傳感器專(zhuān)家網(wǎng)2022-03-20 18:50
工業(yè)機器人
在人口紅利消失和機器人制造門(mén)檻下降的背景下，機器人和智能設備產(chǎn)業(yè)的發(fā)展越來(lái)越受到社會(huì )各界的廣泛關(guān)注。特別是當前缺乏工作的時(shí)代加速了自動(dòng)化進(jìn)程，工業(yè)機器人的發(fā)展將影響未來(lái)的全球制造業(yè)進(jìn)程。
<工業(yè)機器人示意圖|圖源于網(wǎng)絡(luò )>
工業(yè)機器人，即面向工業(yè)領(lǐng)域的機器人，是廣泛用于工業(yè)領(lǐng)域的多關(guān)節機械手或多自由度的機器裝置，具有一定的自動(dòng)性，可依靠自身的動(dòng)力能源和控制能力實(shí)現各種工業(yè)加工制造功能。工業(yè)機器人被廣泛應用于電子、物流、化工等各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域之中，所以機器人產(chǎn)業(yè)已成為發(fā)達國家工業(yè)化的重要標志。
而工業(yè)機器人從傳感器獲取的外界信息，可以幫助工業(yè)機器人判斷自身狀態(tài)和外界環(huán)境，進(jìn)而幫助其控制和調節動(dòng)作，完成指定的任務(wù)。在本文跟大家一起總結和探討下各種工業(yè)機器人應用的傳感器。
工業(yè)機器人常用傳感器
各種傳感器相當于工業(yè)機器人的手、眼、耳和鼻，有助于識別自身的運動(dòng)狀態(tài)和環(huán)境狀況。在這些信息的幫助下，控制器可以發(fā)出相應的指令，使機器人完成所需的動(dòng)作。
視覺(jué)傳感器
視覺(jué)傳感技術(shù)近年來(lái)發(fā)展較快。目前在三維重建、人臉識別、多機聯(lián)合等領(lǐng)域應用已經(jīng)非常成熟。視覺(jué)傳感器采集的圖像由處理器進(jìn)行處理，提取出對特定任務(wù)有用的信息。
<工業(yè)機器人視覺(jué)系統示意圖|圖源于網(wǎng)絡(luò )>
視覺(jué)傳感器主要包括各種攝像機，比如RGB攝像機、多光譜攝像機和深度攝像機。攝像機中的光敏元件通常是CCD或者CMOS，都是利用光電效應原理，將光信息轉換成電信號，繼而轉換為數字信號。不同類(lèi)型的攝像機有不同的原理，可以提供不同的信息。
<工業(yè)機器人視覺(jué)傳感器示意圖|圖源于網(wǎng)絡(luò )>
RGB 相機是人們日常生活中使用最多的一種相機，其原理是通過(guò)紅、綠、藍 3 種顏色及其組合來(lái)獲取各種可見(jiàn)顏色。多光譜相機能夠獲取不同波段的圖像，包括可見(jiàn)光和不可見(jiàn)光波長(cháng)，因此可以獲得一些 RGB 相機無(wú)法提供的信息。深度相機則將距離信息加入到了二維圖像中，實(shí)現了立體成像。
<工業(yè)機器人專(zhuān)用相機示意圖|圖源于網(wǎng)絡(luò )>
視覺(jué)傳感器因其成本低、信息豐富、使用方便等優(yōu)點(diǎn)而廣受歡迎。然而，視覺(jué)傳感器的數據處理是復雜和耗時(shí)的。雖然許多研究者提出了幾種算法，但其適用性和靈活性還不是很令人滿(mǎn)意。
觸覺(jué)傳感器
觸覺(jué)傳感器和人類(lèi)通過(guò)觸覺(jué)感知一樣，工業(yè)機器人也需要觸覺(jué)來(lái)對環(huán)境進(jìn)行感知。因此，觸覺(jué)傳感器就成為了工業(yè)機器人智能化的必備元件，它使工業(yè)機器人具備了靠觸覺(jué)來(lái)感知的能力。
<工業(yè)機器人觸覺(jué)傳感器示意圖|圖源于網(wǎng)絡(luò )>
