工业物联网传感器是实现工业机器人的核心技术之一

    工业机器人开始应用大量传感器，以便在工业自动化过程实现良好的操作与控制，例如协作机器人整合了力矩传感器和摄影机，以确保最佳视角与安全性。工业机器人还整合了哪些传感器？

    在工业物联网(Industrial IoT)、扩增实境(AR)、云端运算等技术热潮下，全球制造企业纷纷开始建设智慧工厂，以实现自动化、资讯化和智慧化的工业制造。其中，工业机器人将成为这一智慧制造转型的重要组成部分。传感器是实现工业机器人的核心技术之一，让机器人能够和人类一样选择路径、感知环境变化以及在复杂的情况下作出正确判断。特别是在工业自动化领域，机器人需要传感器提供必要的资讯，以正确执行相关的复杂的操作。根据市场预测，到2021年，全球工业机器人传感器市场将以约8%的复合年成长率(CAGR)稳步成长。对于包括消费者和汽车在内的机器人感测应用，另一份报告明确指出，到2027年，视觉系统将单独成就57亿美元的市场，力传感器市场将超过69亿美元。工业机器人正开始应用大量传感器以确保在工业自动化过程实现良好的控制与操作，例如协作机器人整合了力矩传感器和摄影机，除了提供更好的视角，也保证工作区域的安全等。此外，工业机器人还整合了哪些传感器？

智慧工厂的要角——工业机器人

    机器人自动化是一项快速进步的技术，在短短几十年的时间里，工业机器人已经在全世界范围内变成工厂里普通的装置。工业机器人是自动执行工作的机器装置，它既可以接受人的指挥、执行预先编排的程式，也可以根据以人工智慧(AI)技术定义的指令行动。此外，它还可以克服恶劣环境对生产的影响，减少人工的使用，保障工人的安全，同时帮助工厂节约生产成本，提高生产效率，从而保证产品品质。

    工业机器人是多自由度的机器装置，能自动执行工作，按照自身动力和控制能力来实现各种功能，由机械、感测与控制等三大部分组成，这三大部分又分成六个子系统。分别为：

    驱动系统：为每个关节即每个运动自由度安置传动装置，使机器人运动起来。机械结构系统：由机身、手臂、末端操作器三大件组成。每一大件都有若干自由度，构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。末端操作器是直接装在手腕上的一个重要部件，可以是两手指或多手指的手爪，也可以是喷漆枪、焊枪等。感测系统：获取内部和外部环境状态中有意义的资讯，提高了机器人的机动性、适应性和智慧化水准。机器人-环境互动系统：实现机器人与外部环境中的设备相互联系和协调的系统。

    人机互动系统：人与机器人进行联系和参与机器人控制的装置。

    控制系统：根据机器人的作业指令程式以及从传感器反馈回来的讯号，支配机器人的执行机构去完成规定的动作和功能。

工业机器人常用的传感器

    工业机器人最常用到的传感器包括二维视觉传感器、三维视觉传感器、力/力矩传感器以及碰撞检测传感器。

    二维视觉传感器：二维视觉是一个可以执行从检测运动物体到传输带上零件定位等多种任务的摄影机。许多智慧相机都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资讯适当调整其动作。

    三维视觉传感器：三维视觉系统必须拥有两个不同角度的摄影机或雷射扫描器，用以检测物件的第三维度。例如，零件取放便是利用三维视觉技术检测物体并创建三维影像，分析并选择最好的拾取方式。

    力/力矩传感器：如果说视觉传感器给了机器人眼睛，那么力/力矩传感器则给机器人带来触觉。机器人利用力/力矩传感器感知末端执行器的力度。多数情况下，力/力矩传感器位于机器人和夹具之间，这样，所有回馈到夹具上的力都在机器人的监控之中。有了力/力矩传感器，装配、人工引导、示教、力度限制等应用才得以实现。碰撞检测传感器：这种传感器有各种不同的形式，其主要应用是为作业人员提供一个安全的工作环境，协作机器人最需要它们。

    有些传感器可以是某种触觉辨识系统，透过柔软的表面感知压力，给机器人发送讯号，限制或停止机器人的运动。有些传感器则直接内建于机器人中。有些公司利用加速度计回馈，还有些则使用电流回馈。在这两种情况下，当机器人感知到异常的力度时，便触发紧急停止，从而确保安全。

    要想让工业机器人与人进行协作，首先要找出可以保证作业人员安全的方法。这些传感器有各种形式，从摄影机到雷射等，目的是告诉机器人周围的状况。有些安全系统可以设置成当有人出现在特定的区域/空间时，机器人会自动减速运行，如果人员继续靠近，机器人则会停止工作。最简单的例子是电梯门上的雷射安全传感器。当雷射检测到障碍物时，电梯门会立即停止并退回，以避免碰撞。

