近年來，借助物聯(lián)網(wǎng)的東風(fēng)，越來越多的機(jī)器人出現(xiàn)我們的生活和生產(chǎn)中，隨著柔性化的生產(chǎn)需求，如果想運(yùn)作機(jī)器人就必須要有傳感器，這樣它才具備了類似人類的知覺功能和反應(yīng)能力。
在工業(yè)自動化領(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，到2021年，全球工業(yè)機(jī)器人傳感器市場將以約8%的復(fù)合年增長率(CAGR)穩(wěn)步增長。對于包括消費(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，視覺系統(tǒng)將單獨(dú)成就57億美元的市場，力傳感器市場將超過69億美元。
傳感器的種類有很多，比如視覺傳感器、位置傳感器等。那么這些傳感器在機(jī)器人身上是如何應(yīng)用的呢?看完下文你就明白了。
下面列出了工業(yè)機(jī)器人中最常用到的傳感器
二維視覺傳感器
二維視覺是一個(gè)可以執(zhí)行從檢測運(yùn)動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)整其動作。
三維視覺傳感器
三維視覺系統(tǒng)必須擁有兩個(gè)不同角度的攝像機(jī)或激光掃描器，用以檢測對象的第三維度。例如，零件取放便是利用三維視覺技術(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。
力/力矩傳感器
如果說視覺傳感器給了機(jī)器人眼睛，那么力/力矩傳感器則給機(jī)器人帶去了觸覺。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)。
碰撞檢測傳感器
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識別系統(tǒng)，通過柔軟的表面感知壓力，給機(jī)器人發(fā)送信號，限制或停止機(jī)器人的運(yùn)動。
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)器人會自動減速運(yùn)行，如果人員繼續(xù)靠近，機(jī)器人則會停止工作。最簡單的例子是電梯門上的激光安全傳感器。當(dāng)激光檢測到障礙物時(shí)，電梯門會立即停止并退回，以避免碰撞。
其它傳感器
市場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。
觸覺傳感器也越來越受歡迎。這類傳感器一般安裝在抓手上，用來檢測和感覺抓取的物體是什么。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(zhí)行器的抓取力度。另外還有一些觸覺傳感器可以檢測熱量的變化。
視覺和接近傳感器類似于自動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。將這些傳感器組合起來使用，機(jī)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(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引起的噪聲，避免機(jī)器人錯(cuò)誤理解語音命令。先進(jìn)的算法甚至可以讓機(jī)器人了解說話者的情緒。
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)器人能夠評估、調(diào)整和檢測其環(huán)境中存在的問題。
對于可以走路、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)傳感器或慣性測量單元(IMU)。
傳感器是實(shí)現(xiàn)軟件智能的關(guān)鍵組件，沒有傳感器，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)行的過程中得到良好的控制。
AGV機(jī)器人避障主要用到哪些傳感器?
移動機(jī)器人需要通過傳感器實(shí)時(shí)獲取周圍的障礙物信息，包括尺寸、形狀和位置信息，來實(shí)現(xiàn)避障。避障使用的傳感器有很多種，目前常見的有視覺傳感器、激光傳感器、紅外傳感器、超聲波傳感器等。
超聲波傳感器
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)檢測高于某閾值的反向聲波，然后使用測量到的飛行時(shí)間計(jì)算距離。超聲波傳感器一般作用距離較短，普通的有效探測距離幾米，但是會有一個(gè)幾十毫米左右的最小探測盲區(qū)。由于超聲傳感器成本低、實(shí)現(xiàn)方法簡單、技術(shù)成熟，是移動機(jī)器人中常用的傳感器。
紅外傳感器
一般的紅外測距都是采用三角測距的原理。紅外發(fā)射器按照一定角度發(fā)射紅外光束，遇到物體之后，光會反向回來，檢測到反射光之后，通過結(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值會相當(dāng)大，如果超過CCD的探測范圍，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值就會很小，測量精度會變差。因此，常見的紅外傳感器的測量距離都比較近，小于超聲波，同時(shí)遠(yuǎn)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，紅外傳感器是無法檢測距離的。但相對于超聲來說，紅外傳感器具有更高的帶寬。
激光傳感器
常見的激光雷達(dá)是基于飛行時(shí)間的(ToF，time of flight)，通過測量激光的飛行時(shí)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(fā)射到接收的時(shí)間間隔。
比較簡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(diào)制光，并測量發(fā)射和反向信號之間的相移，如上圖。
調(diào)制信號的波長為lamda=c/f，其中c是光速，f是調(diào)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(jì)算得到，如上圖。
視覺傳感器
常用的計(jì)算機(jī)視覺方案也有很多種， 比如雙目視覺，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)射出的光會生成相對隨機(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)候會有不同的像素位置，此時(shí)通過三角測距就可以測出這個(gè)點(diǎn)的距離。
傳感器在智能機(jī)器人身上是如何細(xì)分的?
