前言

智慧工廠中傳感器的重要作用!

2012年，美國(guó)提出“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”，2013年，德國(guó)提出“工業(yè)4.0”，2015年，中國(guó)提出“中國(guó)制造2025”。在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、AR、云計(jì)算等技術(shù)熱潮下，全球眾多優(yōu)秀制造企業(yè)都開(kāi)始建設(shè)智慧工廠，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、信息化和智能化的智慧工廠是未來(lái)工業(yè)制造的發(fā)展趨勢(shì)。那么，什么樣的工廠才能稱(chēng)做智慧工廠?作為智慧工廠重要組成部分的工業(yè)機(jī)器人采用了哪些技術(shù)?

智慧工廠的標(biāo)配

提到智慧工廠，人們首先想到的是自動(dòng)化、智能化、工業(yè)機(jī)器人、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)等概念，那么，一個(gè)智慧工廠的標(biāo)準(zhǔn)配置有哪些?

控制器是智慧工廠的大腦，由程序計(jì)數(shù)器、指令寄存器、指令譯碼器、時(shí)序產(chǎn)生器和操作控制器組成，它是發(fā)布命令的“決策機(jī)構(gòu)”，完成協(xié)調(diào)和指揮整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的操作。智慧工廠中常用的控制器有PLC、工控機(jī)等。

工業(yè)機(jī)器人是自動(dòng)執(zhí)行工作的機(jī)器裝置，它既可以接受人的指揮，又可以運(yùn)行預(yù)先編排的程序，也可以根據(jù)以人工智能技術(shù)制定的指令行動(dòng)。

伺服電機(jī)是指在伺服系統(tǒng)中控制機(jī)械元件運(yùn)轉(zhuǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)，是自動(dòng)化工廠提供動(dòng)力的肌肉。伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速受輸入信號(hào)控制，在自動(dòng)控制系統(tǒng)中用作執(zhí)行元件，可把所收到的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電動(dòng)機(jī)軸上的角位移或角速度輸出。

傳感器為智慧工廠提供觸覺(jué)，是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)控制的首要環(huán)節(jié)。它能感受到被測(cè)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(hào)或其他形式的信息輸出。在自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中需要用各種傳感器來(lái)監(jiān)視和控制各個(gè)參數(shù)，使設(shè)備工作在正常狀態(tài)或最佳狀態(tài)，并使產(chǎn)品達(dá)到最好的質(zhì)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(dòng)單元、驅(qū)動(dòng)單元和檢測(cè)單元微處理單元組成。它應(yīng)用變頻技術(shù)與微電子技術(shù)，通過(guò)改變電機(jī)工作電源頻率的方式來(lái)控制交流電動(dòng)機(jī)。

電磁閥是用電磁控制的工業(yè)設(shè)備，可以配合不同的電路來(lái)實(shí)現(xiàn)預(yù)期的控制。它屬于執(zhí)行器，是智慧工廠的開(kāi)關(guān)。

工業(yè)相機(jī)是智慧工廠的眼睛，是機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)關(guān)鍵組件。工業(yè)相機(jī)一般安裝在機(jī)器流水線(xiàn)上代替人眼來(lái)做測(cè)量和判斷，通過(guò)數(shù)字圖像攝取目標(biāo)轉(zhuǎn)換成圖像信號(hào)，傳送給專(zhuān)用的圖像處理系統(tǒng)。圖像系統(tǒng)對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行各種運(yùn)算，抽取目標(biāo)特征，并根據(jù)判別的結(jié)果來(lái)控制現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備動(dòng)作。

儀器儀表是智慧工廠的調(diào)節(jié)系統(tǒng)，用來(lái)檢出、測(cè)量、觀察并計(jì)算各種物理量、物質(zhì)成分和參數(shù)等。比如測(cè)量壓力、液位、流量、溫度等一些控制過(guò)程所需要的參數(shù)值，就需要相關(guān)的儀器儀表。

自動(dòng)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(wú)人看管的情況下，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行調(diào)度和自動(dòng)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(shí)現(xiàn)不同的控制功能。

下面將詳細(xì)剖析智慧工廠的重要組件——工業(yè)機(jī)器人。

工業(yè)機(jī)器人涉及哪些技術(shù)?