根據原理不同，觸覺(jué)傳感器主要有 4 種方式。壓電式、壓阻式、電容式和光學(xué)原理式。壓電觸覺(jué)傳感器是基于壓電效應原理，即在外界力的作用下，壓電材料表面因形變會(huì )產(chǎn)生電壓。它的頻率響應好，測量范圍大，但分辨率不是很理想。壓阻式觸覺(jué)傳感器基于壓阻效應原理，即施加外力時(shí)會(huì )產(chǎn)生自身電阻的變化。它測量范圍大，魯棒性好，但是遲滯效應較大。
<柔性電容式觸覺(jué)傳感器示意圖|圖源于網(wǎng)絡(luò )>
電容式觸覺(jué)傳感器利用電容的變化來(lái)測量接觸力。其空間分辨率高，功耗低，但抗干擾能力差。光學(xué)原理的觸覺(jué)傳感器靠檢測光的參數變化間接感知外界的接觸信息。優(yōu)點(diǎn)是抗干擾能力強，具有很高的空間分辨率。
雖然觸覺(jué)傳感器越來(lái)越受到較多關(guān)注和研究，但其多功能性和適應性等性能目前還不盡如人意。它們的發(fā)展依賴(lài)于各種技術(shù)領(lǐng)域的進(jìn)步，如材料、電子學(xué)、相關(guān)算法等。
尤其我國，已連續幾年成為世界第一大機器人應用市場(chǎng)，不但高端機器人仍依賴(lài)于進(jìn)口。其中，觸覺(jué)傳感器是工業(yè)機器人核心部件，其對于產(chǎn)品精確、穩定的嚴苛要求，阻擋了我國大部分企業(yè)向觸覺(jué)傳感器邁進(jìn)的步伐。形成了依賴(lài)進(jìn)口、內生乏力的惡性循環(huán)。也正是如此，觸覺(jué)傳感器被列為與芯片、航空鋼材等并列的關(guān)鍵卡脖子技術(shù)。
<卡脖子技術(shù)匯總表>
激光傳感器
激光發(fā)明于20世紀，因為其在單色性、方向性和亮度方面都有出色的性能，因此被廣泛應用于各種場(chǎng)合。
激光傳感器主要由測量電路、激光器和光電探測器等組成。激光器分為四類(lèi)：固體、液體、氣體和半導體。激光傳感器主要用于對距離、速度和振動(dòng)等物理參數的測量上。常見(jiàn)的有激光測距儀、激光位移傳感器、激光掃描儀、激光跟蹤器等。
<機器人激光測l量?jì)x示意圖|圖源于網(wǎng)絡(luò )>
激光測距的基本原理主要包括三種：飛行時(shí)間（TOF）、三角測量法和光學(xué)干涉法。TOF 是指從發(fā)射激光到接收到反射光的總時(shí)間。在激光測距儀中，由于光速太高，測距精度取決于飛行時(shí)間的測量精度上。
<飛行時(shí)間（TOF）法示意圖|圖源于網(wǎng)絡(luò )>
三角剖分法利用三角形理論和三角函數來(lái)計算物體之間的距離。激光位移傳感器就是基于這種方法來(lái)實(shí)現短距離測量的。兩束相位不同的光束疊加后形成明暗條紋的現象被稱(chēng)為光的干涉。此原理被用于激光跟蹤器中，可以測量裝有反射鏡的目標的移動(dòng)距離。
<三角剖分法示意圖|圖源于網(wǎng)絡(luò )>
激光傳感器能夠遙感測量，測量速度和精度都令人滿(mǎn)意。但是，激光波長(cháng)容易受溫度、大氣壓力和空氣濕度變化的影響。當上述參數發(fā)生變化時(shí)，需要進(jìn)行補償才能達到更高精度測量。
編碼器
編碼器將角位移或角速度轉換為電脈沖或數字量。
編碼器根據檢測原理可分為：光電式、磁性、電感式和電容式。光電式編碼器是其中最常用的。將光信號轉變?yōu)殡娦盘?。根據碼盤(pán)的校準方式，光電編碼器分為增量式和絕對式。增量式光電編碼器的輸出是一系列方波脈沖。旋轉角度可以通過(guò)記錄脈沖的數量計算出來(lái)。但是需要一個(gè)參考位置作為轉軸的零點(diǎn)絕對位置。
<工業(yè)機器人編碼器工作示意圖|圖源于網(wǎng)絡(luò )>
