盤點(diǎn)|用于工業(yè)機(jī)器人中的各類傳感器，你都知道幾種？

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在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，機(jī)器人需要傳感器提供必要的信息，以正確執(zhí)行相關(guān)的操作。一份報(bào)告預(yù)測(cè)，到2021年，全球工業(yè)機(jī)器人傳感器市場(chǎng)將以約8％的復(fù)合年增長(zhǎng)率（CAGR）穩(wěn)步增長(zhǎng)。對(duì)于包括消費(fèi)者和汽車在內(nèi)的機(jī)器人傳感應(yīng)用，另一份報(bào)告明確指出，到2027年，視覺(jué)系統(tǒng)將單獨(dú)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(jī)器人中最常用到的傳感器。

二維視覺(jué)是一個(gè)可以執(zhí)行從檢測(cè)運(yùn)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(jī)都可以檢測(cè)零件并協(xié)助機(jī)器人確定零件的位置，機(jī)器人可以根據(jù)接收到的信息適當(dāng)調(diào)整其動(dòng)作。

三維視覺(jué)系統(tǒng)必須擁有兩個(gè)不同角度的攝像機(jī)或激光掃描器，用以檢測(cè)對(duì)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(cè)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(jī)器人眼睛，那么力/力矩傳感器則給機(jī)器人帶去了觸覺(jué)。機(jī)器人利用力/力矩傳感器感知末端執(zhí)行器的力度。多數(shù)情況下，力/力矩傳感器位于機(jī)器人和夾具之間，這樣，所有反饋到夾具上的力都在機(jī)器人的監(jiān)控之中。有了力/力矩傳感器，裝配、人工引導(dǎo)、示教、力度限制等應(yīng)用才得以實(shí)現(xiàn)。

這種傳感器有各種不同的形式，其主要應(yīng)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(jī)器人最需要它們。一些傳感器可以是某種觸覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)，通過(guò)柔軟的表面感知壓力，給機(jī)器人發(fā)送信號(hào)，限制或停止機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。

一些傳感器還可以直接內(nèi)置在機(jī)器人中。有些公司利用加速度計(jì)反饋，還有些則使用電流反饋。在這兩種情況下，當(dāng)機(jī)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(jī)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(jī)器人周圍的狀況。有些安全系統(tǒng)可以設(shè)置成當(dāng)有人出現(xiàn)在特定的區(qū)域/空間時(shí)，機(jī)器人會(huì)自動(dòng)減速運(yùn)行，如果人員繼續(xù)靠近，機(jī)器人則會(huì)停止工作。最簡(jiǎn)單的例子是電梯門上的激光安全傳感器。當(dāng)激光檢測(cè)到障礙物時(shí)，電梯門會(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(yīng)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。這類傳感器一般安裝在抓手上，用來(lái)檢測(cè)和感覺(jué)抓取的物體是什么。傳感器通常能夠檢測(cè)力度并得出力度分布的情況，從而知道對(duì)象的確切位置，讓你可以控制抓取的位置和末端執(zhí)行器的抓取力度。另外還有一些觸覺(jué)傳感器可以檢測(cè)熱量的變化。

視覺(jué)和接近傳感器類似于自動(dòng)駕駛車輛所需的傳感器，包括攝像頭、紅外線、聲納、超聲波、雷達(dá)和激光雷達(dá)。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(jī)器人便可以確定尺寸，識(shí)別物體，并確定其距離。

射頻識(shí)別（RFID）傳感可以提供識(shí)別碼并允許得到許可的機(jī)器人獲取其他信息。

麥克風(fēng)（聲學(xué)傳感器）幫助工業(yè)機(jī)器人接收語(yǔ)音命令并識(shí)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(shí)別并消除振動(dòng)引起的噪聲，避免機(jī)器人錯(cuò)誤理解語(yǔ)音命令。先進(jìn)的算法甚至可以讓機(jī)器人了解說(shuō)話者的情緒。

溫度傳感是機(jī)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(jī)器人能夠評(píng)估、調(diào)整和檢測(cè)其環(huán)境中存在的問(wèn)題。

對(duì)于可以走路、跑步甚至跳舞的人形機(jī)器人，穩(wěn)定性是一個(gè)主要問(wèn)題。它們需要與智能手機(jī)相同類型的傳感器，以便提供機(jī)器人的準(zhǔn)確位置數(shù)據(jù)。在這些應(yīng)用采用了具有3軸加速度計(jì)、3軸陀螺儀和3軸磁力計(jì)的9自由度（9DOF）傳感器或慣性測(cè)量單元（IMU）。

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

移動(dòng)機(jī)器人需要通過(guò)傳感器實(shí)時(shí)獲取周圍的障礙物信息，包括尺寸、形狀和位置信息，來(lái)實(shí)現(xiàn)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(cè)量超聲波的飛行時(shí)間，通過(guò)d=vt/2測(cè)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(hào)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(tǒng)檢測(cè)高于某閾值的反向聲波，然后使用測(cè)量到的飛行時(shí)間計(jì)算距離。超聲波傳感器一般作用距離較短，普通的有效探測(cè)距離幾米，但是會(huì)有一個(gè)幾十毫米左右的最小探測(cè)盲區(qū)。由于超聲傳感器成本低、實(shí)現(xiàn)方法簡(jiǎn)單、技術(shù)成熟，是移動(dòng)機(jī)器人中常用的傳感器。

一般的紅外測(cè)距都是采用三角測(cè)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(cè)到反射光之后，通過(guò)結(jié)構(gòu)上的幾何三角關(guān)系，就可以計(jì)算出物體距離D。

當(dāng)D的距離足夠近的時(shí)候，上圖中L值會(huì)相當(dāng)大，如果超過(guò)CCD的探測(cè)范圍，雖然物體很近，傳感器反而看不到了。當(dāng)物體距離D很大時(shí)，L值就會(huì)很小，測(cè)量精度會(huì)變差。因此，常見(jiàn)的紅外傳感器的測(cè)量距離都比較近，小于超聲波，同時(shí)遠(yuǎn)距離測(cè)量也有最小距離的限制。另外，對(duì)于透明的或者近似黑體的物體，紅外傳感器是無(wú)法檢測(cè)距離的。但相對(duì)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(dá)是基于飛行時(shí)間的（ToF，time of flight），通過(guò)測(cè)量激光的飛行時(shí)間來(lái)測(cè)距d=ct/2，類似前面提到的超聲測(cè)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(cè)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(diào)制光，并測(cè)量發(fā)射和反向信號(hào)之間的相移，如上圖。

調(diào)制信號(hào)的波長(zhǎng)為lamda=c/f，其中c是光速，f是調(diào)制頻率，測(cè)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(jì)算得到，如上圖。

常用的計(jì)算機(jī)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(jī)，基于結(jié)構(gòu)光的深度相機(jī)等。

基于結(jié)構(gòu)光的深度相機(jī)發(fā)射出的光會(huì)生成相對(duì)隨機(jī)但又固定的斑點(diǎn)圖樣，光斑打在物體上，因?yàn)榕c攝像頭距離不同，被攝像頭捕捉到的位置也不相同。先計(jì)算斑點(diǎn)與標(biāo)定的標(biāo)準(zhǔn)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(shù)就可以計(jì)算出物體與攝像頭的距離。

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