機(jī)器人自動(dòng)化是一項(xiàng)快速進(jìn)步的技術(shù)，在短短幾十年的時(shí)間里，工業(yè)機(jī)器人已經(jīng)在全世界范圍內(nèi)變成工廠里普通的裝置。

工業(yè)機(jī)器人不僅可以克服惡劣環(huán)境對(duì)生產(chǎn)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(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率，從而保證產(chǎn)品質(zhì)量。

工業(yè)機(jī)器人是多自由度的機(jī)器裝置，能自動(dòng)執(zhí)行工作，按照自身動(dòng)力和控制能力來(lái)實(shí)現(xiàn)各種功能，由機(jī)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(gè)子系統(tǒng)。分別為：

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)：給每個(gè)關(guān)節(jié)即每個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度安置傳動(dòng)裝置，使機(jī)器人運(yùn)動(dòng)起來(lái)。

機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)：由機(jī)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(gè)多自由度的機(jī)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(gè)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(nèi)部和外部環(huán)境狀態(tài)中有意義的信息，提高了機(jī)器人的機(jī)動(dòng)性、適應(yīng)性和智能化水準(zhǔn)。

機(jī)器人-環(huán)境交互系統(tǒng)：實(shí)現(xiàn)機(jī)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(jī)交互系統(tǒng)：人與機(jī)器人進(jìn)行聯(lián)系和參與機(jī)器人控制的裝置。

控制系統(tǒng)：根據(jù)機(jī)器人的作業(yè)指令程序以及從傳感器反饋回來(lái)的信號(hào)，支配機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)去完成規(guī)定的運(yùn)動(dòng)和功能。

工業(yè)機(jī)器人中常用到的傳感器

在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，機(jī)器人需要傳感器提供必要的信息，以正確執(zhí)行相關(guān)的操作。

一份報(bào)告預(yù)測(cè)，到2021年，全球工業(yè)機(jī)器人傳感器市場(chǎng)將以約8%的復(fù)合年增長(zhǎng)率(CAGR)穩(wěn)步增長(zhǎng)。對(duì)于包括消費(fèi)者和汽車(chē)在內(nèi)的機(jī)器人傳感應(yīng)用，另一份報(bào)告明確指出，到2027年，視覺(jué)系統(tǒng)將單獨(dú)成就57億美元的市場(chǎng)，力傳感器市場(chǎng)將超過(guò)69億美元。

下面列出了工業(yè)機(jī)器人中最常用到的傳感器。

二維視覺(jué)傳感器

二維視覺(jué)是一個(gè)可以執(zhí)行從檢測(cè)運(yùn)動(dòng)物體到傳輸帶上的零件定位等多種任務(wù)的攝像頭。許多智能相機(jī)都可以檢測(cè)零件并協(xié)助機(jī)器人確定零件的位置，機(jī)器人可以根據(jù)接收到的信息適當(dāng)調(diào)整其動(dòng)作。

三維視覺(jué)傳感器

三維視覺(jué)系統(tǒng)必須擁有兩個(gè)不同角度的攝像機(jī)或激光掃描器，用以檢測(cè)對(duì)象的第三維度。例如，零件取放便是利用三維視覺(jué)技術(shù)檢測(cè)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(shuō)視覺(jué)傳感器給了機(jī)器人眼睛，那么力/力矩傳感器則給機(jī)器人帶去了觸覺(jué)。機(jī)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(jī)器人和夾具之間，這樣，所有反饋到夾具上的力都在機(jī)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(shí)現(xiàn)。

碰撞檢測(cè)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(gè)安全的工作環(huán)境，協(xié)作機(jī)器人最需要它們。

一些傳感器可以是某種觸覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)，通過(guò)柔軟的表面感知壓力，給機(jī)器人發(fā)送信號(hào)，限制或停止機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。

一些傳感器還可以直接內(nèi)置在機(jī)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。在這兩種情況下，當(dāng)機(jī)器人感知到異常的力度時(shí)，便觸發(fā)緊急停止，從而確保安全。

要想讓工業(yè)機(jī)器人與人進(jìn)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(jī)器人周?chē)臓顩r。有些安全系統(tǒng)可以設(shè)置成當(dāng)有人出現(xiàn)在特定的區(qū)域/空間時(shí)，機(jī)器人會(huì)自動(dòng)減速運(yùn)行，如果人員繼續(xù)靠近，機(jī)器人則會(huì)停止工作。

最簡(jiǎn)單的例子是電梯門(mén)上的激光安全傳感器。當(dāng)激光檢測(cè)到障礙物時(shí)，電梯門(mén)會(huì)立即停止并退回，以避免碰撞。

其它傳感器

市場(chǎng)上還有很多的傳感器適用于不同的應(yīng)用。例如焊縫追蹤傳感器等。

觸覺(jué)傳感器也越來(lái)越受歡迎。這類(lèi)傳感器一般安裝在抓手上，用來(lái)檢測(cè)和感覺(jué)抓取的物體是什么。傳感器通常能夠檢測(cè)力度并得出力度分布的情況，從而知道對(duì)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(jué)傳感器可以檢測(cè)熱量的變化。

