基于工業(yè)4.0背景下傳感器技術(shù)在工業(yè)機(jī)器人中的應(yīng)用

(遼寧裝備制造職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遼寧 沈陽 110161)

0 引言

當(dāng)今世界經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，制造業(yè)水平不斷提高，德國的工業(yè)4.0戰(zhàn)略則提出了更高的要求。在該戰(zhàn)略中提到的智慧生產(chǎn)則是基于工業(yè)機(jī)器人來完成，這就對工業(yè)機(jī)器人的需求和要求都有了更高的標(biāo)準(zhǔn)。而在工業(yè)機(jī)器人中傳感器技術(shù)的應(yīng)用則直接決定了工業(yè)機(jī)器人的先進(jìn)程度，本文將對工業(yè)4.0背景下的工業(yè)機(jī)器人中傳感器技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行探討。

1 工業(yè)4.0的戰(zhàn)略內(nèi)涵

工業(yè)革命開始于18世紀(jì)60年代，經(jīng)歷了工業(yè)1.0(機(jī)械化時代)、工業(yè)2.0(電氣化時代，人類開始進(jìn)入電氣時代，并在信息革命、資訊革命中達(dá)到頂峰)、工業(yè)3.0(20世紀(jì)后半期，電子計算機(jī)技術(shù)應(yīng)用、空間技術(shù)快速發(fā)展和原子能的廣泛應(yīng)用，人類進(jìn)入信息時代)的發(fā)展。隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，新的產(chǎn)業(yè)革命又將來臨，為了提升競爭力，德國政府于2013年在提出了工業(yè)4.0的發(fā)展戰(zhàn)略。

工業(yè)4.0戰(zhàn)略的提出實際上是開始了第四次工業(yè)革命，這次的工業(yè)革命區(qū)別于之前的3次，它的實質(zhì)是以智能制造為主。這次的工業(yè)革命主要是采用通訊技術(shù)和空間虛擬系統(tǒng)相結(jié)合的方式，使制造業(yè)從信息化時代進(jìn)入智能化時代。工業(yè)4.0項目包含了3個方面，分別是智能工廠、智能生產(chǎn)以及智能物流。

2 工業(yè)4.0中的重要環(huán)節(jié)之一是工業(yè)機(jī)器人的使用

2.1 工業(yè)4.0中工業(yè)機(jī)器人的重要作用

將信息化與自動化融合起來應(yīng)用是“工業(yè)4.0”實施的關(guān)鍵。作為重要參與者，工業(yè)機(jī)器人在自動化制造過程中的作用毋庸置疑，機(jī)器人技術(shù)水平的高低直接影響著裝備制造的水平高低。目前很多工業(yè)機(jī)器人逐漸代替人工操作，隨著生產(chǎn)機(jī)器人采用數(shù)字化技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以及采用高精密電阻器生產(chǎn)智能電路，使得機(jī)器人操作越來越靈活。從目前來看，制造過程中工業(yè)機(jī)器人的作用不言而喻，機(jī)器人的身影遍布各個領(lǐng)域。經(jīng)濟(jì)的發(fā)展要求制造企業(yè)轉(zhuǎn)型升級，工業(yè)機(jī)器人的廣泛應(yīng)用則是轉(zhuǎn)型升級的突破點。據(jù)統(tǒng)計，自2013年以來，中國的工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用已在世界的市場份額占比最大，制造領(lǐng)域的工業(yè)機(jī)器人使用數(shù)量大幅增加。近年來，工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)與工業(yè)4.0戰(zhàn)略的深度結(jié)合已成為我國“十三五”戰(zhàn)略的重要組成部分，這使我國的工業(yè)機(jī)器人得到了飛速的進(jìn)展。面對要求更高的裝備制造和不斷升級的自動化工廠，工業(yè)機(jī)器人作為自動化設(shè)備在工業(yè)4.0中的地位不言而喻。

2.2 工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展趨勢

由于在工業(yè)生產(chǎn)過程中對加工的復(fù)雜性和精度有了越來越高的要求，所以對機(jī)器人和應(yīng)用程序的要求也在逐漸提高。以前機(jī)器人的計算平臺大多為傳統(tǒng)的PC平臺或嵌入式平臺，現(xiàn)在已經(jīng)逐漸發(fā)展到智能手機(jī)、平板電腦和其他移動設(shè)備。機(jī)器人所配備傳感器也由原來的結(jié)構(gòu)型、固態(tài)型發(fā)展到高端智能型。機(jī)器人技術(shù)采用現(xiàn)場總線通信做為主要的通信方式。

