当D的距离足够近时，L的值就会变得比较大。如果超出CCD的检测范围，虽然物体很近，但可能看不到传感器。当物体距离D较大时，L值会变小，测量精度会变差。因此，普通红外传感器的测量距离相对较短，比超声波的测量距离要小，同时距离测量也有最小距离限制。此外，对于透明或接近黑体的物体，红外传感器无法探测到距离。但与超声波相比，红外传感器具有更高的带宽。
• 激光传感器:普通激光雷达基于飞行时间(ToF)。距离d = ct / 2是通过测量激光的飞行时间来测量的，类似于前面提到的超声波测距公式，其中d是距离，c是光速，是从发射到接收的时间间隔。
  一个更简单的解决方法是测量反射光的相移。传感器以已知频率发射一定幅度的调制光，并测量发射信号和反向信号之间的相移。
  调制信号的波长为λ = c / f，其中c为光速，f为调制频率。测量出发射光束和反射光束之间的相移差θ后，距离可由λ * θ / 4 π计算，如上图所示。
• 视觉传感器:常见的计算机视觉解决方案有很多，如双目视觉、基于ToF的深度相机、基于结构光的深度相机等。
  基于结构光的深度相机发出的光会产生相对随机但固定的光斑图案。光斑击中物体是因为与相机的距离不同，相机捕捉到的位置也不同。首先，计算在不同位置的光斑与校准的标准图案之间的偏移量。物体与相机之间的距离可以使用相机位置和传感器尺寸等参数来计算。
  双目视觉距离测量本质上也是一种三角测量方法。由于两个摄像头的位置不同，就像人的两只眼睛一样，它们看到的物体是不同的。两台相机看到的同一点P在成像时像素位置不同。此时，可以通过三角测量来测量该点的距离。

结论:

在“工业4.0”时代，重点是自动化和信息化的融合。工业机器人作为自动化制造过程的重要参与者，直接影响着工业制造自动化水平的高低。

随着人们对工业产品复杂性和精度要求的不断提高，对机器人的应用和要求也越来越复杂和苛刻。机器人的计算平台已经从传统的PC平台和嵌入式平台扩展到移动设备的智能手机和平板电脑，机器人配备的传感器已经从简单的光电开关、触摸开关发展到触觉、声学、视觉等高级传感器。机器人伺服系统与控制系统之间的通信方式也由原来的“脉冲”改变。“方向”通信电缆已发展到各种现场母线，通信效率更高，通信数据量更大。

机器人控制系统正朝着开放性的方向发展。工业物联网、大数据分析和虚拟化等技术的发展也使机器人更好地融入制造业应用。