在工業物聯網(Industrial IoT)、擴增實境(AR)、雲端運算等技術熱潮下,全球製造企業紛紛開始建設智慧工廠,以實現自動化、資訊化和智慧化的工業製造。其中,工業機器人將成為這一智慧製造轉型的重要組成部分。

感測器是實現工業機器人的核心技術之一,讓機器人能夠和人類一樣選擇路徑、感知環境變化以及在複雜的情況下作出正確判斷。特別是在工業自動化領域,機器人需要感測器提供必要的資訊,以正確執行相關的複雜的操作。

根據市場預測,到2021年,全球工業機器人感測器市場將以約8%的複合年成長率(CAGR)穩步成長。對於包括消費者和汽車在內的機器人感測應用,另一份報告明確指出,到2027年,視覺系統將單獨成就57億美元的市場,力感測器市場將超過69億美元。

工業機器人正開始應用大量感測器以確保在工業自動化過程實現良好的控制與操作,例如協作機器人整合了力矩感測器和攝影機,除了提供更好的視角,也保證工作區域的安全等。此外,工業機器人還整合了哪些感測器?

智慧工廠的要角——工業機器人

機器人自動化是一項快速進步的技術,在短短幾十年的時間裡,工業機器人已經在全世界範圍內變成工廠裡普通的裝置。

工業機器人是自動執行工作的機器裝置,它既可以接受人的指揮、執行預先編排的程式,也可以根據以人工智慧(AI)技術定義的指令行動。此外,它還可以克服惡劣環境對生產的影響,減少人工的使用,保障工人的安全,同時幫助工廠節約生產成本,提高生產效率,從而保證產品品質。

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工業機器人是多自由度的機器裝置,能自動執行工作,按照自身動力和控制能力來實現各種功能,由機械、感測與控制等三大部分組成,這三大部分又分成六個子系統。分別為:

驅動系統:為每個關節即每個運動自由度安置傳動裝置,使機器人運動起來。
機械結構系統:由機身、手臂、末端操作器三大件組成。每一大件都有若干自由度,構成一個多自由度的機械系統。手臂一般由上臂、下臂和手腕組成。末端操作器是直接裝在手腕上的一個重要部件,可以是兩手指或多手指的手爪,也可以是噴漆槍、焊槍等。
感測系統:獲取內部和外部環境狀態中有意義的資訊,提高了機器人的機動性、適應性和智慧化水準。
機器人-環境互動系統:實現機器人與外部環境中的設備相互聯繫和協調的系統。
人機互動系統:人與機器人進行聯繫和參與機器人控制的裝置。
控制系統:根據機器人的作業指令程式以及從感測器反饋回來的訊號,支配機器人的執行機構去完成規定的動作和功能。

工業機器人常用的感測器

工業機器人最常用到的感測器包括二維視覺感測器、三維視覺感測器、力/力矩感測器以及碰撞檢測感測器。

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二維視覺感測器:二維視覺是一個可以執行從檢測運動物體到傳輸帶上零件定位等多種任務的攝影機。許多智慧相機都可以檢測零件並協助機器人確定零件的位置,機器人可以根據接收到的資訊適當調整其動作。

三維視覺感測器:三維視覺系統必須擁有兩個不同角度的攝影機或雷射掃描器,用以檢測物件的第三維度。例如,零件取放便是利用三維視覺技術檢測物體並創建三維影像,分析並選擇最好的拾取方式。

力/力矩感測器:如果說視覺感測器給了機器人眼睛,那麼力/力矩感測器則給機器人帶來觸覺。機器人利用力/力矩感測器感知末端執行器的力度。多數情況下,力/力矩感測器位於機器人和夾具之間,這樣,所有回饋到夾具上的力都在機器人的監控之中。有了力/力矩感測器,裝配、人工引導、示教、力度限制等應用才得以實現。

碰撞檢測感測器:這種感測器有各種不同的形式,其主要應用是為作業人員提供一個安全的工作環境,協作機器人最需要它們。

有些感測器可以是某種觸覺辨識系統,透過柔軟的表面感知壓力,給機器人發送訊號,限制或停止機器人的運動。有些感測器則直接內建於機器人中。有些公司利用加速度計回饋,還有些則使用電流回饋。在這兩種情況下,當機器人感知到異常的力度時,便觸發緊急停止,從而確保安全。

要想讓工業機器人與人進行協作,首先要找出可以保證作業人員安全的方法。這些感測器有各種形式,從攝影機到雷射等,目的是告訴機器人周圍的狀況。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,機器人會自動減速運行,如果人員繼續靠近,機器人則會停止工作。

最簡單的例子是電梯門上的雷射安全感測器。當雷射檢測到障礙物時,電梯門會立即停止並退回,以避免碰撞。

適於不同的應用的其他感測器

市場上還有很多感測器適用於不同的應用。例如焊縫追蹤感測器,以及觸覺感測器也越來越受歡迎。這類感測器一般安裝在抓手上,用來檢測和感覺抓取的物體是什麼。感測器通常能夠檢測力度並得出力度分佈的情況,從而知道物件的確切位置,讓你可以控制抓取的位置和末端執行器的抓取力度。另外還有一些觸覺感測器可以檢測熱量的變化。

