傳感器專(zhuān)家網(wǎng)2022-03-20 18:50
工業(yè)機(jī)器人
在人口紅利消失和機(jī)器人制造門(mén)檻下降的背景下，機(jī)器人和智能設(shè)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(dāng)前缺乏工作的時(shí)代加速了自動(dòng)化進(jìn)程，工業(yè)機(jī)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(jī)器人示意圖|圖源于網(wǎng)絡(luò)>
工業(yè)機(jī)器人，即面向工業(yè)領(lǐng)域的機(jī)器人，是廣泛用于工業(yè)領(lǐng)域的多關(guān)節(jié)機(jī)械手或多自由度的機(jī)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(xiàn)各種工業(yè)加工制造功能。工業(yè)機(jī)器人被廣泛應(yīng)用于電子、物流、化工等各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域之中，所以機(jī)器人產(chǎn)業(yè)已成為發(fā)達(dá)國(guó)家工業(yè)化的重要標(biāo)志。
而工業(yè)機(jī)器人從傳感器獲取的外界信息，可以幫助工業(yè)機(jī)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(diào)節(jié)動(dòng)作，完成指定的任務(wù)。在本文跟大家一起總結(jié)和探討下各種工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用的傳感器。
工業(yè)機(jī)器人常用傳感器
各種傳感器相當(dāng)于工業(yè)機(jī)器人的手、眼、耳和鼻，有助于識(shí)別自身的運(yùn)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(yīng)的指令，使機(jī)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(shí)別、多機(jī)聯(lián)合等領(lǐng)域應(yīng)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(duì)特定任務(wù)有用的信息。
<工業(yè)機(jī)器人視覺(jué)系統(tǒng)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(jī)，比如RGB攝像機(jī)、多光譜攝像機(jī)和深度攝像機(jī)。攝像機(jī)中的光敏元件通常是CCD或者CMOS，都是利用光電效應(yīng)原理，將光信息轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，繼而轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。不同類(lèi)型的攝像機(jī)有不同的原理，可以提供不同的信息。
<工業(yè)機(jī)器人視覺(jué)傳感器示意圖|圖源于網(wǎng)絡(luò)>
RGB 相機(jī)是人們?nèi)粘Ｉ钪惺褂米疃嗟囊环N相機(jī)，其原理是通過(guò)紅、綠、藍(lán) 3 種顏色及其組合來(lái)獲取各種可見(jiàn)顏色。多光譜相機(jī)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(zhǎng)，因此可以獲得一些 RGB 相機(jī)無(wú)法提供的信息。深度相機(jī)則將距離信息加入到了二維圖像中，實(shí)現(xiàn)了立體成像。
<工業(yè)機(jī)器人專(zhuān)用相機(jī)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(shù)據(jù)處理是復(fù)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(jī)器人也需要觸覺(jué)來(lái)對(duì)環(huán)境進(jìn)行感知。因此，觸覺(jué)傳感器就成為了工業(yè)機(jī)器人智能化的必備元件，它使工業(yè)機(jī)器人具備了靠觸覺(jué)來(lái)感知的能力。
<工業(yè)機(jī)器人觸覺(jué)傳感器示意圖|圖源于網(wǎng)絡(luò)>
根據(jù)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(yīng)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(yīng)好，測(cè)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(yīng)原理，即施加外力時(shí)會(huì)產(chǎn)生自身電阻的變化。它測(cè)量范圍大，魯棒性好，但是遲滯效應(yīng)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(cè)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(cè)光的參數(shù)變化間接感知外界的接觸信息。優(yōu)點(diǎn)是抗干擾能力強(qiáng)，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(yīng)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(guó)，已連續(xù)幾年成為世界第一大機(jī)器人應(yīng)用市場(chǎng)，不但高端機(jī)器人仍依賴(lài)于進(jìn)口。其中，觸覺(jué)傳感器是工業(yè)機(jī)器人核心部件，其對(duì)于產(chǎn)品精確、穩(wěn)定的嚴(yán)苛要求，阻擋了我國(guó)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(nèi)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(jì)，因?yàn)槠湓趩紊?、方向性和亮度方面都有出色的性能，因此被廣泛應(yīng)用于各種場(chǎng)合。
激光傳感器主要由測(cè)量電路、激光器和光電探測(cè)器等組成。激光器分為四類(lèi)：固體、液體、氣體和半導(dǎo)體。激光傳感器主要用于對(duì)距離、速度和振動(dòng)等物理參數(shù)的測(cè)量上。常見(jiàn)的有激光測(cè)距儀、激光位移傳感器、激光掃描儀、激光跟蹤器等。
<機(jī)器人激光測(cè)l量?jī)x示意圖|圖源于網(wǎng)絡(luò)>
