导语：⼯业机器⼈涉及到的传感器有哪些？
2012年，美国提出“⼯业互联⽹”，2013年，德国提出“⼯业4.0”，2015年，中国提出“中国制造2025”。在⼯业物联⽹、AR、云计算等技术热潮下，全球众多优秀制造企业都开始建设智慧⼯⼚，实现⾃动化、信息化和智能化的智慧⼯⼚是未来⼯业制造的发展趋势。那么，什么样的⼯⼚才能称做智慧⼯⼚？作为智慧⼯⼚重要组成部分的⼯业机器⼈采⽤了哪些技术？
智慧⼯⼚的标配
毛远建提到智慧⼯⼚，⼈们⾸先想到的是⾃动化、智能化、⼯业机器⼈、⼯业物联⽹等概念，那么，⼀个智慧⼯⼚的标准配置有哪些？
控制器是智慧⼯⼚的⼤脑，由程序计数器、指令寄存器、指令译码器、时序产⽣器和操作控制器组成，它是发布命令的“决策机构”，完成协调和指挥整个计算机系统的操作。智慧⼯⼚中常⽤的控制器有PLC、⼯控机等。 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，⼜可以运⾏预先编排的程序，也可以根据以⼈⼯智能技术制定的指令⾏动。
伺服电机是指在伺服系统中控制机械元件运转的发动机，是⾃动化⼯⼚提供动⼒的肌⾁。伺服电机转⼦转速受输⼊信号控制，在⾃动控制系统中⽤作执⾏元件，可把所收到的电信号转换成电动机轴上的⾓位移或⾓速度输出。
传感器为智慧⼯⼚提供触觉，是实现⾃动检测和⾃动控制的⾸要环节。它能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息按⼀定规律变换成电信号或其他形式的信息输出。在⾃动化⽣产过程中需要⽤各种传感器来监视和控制各个参数，使设备⼯作在正常状态或最佳状态，并使产品达到最好的质量。 变频器是智慧⼯⼚的交换器，由整流（交流变直流）、滤波、逆变（直流变交流）、制动单元、驱动单元和检测单元微处理单元组成。它应⽤变频技术与微电⼦技术，通过改变电机⼯作电源频率的⽅式来控制交流电动机。
电磁阀是⽤电磁控制的⼯业设备，可以配合不同的电路来实现预期的控制。它属于执⾏器，是智慧⼯⼚的开关。
⼯业相机是智慧⼯⼚的眼睛，是机器视觉系统关键组件。⼯业相机⼀般安装在机器流⽔线上代替⼈眼来做测量和判断，通过数字图像摄取⽬标转换成图像信号，传送给专⽤的图像处理系统。图像系统对这些信号进⾏各种运算，抽取⽬标特征，并根据判别的结果来控制现场的设备动作。
银监会2013年8号文仪器仪表是智慧⼯⼚的调节系统，⽤来检出、测量、观察并计算各种物理量、物质成分和参数等。⽐如测量压⼒、液位、流量、温度等⼀些控制过程所需要的参数值，就需要相关的仪器仪表。
⾃动化软件是智慧⼯⼚的⼼脏。例如，SCADA数据采集与监控系统可以在⽆⼈看管的情况下，对⽣产过程进⾏调度和⾃动化控制。控制柜是智慧⼯⼚的中枢系统。智慧⼯⼚涉及电⽓、变频、电源、⽔泵等控制柜，可实现不同的控制功能。
下⾯将详细剖析智慧⼯⼚的重要组件——⼯业机器⼈。
⼯业机器⼈涉及哪些技术？
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。⼯业机器⼈不仅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，还能够帮助⼯⼚节约⽣产成本，提⾼⽣产效率，从⽽保证产品质量。
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，由机械部分、传感部分、控制部分等三⼤部分组成，这三⼤部分⼜分成六个⼦系统。分别为：
分、控制部分等三⼤部分组成，这三⼤部分⼜分成六个⼦系统。分别为：
（1）驱动系统：给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。
（2）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、焊等。
f检验法（3）传感系统：获取内部和外部环境状态中有意义的信息，提⾼了机器⼈的机动性、适应性和智能化⽔准。
（4）机器⼈-环境交互系统：实现机器⼈与外部环境中的设备相互联系和协调的系统。
（5）⼈机交互系统：⼈与机器⼈进⾏联系和参与机器⼈控制的装置。
（6）控制系统：根据机器⼈的作业指令程序以及从传感器反馈回来的信号，⽀配机器⼈的执⾏机构去完成规定的运动和功能。
⼯业机器⼈中常⽤到的传感器
在⼯业⾃动化领域，机器⼈需要传感器提供必要的信息，以正确执⾏相关的操作。⼀份报告预测，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，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。
下⾯列出了⼯业机器⼈中最常⽤到的传感器。
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的零件定位等多种任务的摄像头。许多智能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信息适当调整其动作。
三维视觉传感器
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三维视觉系统必须拥有两个不同⾓度的摄像机或激光扫描器，⽤以检测对象的第三维度。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图像，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去了触觉。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，所有反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。⼀些传感器可以是某种触觉识别系统，通过柔软的表⾯感知压⼒，给机器⼈发送信号，限制或停⽌机器⼈的运动。
⼀些传感器还可以直接内置在机器⼈中。有些公司利⽤加速度计反馈，还有些则使⽤电流反馈。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，从摄像头到激光等，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退回，以避免碰撞。
其它传感器
市场上还有很多的传感器适⽤于不同的应⽤。例如焊缝追踪传感器等。