視覺和近接感測器類似於自動駕駛車所需的感測器,包括攝影機、紅外線、聲納、超音波、雷達和光達。某些情況下可以使用多個攝影機,尤其是立體視覺。將這些感測器組合起來使用,機器人便可以確定尺寸,辨識物體,並確定其距離。

射頻辨識(RFID)感測可以提供辨識碼並允許得到授權的機器人獲取其他資訊。

麥克風(聲學感測器)協助工業機器人接收語音命令並辨識熟悉環境中的異常聲音。如果加上壓電感測器,還可以辨識並消除振動引起的雜訊,避免機器人錯誤理解語音命令。先進的演算法甚至可以讓機器人瞭解說話者的情緒。

溫度感測是機器人自我診斷的一部分,可用於確定其周遭的環境,避免潛在的有害熱源。此外,利用化學、光學和顏色感測器,機器人能夠評估、調整和檢測其環境中存在的問題。

對於可以走路、跑步甚至跳舞的人形機器人,穩定性是一個主要問題。它們需要與智慧型手機相同類型的感測器,以便提供機器人的準確位置資料。在這些應用採用了具有3軸加速度計、3軸陀螺儀和3軸磁力計的9自由度(9DOF)感測器或慣性測量單元(IMU)。

避障感測器瞄準行動機器人

行動機器人需要透過感測器即時擷取周圍的障礙物資訊,包括尺寸、形狀和位置資訊,來實現避障。避障使用的感測器有很多種,目前常見的有視覺感測器、雷射感測器、紅外感測器、超音波感測器等。

超音波感測器

超音波感測器的基本原理是測量超音波的飛行時間,透過d=vt/2測量距離,其中d是距離,v是音速,t是飛行時間。

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上圖是超音波感測器訊號的一個示意。透過壓電或靜電變送器產生一個頻率在幾十kHz的超音波脈衝組成封包,系統檢測高於某閾值的反向聲波,然後使用測量到的飛行時間計算距離。超音波感測器一般作用距離較短,普通的有效探測距離幾公尺,但是會有一個幾十毫米(mm)左右的最小探測盲區。由於超音波感測器成本低、實現方法簡單、技術成熟,是行動機器人中常用的感測器。

紅外感測器

一般的紅外測距都是採用三角測距的原理。紅外發射器按照一定角度發射紅外光束,遇到物體之後,光會反向回來,檢測到反射光之後,透過結構上的幾何三角關係,就可以計算出物體距離D。

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當D的距離足夠近的時候,上圖中L值會相當大,如果超過CCD的探測範圍,雖然物體很近,感測器反而看不到了。當物體距離D很大時,L值就會很小,測量精度會變差。因此,常見的紅外感測器的測量距離都比較近,小於超音波,同時遠距離測量也有最小距離的限制。此外,對於透明的或者近似黑體的物體,紅外感測器是無法檢測距離的。但相對於超音波來說,紅外線感測器具有更高的頻寬。

雷射感測器

常見的雷射雷達是基於飛行時間的(ToF),透過測量雷射的飛行時間來測距d=ct/2,類似前面提到的超聲測距公式,其中d是距離,c是光速,t是從發射到接收的時間間隔。

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比較簡單的方案是測量反射光的相移,感測器以已知的頻率發射一定幅度的調製光,並測量發射和反向訊號之間的相移,如上圖。

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調變訊號的波長為lamda=c/f,其中c是光速,f是調製頻率,測量到發射和反射光束之間的相移差theta之後,距離可由lamda * theta/4pi計算得到,如上圖。

視覺感測器

常用的電腦視覺方案也有很多種, 比如雙目視覺,基於ToF的深度相機,基於結構光的深度相機等。

基於結構光的深度相機發射出的光會產生相對隨機但又固定的斑點圖樣,光斑打在物體上,因為與攝影機距離不同,被攝影機捕捉到的位置也不相同。先計算斑點與標定的標準圖案在不同位置的偏移,利用攝影機位置、感測器大小等參數就可以計算出物體與攝影機的距離。

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雙目視覺的測距本質上也是三角測距法,由於兩個攝影機的位置不同,就像人的兩隻眼睛一樣,看到的物體也不一樣。兩個攝影機看到的同一個點P,在成像的時候會有不同的畫素位置,此時透過三角測距就可以測出這個點的距離。

結語

在「工業4.0」時代,強調自動化與資訊化相互融合,工業機器人作為自動化製造過程的重要參與者,直接影響著工業製造自動化水準。

隨著工業產品複雜程度和精度的要求不斷提高,機器人的應用場所和需求也越來越複雜和嚴苛,機器人的運算平台已經從傳統的PC平台、嵌入式平台擴展到智慧型手機、平板電腦等行動裝置,機器人配備的感測器從簡單的光電開關、觸碰開關發展到觸覺、聲覺、視覺等高階感測器,機器人伺服系統與控制系統之間的通訊方式也由原來的「脈衝+方向」通訊線纜,發展到通訊更高效、通訊資料量更大的各種現場匯流排。

機器人控制系統正朝著開放化的方向轉變,工業物聯網、大數據分析以及虛擬化等技術的發展,也使機器人更好地融入製造業應用。