激光測(cè)距的基本原理主要包括三種：飛行時(shí)間（TOF）、三角測(cè)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(cè)距儀中，由于光速太高，測(cè)距精度取決于飛行時(shí)間的測(cè)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(shù)來(lái)計(jì)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(xiàn)短距離測(cè)量的。兩束相位不同的光束疊加后形成明暗條紋的現(xiàn)象被稱(chēng)為光的干涉。此原理被用于激光跟蹤器中，可以測(cè)量裝有反射鏡的目標(biāo)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(cè)量，測(cè)量速度和精度都令人滿意。但是，激光波長(zhǎng)容易受溫度、大氣壓力和空氣濕度變化的影響。當(dāng)上述參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，需要進(jìn)行補(bǔ)償才能達(dá)到更高精度測(cè)量。
編碼器
編碼器將角位移或角速度轉(zhuǎn)換為電脈沖或數(shù)字量。
編碼器根據(jù)檢測(cè)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(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)。根據(jù)碼盤(pán)的校準(zhǔn)方式，光電編碼器分為增量式和絕對(duì)式。增量式光電編碼器的輸出是一系列方波脈沖。旋轉(zhuǎn)角度可以通過(guò)記錄脈沖的數(shù)量計(jì)算出來(lái)。但是需要一個(gè)參考位置作為轉(zhuǎn)軸的零點(diǎn)絕對(duì)位置。
<工業(yè)機(jī)器人編碼器工作示意圖|圖源于網(wǎng)絡(luò)>
絕對(duì)式光電編碼器軸上的每個(gè)位置都對(duì)應(yīng)有唯一的二進(jìn)制數(shù)字量，因此可以直接得到絕對(duì)位置。編碼器因其結(jié)構(gòu)緊湊、使用壽命長(zhǎng)、使用方便、技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。編碼器的分辨率取決于圓中編碼盤(pán)上刻線的數(shù)量。更多的線能夠識(shí)別較小的角度，從而產(chǎn)生更高的分辨率，當(dāng)然成本也會(huì)更高。
工業(yè)機(jī)器人其他傳感器
除上述 4 種傳感器外，工業(yè)機(jī)器人中還部署了一些傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)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(cè)到物體是否接近，并輸出相應(yīng)的開(kāi)關(guān)信號(hào)。根據(jù)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(cè)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(yīng)式接近傳感器是基于電磁感應(yīng)原理。它們的傳感元件是檢測(cè)線圈，當(dāng)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(cè)器件組成。當(dāng)物體接近時(shí)，光電二極管發(fā)出的光被反射到光電探測(cè)器件上，通過(guò)檢測(cè)電路產(chǎn)生相應(yīng)輸出信號(hào)。
<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(jì)、陀螺儀和磁強(qiáng)計(jì)。慣性傳感器被廣泛用于測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，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(cè)量單元（IMU）。慣性傳感器的測(cè)量原理是航位推算（DR）。利用積分的方法來(lái)計(jì)算物體的運(yùn)動(dòng)量。慣性傳感器的精度在短時(shí)間內(nèi)是令人滿意的，但是長(zhǎng)時(shí)間漂移誤差較大。
<加速度計(jì)原理示意圖|圖源于網(wǎng)絡(luò)>
扭矩傳感器主要用于測(cè)量施加在機(jī)械軸上的扭矩。常見(jiàn)的類(lèi)型有感應(yīng)式和電阻應(yīng)變式。其結(jié)構(gòu)通常由扭力桿和線圈、電阻應(yīng)變片等檢測(cè)元件組成。通過(guò)檢測(cè)元件參數(shù)的變化，將扭矩引起的扭桿扭轉(zhuǎn)變形轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，實(shí)現(xiàn)扭矩測(cè)量。
聲波傳感器能夠把聲波轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。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(duì)電壓進(jìn)行后續(xù)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(cè)磁場(chǎng)強(qiáng)度，其原理是霍爾效應(yīng)?；魻栃?yīng)是指當(dāng)電流流過(guò)導(dǎo)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(dǎo)體表面產(chǎn)生電位差的現(xiàn)象。
<工業(yè)機(jī)器人示意圖|圖源于網(wǎng)絡(luò)>
超聲波傳感器常用于探測(cè)障礙物。根據(jù)從發(fā)射超聲波到探測(cè)回波的時(shí)間來(lái)估計(jì)物體的范圍。
總 結(jié)
<工業(yè)機(jī)器人示意圖|圖源于網(wǎng)絡(luò)>
工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展將有助于實(shí)現(xiàn)更加靈活、精確和個(gè)性化的工業(yè)制造。然而，工業(yè)機(jī)器人發(fā)展中的一個(gè)重要挑戰(zhàn)是開(kāi)發(fā)性能更好的傳感器，以改善其對(duì)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(duì)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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