盤(pán)點(diǎn)|用于工業(yè)機器人中的各類(lèi)傳感器，你都知道幾種？

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在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，機器人需要傳感器提供必要的信息，以正確執行相關(guān)的操作。一份報告預測，到2021年，全球工業(yè)機器人傳感器市場(chǎng)將以約8％的復合年增長(cháng)率（CAGR）穩步增長(cháng)。對于包括消費者和汽車(chē)在內的機器人傳感應用，另一份報告明確指出，到2027年，視覺(jué)系統將單獨成就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)機器人中最常用到的傳感器。

二維視覺(jué)是一個(gè)可以執行從檢測運動(dòng)物體到傳輸帶上的零件定位等多種任務(wù)的攝像頭。許多智能相機都可以檢測零件并協(xié)助機器人確定零件的位置，機器人可以根據接收到的信息適當調整其動(dòng)作。

三維視覺(jué)系統必須擁有兩個(gè)不同角度的攝像機或激光掃描器，用以檢測對象的第三維度。例如，零件取放便是利用三維視覺(jué)技術(shù)檢測物體并創(chuàng )建三維圖像，分析并選擇最好的拾取方式。

如果說(shuō)視覺(jué)傳感器給了機器人眼睛，那么力/力矩傳感器則給機器人帶去了觸覺(jué)。機器人利用力/力矩傳感器感知末端執行器的力度。多數情況下，力/力矩傳感器位于機器人和夾具之間，這樣，所有反饋到夾具上的力都在機器人的監控之中。有了力/力矩傳感器，裝配、人工引導、示教、力度限制等應用才得以實(shí)現。

這種傳感器有各種不同的形式，其主要應用是為作業(yè)人員提供一個(gè)安全的工作環(huán)境，協(xié)作機器人最需要它們。一些傳感器可以是某種觸覺(jué)識別系統，通過(guò)柔軟的表面感知壓力，給機器人發(fā)送信號，限制或停止機器人的運動(dòng)。

一些傳感器還可以直接內置在機器人中。有些公司利用加速度計反饋，還有些則使用電流反饋。在這兩種情況下，當機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，目的是告訴機器人周?chē)臓顩r。有些安全系統可以設置成當有人出現在特定的區域/空間時(shí)，機器人會(huì )自動(dòng)減速運行，如果人員繼續靠近，機器人則會(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。當激光檢測到障礙物時(shí)，電梯門(mén)會(huì )立即停止并退回，以避免碰撞。

市場(chǎng)上還有很多的傳感器適用于不同的應用。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)檢測和感覺(jué)抓取的物體是什么。傳感器通常能夠檢測力度并得出力度分布的情況，從而知道對象的確切位置，讓你可以控制抓取的位置和末端執行器的抓取力度。另外還有一些觸覺(jué)傳感器可以檢測熱量的變化。

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、雷達和激光雷達。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，機器人便可以確定尺寸，識別物體，并確定其距離。

射頻識別（RFID）傳感可以提供識別碼并允許得到許可的機器人獲取其他信息。

麥克風(fēng)（聲學(xué)傳感器）幫助工業(yè)機器人接收語(yǔ)音命令并識別熟悉環(huán)境中的異常聲音。如果加上壓電傳感器，還可以識別并消除振動(dòng)引起的噪聲，避免機器人錯誤理解語(yǔ)音命令。先進(jìn)的算法甚至可以讓機器人了解說(shuō)話(huà)者的情緒。

溫度傳感是機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，機器人能夠評估、調整和檢測其環(huán)境中存在的問(wèn)題。

對于可以走路、跑步甚至跳舞的人形機器人，穩定性是一個(gè)主要問(wèn)題。它們需要與智能手機相同類(lèi)型的傳感器，以便提供機器人的準確位置數據。在這些應用采用了具有3軸加速度計、3軸陀螺儀和3軸磁力計的9自由度（9DOF）傳感器或慣性測量單元（IMU）。

傳感器是實(shí)現軟件智能的關(guān)鍵組件，沒(méi)有傳感器，很多復雜的操作就不能實(shí)現。它們不僅實(shí)現了復雜的操作，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)機器人避障主要用到哪些傳感器？

移動(dòng)機器人需要通過(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。

超聲波傳感器的基本原理是測量超聲波的飛行時(shí)間，通過(guò)d=vt/2測量距離，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，系統檢測高于某閾值的反向聲波，然后使用測量到的飛行時(shí)間計算距離。超聲波傳感器一般作用距離較短，普通的有效探測距離幾米，但是會(huì )有一個(gè)幾十毫米左右的最小探測盲區。由于超聲傳感器成本低、實(shí)現方法簡(jiǎn)單、技術(shù)成熟，是移動(dòng)機器人中常用的傳感器。

一般的紅外測距都是采用三角測距的原理。紅外****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)，檢測到反射光之后，通過(guò)結構上的幾何三角關(guān)系，就可以計算出物體距離D。

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

常見(jiàn)的激光雷達是基于飛行時(shí)間的（ToF，time of flight），通過(guò)測量激光的飛行時(shí)間來(lái)測距d=ct/2，類(lèi)似前面提到的超聲測距公式，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)射一定幅度的調制光，并測量發(fā)射和反向信號之間的相移，如上圖。

調制信號的波長(cháng)為lamda=c/f，其中c是光速，f是調制頻率，測量到發(fā)射和反射光束之間的相移差theta之后，距離可由lamda*theta/4pi計算得到，如上圖。

常用的計算機視覺(jué)方案也有很多種， 比如雙目視覺(jué)，基于TOF的深度相機，基于結構光的深度相機等。

基于結構光的深度相機發(fā)射出的光會(huì )生成相對隨機但又固定的斑點(diǎn)圖樣，光斑打在物體上，因為與攝像頭距離不同，被攝像頭捕捉到的位置也不相同。先計算斑點(diǎn)與標定的標準圖案在不同位置的偏移，利用攝像頭位置、傳感器大小等參數就可以計算出物體與攝像頭的距離。

雙目視覺(jué)的測距本質(zhì)上也是三角測距法，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)三角測距就可以測出這個(gè)點(diǎn)的距離。