視覺(jué)和接近傳感器類(lèi)似于自動(dòng)駕駛車(chē)輛所需的傳感器，包括攝像頭、紅外線(xiàn)、聲納、超聲波、雷達(dá)和激光雷達(dá)。某些情況下可以使用多個(gè)攝像頭，尤其是立體視覺(jué)。將這些傳感器組合起來(lái)使用，機(jī)器人便可以確定尺寸，識(shí)別物體，并確定其距離。

射頻識(shí)別(RFID)傳感可以提供識(shí)別碼并允許得到許可的機(jī)器人獲取其他信息。

麥克風(fēng)(聲學(xué)傳感器)幫助工業(yè)機(jī)器人接收語(yǔ)音命令并識(shí)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(shí)別并消除振動(dòng)引起的噪聲，避免機(jī)器人錯(cuò)誤理解語(yǔ)音命令。先進(jìn)的算法甚至可以讓機(jī)器人了解說(shuō)話(huà)者的情緒。

溫度傳感是機(jī)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(xué)、光學(xué)和顏色傳感器，機(jī)器人能夠評(píng)估、調(diào)整和檢測(cè)其環(huán)境中存在的問(wèn)題。

對(duì)于可以走路、跑步甚至跳舞的人形機(jī)器人，穩(wěn)定性是一個(gè)主要問(wèn)題。它們需要與智能手機(jī)相同類(lèi)型的傳感器，以便提供機(jī)器人的準(zhǔn)確位置數(shù)據(jù)。在這些應(yīng)用采用了具有3軸加速度計(jì)、3軸陀螺儀和3軸磁力計(jì)的9自由度(9DOF)傳感器或慣性測(cè)量單元(IMU)。

傳感器是實(shí)現(xiàn)軟件智能的關(guān)鍵組件，沒(méi)有傳感器，很多復(fù)雜的操作就不能實(shí)現(xiàn)。它們不僅實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜的操作，同時(shí)也保證這些操作在進(jìn)行的過(guò)程中得到良好的控制。

工業(yè)機(jī)器人避障主要用到哪些傳感器?

移動(dòng)機(jī)器人需要通過(guò)傳感器實(shí)時(shí)獲取周?chē)恼系K物信息，包括尺寸、形狀和位置信息，來(lái)實(shí)現(xiàn)避障。避障使用的傳感器有很多種，目前常見(jiàn)的有視覺(jué)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(cè)量超聲波的飛行時(shí)間，通過(guò)d=vt/2測(cè)量距離，其中d是距離，v是聲速，t是飛行時(shí)間。

上圖是超聲波傳感器信號(hào)的一個(gè)示意。通過(guò)壓電或靜電變送器產(chǎn)生一個(gè)頻率在幾十kHz的超聲波脈沖組成波包，系統(tǒng)檢測(cè)高于某閾值的反向聲波，然后使用測(cè)量到的飛行時(shí)間計(jì)算距離。超聲波傳感器一般作用距離較短，普通的有效探測(cè)距離幾米，但是會(huì)有一個(gè)幾十毫米左右的最小探測(cè)盲區(qū)。由于超聲傳感器成本低、實(shí)現(xiàn)方法簡(jiǎn)單、技術(shù)成熟，是移動(dòng)機(jī)器人中常用的傳感器。

紅外傳感器

一般的紅外測(cè)距都是采用三角測(cè)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(huì)反向回來(lái)，檢測(cè)到反射光之后，通過(guò)結(jié)構(gòu)上的幾何三角關(guān)系，就可以計(jì)算出物體距離D。

當(dāng)D的距離足夠近的時(shí)候，上圖中L值會(huì)相當(dāng)大，如果超過(guò)CCD的探測(cè)范圍，雖然物體很近，傳感器反而看不到了。當(dāng)物體距離D很大時(shí)，L值就會(huì)很小，測(cè)量精度會(huì)變差。因此，常見(jiàn)的紅外傳感器的測(cè)量距離都比較近，小于超聲波，同時(shí)遠(yuǎn)距離測(cè)量也有最小距離的限制。另外，對(duì)于透明的或者近似黑體的物體，紅外傳感器是無(wú)法檢測(cè)距離的。但相對(duì)于超聲來(lái)說(shuō)，紅外傳感器具有更高的帶寬。

激光傳感器

常見(jiàn)的激光雷達(dá)是基于飛行時(shí)間的(ToF，time of flight)，通過(guò)測(cè)量激光的飛行時(shí)間來(lái)測(cè)距d=ct/2，類(lèi)似前面提到的超聲測(cè)距公式，其中d是距離，c是光速，t是從發(fā)射到接收的時(shí)間間隔。