适于不同的应用的其他传感器

    市场上还有很多传感器适用于不同的应用。例如焊缝追踪传感器，以及触觉传感器也越来越受欢迎。这类传感器一般安装在抓手上，用来检测和感觉抓取的物体是什么。传感器通常能够检测力度并得出力度分布的情况，从而知道物件的确切位置，让你可以控制抓取的位置和末端执行器的抓取力度。另外还有一些触觉传感器可以检测热量的变化。视觉和近接传感器类似于自动驾驶车所需的传感器，包括摄影机、红外线、声纳、超音波、雷达和光达。某些情况下可以使用多个摄影机，尤其是立体视觉。将这些传感器组合起来使用，机器人便可以确定尺寸，辨识物体，并确定其距离。

射频辨识(RFID)感测可以提供辨识码并允许得到授权的机器人获取其他资讯。

    麦克风(声学传感器)协助工业机器人接收语音命令并辨识熟悉环境中的异常声音。如果加上压电传感器，还可以辨识并消除振动引起的杂讯，避免机器人错误理解语音命令。先进的演算法甚至可以让机器人了解说话者的情绪。

    温度感测是机器人自我诊断的一部分，可用于确定其周遭的环境，避免潜在的有害热源。此外，利用化学、光学和颜色传感器，机器人能够评估、调整和检测其环境中存在的问题。对于可以走路、跑步甚至跳舞的人形机器人，稳定性是一个主要问题。它们需要与智慧型手机相同类型的传感器，以便提供机器人的准确位置资料。在这些应用采用了具有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)。

避障传感器瞄准行动机器人

    行动机器人需要透过传感器即时撷取周围的障碍物资讯，包括尺寸、形状和位置资讯，来实现避障。避障使用的传感器有很多种，目前常见的有视觉传感器、雷射传感器、红外传感器、超音波传感器等。

超音波传感器

    超音波传感器的基本原理是测量超音波的飞行时间，透过d=vt/2测量距离，其中d是距离，v是音速，t是飞行时间。

    上图是超音波传感器讯号的一个示意。透过压电或静电变送器产生一个频率在几十kHz的超音波脉冲组成封包，系统检测高于某阈值的反向声波，然后使用测量到的飞行时间计算距离。超音波传感器一般作用距离较短，普通的有效探测距离几公尺，但是会有一个几十毫米(mm)左右的最小探测盲区。由于超音波传感器成本低、实现方法简单、技术成熟，是行动机器人中常用的传感器。

红外传感器

    一般的红外测距都是采用三角测距的原理。红外发射器按照一定角度发射红外光束，遇到物体之后，光会反向回来，检测到反射光之后，透过结构上的几何三角关系，就可以计算出物体距离D。

    当D的距离足够近的时候，上图中L值会相当大，如果超过CCD的探测范围，虽然物体很近，传感器反而看不到了。当物体距离D很大时，L值就会很小，测量精度会变差。因此，常见的红外传感器的测量距离都比较近，小于超音波，同时远距离测量也有最小距离的限制。此外，对于透明的或者近似黑体的物体，红外传感器是无法检测距离的。但相对于超音波来说，红外线传感器具有更高的频宽。

雷射传感器

    常见的雷射雷达是基于飞行时间的(ToF)，透过测量雷射的飞行时间来测距d=ct/2，类似前面提到的超声测距公式，其中d是距离，c是光速，t是从发射到接收的时间间隔。

    比较简单的方案是测量反射光的相移，传感器以已知的频率发射一定幅度的调制光，并测量发射和反向讯号之间的相移，如上图。

    调变讯号的波长为lamda=c/f，其中c是光速，f是调制频率，测量到发射和反射光束之间的相移差theta之后，距离可由lamda * theta/4pi计算得到，如上图。

视觉传感器

    常用的电脑视觉方案也有很多种， 比如双目视觉，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射出的光会产生相对随机但又固定的斑点图样，光斑打在物体上，因为与摄影机距离不同，被摄影机捕捉到的位置也不相同。先计算斑点与标定的标准图案在不同位置的偏移，利用摄影机位置、传感器大小等参数就可以计算出物体与摄影机的距离。

    双目视觉的测距本质上也是三角测距法，由于两个摄影机的位置不同，就像人的两只眼睛一样，看到的物体也不一样。两个摄影机看到的同一个点P，在成像的时候会有不同的画素位置，此时透过三角测距就可以测出这个点的距离。

    在「工业4.0」时代，强调自动化与资讯化相互融合，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准。

随着工业产品复杂程度和精度的要求不断提高，机器人的应用场所和需求也越来越复杂和严苛，机器人的运算平台已经从传统的PC平台、嵌入式平台扩展到智慧型手机、平板电脑等行动装置，机器人配备的传感器从简单的光电开关、触碰开关发展到触觉、声觉、视觉等高阶传感器，机器人伺服系统与控制系统之间的通讯方式也由原来的「脉冲+方向」通讯线缆，发展到通讯更高效、通讯资料量更大的各种现场汇流排。

机器人控制系统正朝着开放化的方向转变，工业物联网、大数据分析以及虚拟化等技术的发展，也使机器人更好地融入制造业应用。