外傳感器
以往一般機(jī)器人是沒有外部感覺能力的，而新一代機(jī)器人如多關(guān)節(jié)機(jī)器人，特別是移動機(jī)器人、智能機(jī)器人則要求具有校正能力和反應(yīng)環(huán)境變化的能力，外傳感器就是實(shí)現(xiàn)這些能力的。
內(nèi)傳感器
機(jī)器介機(jī)電一體化的產(chǎn)品，內(nèi)傳感器和電機(jī)、軸等機(jī)械部件或機(jī)械結(jié)構(gòu)如手臂(Arm)、手腕(Wrist)等安裝在一起，完成位置、速度、力度的測量，實(shí)現(xiàn)伺服控制。
位置(位移)傳感器
直線移動傳感器有電位計(jì)式傳感器和可調(diào)變壓器兩種。角位移傳感器有電位計(jì)式、可調(diào)變壓器(旋轉(zhuǎn)變壓器)及光電編碼器三種，其中光電編碼器有增量式編碼器和絕對式編碼器。增量式編碼器一般用于零位不確定的位置伺服控制，絕對式編碼器能夠得到對應(yīng)于編碼器初始鎖定位置的驅(qū)動軸瞬時(shí)角度值，當(dāng)設(shè)備受到壓力時(shí)，只要讀出每個(gè)關(guān)節(jié)編碼器的讀數(shù)，就能夠?qū)λ欧刂频慕o定值進(jìn)行調(diào)整，以防止機(jī)器人啟動時(shí)產(chǎn)生過劇烈的運(yùn)動。
速度和加速度傳感器
速度傳感器有測量平移和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動速度兩種，但大多數(shù)情況下，只限于測量旋轉(zhuǎn)速度。利用位移的導(dǎo)數(shù)，特別是光電方法讓光照射旋轉(zhuǎn)圓盤，檢測出旋轉(zhuǎn)頻率和脈沖數(shù)目，以求出旋轉(zhuǎn)角度，及利用圓盤制成有縫隙，通過二個(gè)光電二極管辨別出角速度，即轉(zhuǎn)速，這就是光電脈沖式轉(zhuǎn)速傳感器。此外還有測速發(fā)電機(jī)用于測速等。
應(yīng)變儀即伸縮測量儀，也是一種應(yīng)力傳感器，用于加速度測量。加速度傳感器用于測量工業(yè)機(jī)器人的動態(tài)控制信號。一般有由速度測量進(jìn)行推演、已知質(zhì)量物體加速度所產(chǎn)生動力，即應(yīng)用應(yīng)變儀測量此力進(jìn)行推演，還有就是下面所說的方法：
與被測加速度有關(guān)的力可由一個(gè)已知質(zhì)量產(chǎn)生。這種力可以為電磁力或電動力，最終簡化為對電流的測量，這就是伺服返回傳感器，實(shí)際又能有多種振動式加速度傳感器。
力覺傳感器
力覺傳感器用于測量兩物體之間作用力的三個(gè)分量和力矩的三個(gè)分量。機(jī)器人中理想的傳感器是粘接在依從部件的半導(dǎo)體應(yīng)力計(jì)。具體有金屬電阻型力覺傳感器、半導(dǎo)體型力覺傳感器、其它磁性壓力式和利用弦振動原理制作的力覺傳感器。
(石墨烯材料)
還有轉(zhuǎn)矩傳感器(如用光電傳感器測量轉(zhuǎn)矩)、腕力傳感器(如國際斯坦福研究所的由6個(gè)小型差動變壓器組成，能測量作用于腕部X、Y和Z三個(gè)方向的動力及各軸動轉(zhuǎn)矩)等。
由于機(jī)器人發(fā)展歷史較長，近年來普遍采用以交流永磁電動機(jī)為主的交流伺服系統(tǒng)，對應(yīng)位置、速度等傳感器大量應(yīng)用的是：各種類型的光電編碼器、磁編碼器和旋轉(zhuǎn)變壓器，新的材料也給了傳感器非常多的嘗試空間。
觸覺傳感器
微型開關(guān)是接觸傳感器最常用型式，另有隔離式雙態(tài)接觸傳感器(即雙穩(wěn)態(tài)開關(guān)半導(dǎo)體電路)、單模擬量傳感器、矩陣傳感器(壓電元件的矩陣傳感器、人工皮膚——變電導(dǎo)聚合物、光反射觸覺傳感器等)。
應(yīng)力傳感器
如多關(guān)節(jié)機(jī)器人進(jìn)行動作時(shí)需要知道實(shí)際存在的接觸、接觸點(diǎn)的位置(定位)、接觸的特性即估計(jì)受到的力(表征)這三個(gè)條件，所以用上節(jié)已指出的應(yīng)變儀，結(jié)合具體應(yīng)力檢測的基本假設(shè)，如求出工作臺面與物體間的作用力，具體有對環(huán)境裝設(shè)傳感器、對機(jī)器人腕部裝設(shè)測試儀器用傳動裝置作為傳感器等方法。
接近度傳感器
由于機(jī)器人的運(yùn)動速度提高及對物體裝卸可能引起損壞等原因需要知道物體在機(jī)器人工作場地內(nèi)存在位置的先驗(yàn)信息以及適當(dāng)?shù)能壽E規(guī)劃，所以有必要應(yīng)用測量接近度的遙感方法。接近傳感器分為無源傳感器和有源傳感器，所以除自然信號源外，還可能需要人工信號的發(fā)送器和接收器。
超聲波接近度傳感器用于檢測物體的存在和測量距離。它不能用于測量小于30~50cm的距離，而測距范圍較大，它可用在移動機(jī)器人上，也可用于大型機(jī)器人的夾手上。還可做成超聲導(dǎo)航系統(tǒng)。
紅外線接近度傳感器，其體積很小，只有幾立方厘米大，因此可以安裝在機(jī)器人夾手上。
聲覺傳感器
用于感受和解釋在氣體(非接觸感受)、液體或固體(接觸感受)中的聲波。聲波傳感器復(fù)雜程度可以從簡單的聲波存在檢測到復(fù)雜的聲波頻率分析，直到對連續(xù)自然語言中單獨(dú)語音和詞匯的辨別。
（轉(zhuǎn)載）