比較簡(jiǎn)單的方案是測(cè)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(cè)量發(fā)射和反向信號(hào)之間的相移，如上圖。

調(diào)制信號(hào)的波長(zhǎng)為lamda=c/f，其中c是光速，f是調(diào)制頻率，測(cè)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(jì)算得到，如上圖。

視覺(jué)傳感器

常用的計(jì)算機(jī)視覺(jué)方案也有很多種， 比如雙目視覺(jué)，基于TOF的深度相機(jī)，基于結(jié)構(gòu)光的深度相機(jī)等。

基于結(jié)構(gòu)光的深度相機(jī)發(fā)射出的光會(huì)生成相對(duì)隨機(jī)但又固定的斑點(diǎn)圖樣，光斑打在物體上，因?yàn)榕c攝像頭距離不同，被攝像頭捕捉到的位置也不相同。先計(jì)算斑點(diǎn)與標(biāo)定的標(biāo)準(zhǔn)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(jì)算出物體與攝像頭的距離。

雙目視覺(jué)的測(cè)距本質(zhì)上也是三角測(cè)距法，由于兩個(gè)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(gè)攝像頭看到的同一個(gè)點(diǎn)P，在成像的時(shí)候會(huì)有不同的像素位置，此時(shí)通過(guò)三角測(cè)距就可以測(cè)出這個(gè)點(diǎn)的距離。

在工業(yè)4.0時(shí)代工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)

美國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)(RIA)預(yù)測(cè)了工業(yè)機(jī)器人的六大發(fā)展趨勢(shì)。

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(IIoT) 技術(shù)的應(yīng)用：機(jī)器人會(huì)在生產(chǎn)的最前沿應(yīng)用智能傳感器，采集制造商以前無(wú)法獲得的數(shù)據(jù)。

優(yōu)先考慮工業(yè)網(wǎng)絡(luò)安全：機(jī)器人與內(nèi)部系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)越來(lái)越多，網(wǎng)絡(luò)安全的風(fēng)險(xiǎn)不斷增加。制造商必須解決生產(chǎn)工藝中的缺陷，并在網(wǎng)絡(luò)安全方面加大投資，確保安全、可靠的生產(chǎn)。

大數(shù)據(jù)分析成為競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)：機(jī)器人將成為工廠車(chē)間的主要信息來(lái)源之一。制造商必須實(shí)施系統(tǒng)來(lái)組織和分析采集到的所有數(shù)據(jù)，以便采取有效的行動(dòng)，提升企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

實(shí)施開(kāi)放式的自動(dòng)化架構(gòu)：隨著機(jī)器人自動(dòng)化應(yīng)用越來(lái)越廣泛，對(duì)開(kāi)放式自動(dòng)化架構(gòu)的需求相應(yīng)增加。大型的行業(yè)參與者將與行業(yè)機(jī)構(gòu)一起制定標(biāo)準(zhǔn)和開(kāi)放式文檔，機(jī)器人集成更加容易，兼容性會(huì)變得更好。

虛擬解決方案增加：虛擬解決方案會(huì)成為工業(yè)機(jī)器人的一個(gè)主要部分。

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

結(jié)語(yǔ)

“工業(yè)4.0”強(qiáng)調(diào)自動(dòng)化與信息化相互融合，工業(yè)機(jī)器人作為自動(dòng)化制造過(guò)程的重要參與者，直接影響著工業(yè)制造自動(dòng)化水平。隨著工業(yè)產(chǎn)品工藝復(fù)雜程度和精度的要求不斷提高，機(jī)器人的應(yīng)用場(chǎng)所和應(yīng)用需求也越來(lái)越復(fù)雜和苛刻，機(jī)器人的計(jì)算平臺(tái)已經(jīng)從傳統(tǒng)的PC平臺(tái)、嵌入式平臺(tái)擴(kuò)展到智能手機(jī)、平板電腦等移動(dòng)設(shè)備，機(jī)器人配備的傳感器從簡(jiǎn)單的光電開(kāi)關(guān)、觸碰開(kāi)關(guān)發(fā)展到觸覺(jué)、聲覺(jué)、視覺(jué)等高端傳感器，機(jī)器人伺服系統(tǒng)與控制系統(tǒng)之間的通信方式也由原來(lái)的“脈沖+方向”的通信線(xiàn)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(chǎng)總線(xiàn)。機(jī)器人控制系統(tǒng)正朝著開(kāi)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(jī)器人更好地融入制造業(yè)應(yīng)用。