工業(yè)機(jī)器人未來如何發(fā)展，美國權(quán)威的機(jī)器人產(chǎn)業(yè)協(xié)會做了如下的預(yù)測。

1)智能傳感器可以在機(jī)器人生產(chǎn)的前沿利用工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行信息的采集，來獲得以前生產(chǎn)商無法得到的數(shù)據(jù)。

2)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)安全尤為重要。由于機(jī)器人使用規(guī)模越來越大，它們都需要連接到內(nèi)部系統(tǒng)，這樣就增加了網(wǎng)絡(luò)安全的風(fēng)險。所以要求機(jī)器人生產(chǎn)商要對網(wǎng)絡(luò)安全加大投入，這樣才能夠保證生產(chǎn)的安全。

3)大數(shù)據(jù)分析成為競爭優(yōu)勢。機(jī)器人會是工廠里的主要信息來源，生產(chǎn)廠家應(yīng)該對采集的信息數(shù)據(jù)進(jìn)行組織和分析，以采取有效的行動來增強(qiáng)他們的競爭優(yōu)勢。

4)將實現(xiàn)一個開放的自動化體系結(jié)構(gòu)。開放式自動化體系結(jié)構(gòu)的需求增加是由于機(jī)器人自動化的應(yīng)用越來越廣泛。大型企業(yè)與機(jī)器人行業(yè)機(jī)構(gòu)開展合作，形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，這樣有助于機(jī)器人的集成，使機(jī)器人的兼容性更好。

5)為了更好地發(fā)揮工業(yè)機(jī)器人的作用，在未來會加入虛擬解決方案。

6)協(xié)作機(jī)器人會應(yīng)用更廣泛。協(xié)作機(jī)器人不但能安全地與人類一起工作，而且往往比工業(yè)機(jī)器人便宜，能力更強(qiáng)，所以制造商會采用更多的協(xié)作機(jī)器人。

3 傳感器技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展

3.1 傳感器技術(shù)與工業(yè)機(jī)器人

互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、智能化都需要大量的信息，這些信息的產(chǎn)生都來自儀器儀表或各種傳感器。沒有測量和測試，智能制造是不可能的。我國智能制造設(shè)備的發(fā)展方向主要包括以新型傳感器技術(shù)為代表的九項智能基礎(chǔ)通用技術(shù)，以及8項核心智能測控裝置與部件中應(yīng)用的新型傳感器及其系統(tǒng)。因此可以看出，傳感器技術(shù)非常重要，而其他技術(shù)領(lǐng)域也離不開相關(guān)數(shù)據(jù)的檢測和測試，測試的準(zhǔn)確度、可靠度、實時度是保證智能制造發(fā)展的關(guān)鍵。而得到準(zhǔn)確的信息都要靠傳感器來進(jìn)行檢測，因此傳感器技術(shù)的進(jìn)步必將成為工業(yè)4.0中的重中之重。

工業(yè)機(jī)器人需要傳感器提供機(jī)器人自身狀態(tài)、操作對象和工作環(huán)境的準(zhǔn)確認(rèn)知，來執(zhí)行正確地操作。機(jī)器人通過內(nèi)部傳感器(位置、位移、速度、加速度)來獲取自身狀態(tài)的信息，然后為機(jī)器人控制單元反饋信息，進(jìn)行下一步的操作。對于外部情況和多操作目標(biāo)的信息獲取要靠外部傳感器來完成。

3.2 工業(yè)機(jī)器人中的傳感器技術(shù)

1)二維視覺傳感器。二維視覺傳感器是一個攝像頭，完成檢測移動物體、定位傳送帶上的部件等各種任務(wù)。機(jī)器人根據(jù)檢測到的零件位置來調(diào)整自身的動作進(jìn)行生產(chǎn)操作。