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，从⽽知道对象的确切位置，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。
视觉和接近传感器类似于⾃动驾驶车辆所需的传感器，包括摄像头、红外线、声纳、超声波、雷达和激光雷达。某些情况下可以使⽤多个摄像头，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，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得到许可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。如果加上压电传感器，还可以识别并消除振动引起的噪声，避免机器⼈错误理解语⾳命令。先进的算法甚⾄可以让机器⼈了解说话者的情绪。
温度传感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。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。它们需要与智能⼿机相同类型的传感器，以便提供机器⼈的准确位置数据。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）。
传感器是实现软件智能的关键组件，没有传感器，很多复杂的操作就不能实现。它们不仅实现了复杂的操作，同时也保证这些操作在进⾏的过程中得到良好的控制。
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⼯业机器⼈避障主要⽤到哪些传感器？
移动机器⼈需要通过传感器实时获取周围的障碍物信息，包括尺⼨、形状和位置信息，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、激光传感器、红外传感器、超声波传感器等。
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测量距离，其中d是距离，v是声速，t是飞⾏时间。
上图是超声波传感器信号的⼀个⽰意。通过压电或静电变送器产⽣⼀个频率在⼏⼗kHz的超声波脉冲组成波包，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。超声波传感器⼀般作⽤距离较短，普通的有效探测距离⼏⽶，但是会有⼀个⼏⼗毫⽶左右的最⼩探测盲区。由于超声传感器成本低、实现⽅法简单、技术成熟，是移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，通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，⼩于超声波，同时远距离测量也有最⼩距离的限制。另外，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。但相对于超声来说，红外传感器具有更⾼的带宽。
激光传感器
常见的激光雷达是基于飞⾏时间的（ToF，time of flight），通过测量激光的飞⾏时间来测距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，并测量发射和反向信号之间的相移，如上图。
调制信号的波长为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
常⽤的计算机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⽣成相对随机但⼜固定的斑点图样，光斑打在物体上，因为与摄像头距离不同，被摄像头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，利⽤摄像头位置、传感器⼤⼩等参数就可以计算出物体与摄像头的距离。
双⽬视觉的测距本质上也是三⾓测距法，由于两个摄像头的位置不同，就像⼈的两只眼睛⼀样，看到的物体也不⼀样。两个摄像头看到的同⼀个点P，在成像的时候会有不同的像素位置，此时通过三⾓测距就可以测出这个点的距离。
在⼯业4.0时代⼯业机器⼈的发展趋势
美国机器⼈产业协会（RIA）预测了⼯业机器⼈的六⼤发展趋势。
（1）⼯业物联⽹(IIoT) 技术的应⽤：机器⼈会在⽣产的最前沿应⽤智能传感器，采集制造商以前⽆法获得的数据。
（2）优先考虑⼯业⽹络安全：机器⼈与内部系统的联⽹越来越多，⽹络安全的风险不断增加。制造商必须解决⽣产⼯艺中的缺陷，并在⽹络安全⽅⾯加⼤投资，确保安全、可靠的⽣产。
（3）⼤数据分析成为竞争优势：机器⼈将成为⼯⼚车间的主要信息来源之⼀。制造商必须实施系统来组织和分析采集到的所有数据，以便采取有效的⾏动，提升企业的竞争优势。
（4）实施开放式的⾃动化架构：随着机器⼈⾃动化应⽤越来越⼴泛，对开放式⾃动化架构的需求相应增加。⼤型的⾏业参与者将与⾏业机构⼀起制定标准和开放式⽂档，机器⼈集成更加容易，兼容性会变得更好。
（5）虚拟解决⽅案增加：虚拟解决⽅案会成为⼯业机器⼈的⼀个主要部分。
（6）协作机器⼈将更受欢迎：协作机器⼈可以在⼈类⾝边安全地⼯作，⽽且通常⽐⼯业机器⼈便宜得多。随着协作机器⼈在严苛的⼯业环境中变得更有能⼒，对投资回报率有严格要求的制造商会更多地采⽤协作机器⼈。
热辐射结语
“⼯业4.0”强调⾃动化与信息化相互融合，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平。随着⼯业产品⼯艺复杂程度和精度的要求不断提⾼，机器⼈的应⽤场所和应⽤需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、嵌⼊式平台扩展到智能⼿机、平板电脑等移动设备，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、视觉等⾼端传感器，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+⽅向”的通信线缆，发展到通信更⾼效、通信数据量更⼤的各种现场总线。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。
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