絕對式光電編碼器軸上的每個(gè)位置都對應有唯一的二進(jìn)制數字量，因此可以直接得到絕對位置。編碼器因其結構緊湊、使用壽命長(cháng)、使用方便、技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應用。編碼器的分辨率取決于圓中編碼盤(pán)上刻線(xiàn)的數量。更多的線(xiàn)能夠識別較小的角度，從而產(chǎn)生更高的分辨率，當然成本也會(huì )更高。
工業(yè)機器人其他傳感器
除上述 4 種傳感器外，工業(yè)機器人中還部署了一些傳感器來(lái)實(shí)現多種功能，如接近傳感器、慣性傳感器、扭矩傳感器、聲傳感器、磁傳感器、超聲波傳感器等。
接近傳感器能夠檢測到物體是否接近，并輸出相應的開(kāi)關(guān)信號。根據操作原理可分為電容式、電感式和光電式。電容式接近傳感器利用檢測電極的電容變化引起的電路狀態(tài)變化來(lái)感知接近的物體。感應式接近傳感器是基于電磁感應原理。它們的傳感元件是檢測線(xiàn)圈，當金屬物體靠近時(shí)，其電感量會(huì )發(fā)生變化。光電接近傳感器通常由發(fā)光二極管和光電探測器件組成。當物體接近時(shí)，光電二極管發(fā)出的光被反射到光電探測器件上，通過(guò)檢測電路產(chǎn)生相應輸出信號。
<接近傳感器示意圖|圖源于網(wǎng)絡(luò )>
慣性傳感器包括加速度計、陀螺儀和磁強計。慣性傳感器被廣泛用于測量運動(dòng)物體的運動(dòng)參數，比如加速度、角速度和方位角。通常，三者的組合被稱(chēng)為慣性測量單元（IMU）。慣性傳感器的測量原理是航位推算（DR）。利用積分的方法來(lái)計算物體的運動(dòng)量。慣性傳感器的精度在短時(shí)間內是令人滿(mǎn)意的，但是長(cháng)時(shí)間漂移誤差較大。
<加速度計原理示意圖|圖源于網(wǎng)絡(luò )>
扭矩傳感器主要用于測量施加在機械軸上的扭矩。常見(jiàn)的類(lèi)型有感應式和電阻應變式。其結構通常由扭力桿和線(xiàn)圈、電阻應變片等檢測元件組成。通過(guò)檢測元件參數的變化，將扭矩引起的扭桿扭轉變形轉化為電信號，實(shí)現扭矩測量。
聲波傳感器能夠把聲波轉換成電信號。其中裝有電容駐極體傳聲器，聲波會(huì )引起傳聲器中駐極體膜的振動(dòng)，產(chǎn)生微弱的電壓變化。然后對電壓進(jìn)行后續處理。
<聲波傳感器示意圖|圖源于網(wǎng)絡(luò )>
磁傳感器主要用于檢測磁場(chǎng)強度，其原理是霍爾效應?；魻栃侵府旊娏髁鬟^(guò)導體時(shí)，會(huì )產(chǎn)生一個(gè)垂直于磁場(chǎng)和電流方向的電場(chǎng)，從而在導體表面產(chǎn)生電位差的現象。
<工業(yè)機器人示意圖|圖源于網(wǎng)絡(luò )>
超聲波傳感器常用于探測障礙物。根據從發(fā)射超聲波到探測回波的時(shí)間來(lái)估計物體的范圍。
總 結
<工業(yè)機器人示意圖|圖源于網(wǎng)絡(luò )>
工業(yè)機器人的發(fā)展將有助于實(shí)現更加靈活、精確和個(gè)性化的工業(yè)制造。然而，工業(yè)機器人發(fā)展中的一個(gè)重要挑戰是開(kāi)發(fā)性能更好的傳感器，以改善其對外界環(huán)境和自身狀態(tài)的精確感知，這有賴(lài)于多學(xué)科技術(shù)的發(fā)展和融合。
此外，還需要對傳感器獲取的信息處理算法進(jìn)行優(yōu)化，以提高處理速度和精度。
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來(lái)源：知網(wǎng)《工業(yè)機器人傳感器技術(shù)綜述》、知乎、新浪綜合
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