2)三維視覺傳感器。三維視覺系統(tǒng)一般有兩個攝像頭或不同角度的激光掃描儀來探測物體的三維空間。

3)力/力矩傳感器。機(jī)器人的觸覺依靠力/力矩傳感器來完成檢測。主要是用來感知末端執(zhí)行器的力度的大小，從而來調(diào)整操作的位置、力度等相關(guān)內(nèi)容，實現(xiàn)生產(chǎn)線的操作。在大部分情況下，由于力/力矩傳感器是處于機(jī)器人和夾具之間，所以機(jī)器人可以檢測監(jiān)控到反饋到夾具上面的力。

4)碰撞測量傳感器。碰撞測量傳感器在機(jī)器人應(yīng)用中起到保護(hù)安全的作用，它的形式比較多樣。通過檢測相關(guān)的環(huán)境信號，可以保證為操作員提供一個安全的工作環(huán)境，在此基礎(chǔ)上，機(jī)器人才能開展工作，而可靠性是協(xié)作機(jī)器人所必備的。

3.3 傳感器技術(shù)的發(fā)展趨勢

傳感器技術(shù)從產(chǎn)生到廣泛應(yīng)用基本歷經(jīng)了三個時段。第一個時期為結(jié)構(gòu)傳感器發(fā)展和使用，結(jié)構(gòu)傳感器利用傳感器自身結(jié)構(gòu)參數(shù)在測量時發(fā)生改變來感知和轉(zhuǎn)換信號。第二個時期是固態(tài)傳感器的發(fā)展和使用，這個時期的傳感器采用特殊材料制成，通過測量時材料的特性發(fā)生變化來代表獲取的信息不同。第三個時期就是現(xiàn)在，智能傳感器正在得到大力的發(fā)展。

傳感器技術(shù)的一個重要發(fā)展方向是發(fā)展智能化傳感器。智能傳感器的核心部件是微處理器，與傳統(tǒng)傳感器相比，可以實現(xiàn)信息采集、處理和交換的功能。

1)自補(bǔ)償與自診斷功能。傳統(tǒng)傳感器存在溫度漂移和輸出非線性的缺點，還需要定期檢查和定期校準(zhǔn)，這些都對測量的準(zhǔn)確性有一定的影響。而智能傳感器通過軟件計算，自動補(bǔ)償由溫漂和非線性以及環(huán)境因素引起的信號失真，提高傳感器的測試精度，達(dá)到最好的測量結(jié)果。更加先進(jìn)的是，智能傳感器還具有自我診斷的功能。

2)信息存儲與記憶功能。與傳統(tǒng)的傳感器相比，智能傳感器具備一定的存儲空間，用來存儲相關(guān)的參數(shù)、信號和程序。這樣的話自動控制系統(tǒng)控制器就不需存儲上述內(nèi)容，剩余的存儲空間可以存儲其他信息，這樣就提高了控制器自身的性能。

3)數(shù)字輸出功能。傳統(tǒng)的傳感器大多是模擬輸入和輸出，輸出的信號必須經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換才能進(jìn)行數(shù)字處理。目前，在工業(yè)控制系統(tǒng)中大多采用數(shù)字控制。智能傳感器則正好符合了控制系統(tǒng)的要求，它采用模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換電路，直接輸出數(shù)字信號，不需再進(jìn)行轉(zhuǎn)換，控制器的信號處理壓力得到了緩解。

隨著技術(shù)的進(jìn)步，智能傳感器的發(fā)展呈現(xiàn)出以下幾個趨勢。

1)微型化。智能傳感器的一個最主要的發(fā)展走向是微型化。微傳感器的主要特點是體積小、所占的空間不大，生產(chǎn)制造的成本較低，能夠節(jié)省開支，但使用時的可靠性還比較高。一個微傳感器通常會包括中央處理器、微傳感器敏感元件、數(shù)字信號接口以及儲存部件，可以實現(xiàn)自動的補(bǔ)償和校準(zhǔn)。大小已進(jìn)入毫米到微米級。半導(dǎo)體加工技術(shù)的引入為傳感器的生產(chǎn)制造帶來了變化，在這基礎(chǔ)之上實現(xiàn)了傳感器的規(guī)?；a(chǎn)，是實現(xiàn)智能傳感器的微型化發(fā)展的重要技術(shù)支持。

2)多傳感器數(shù)據(jù)融合。使用多個傳感器同時進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的采集，再利用處理器對采集到的信息進(jìn)行分析、判斷，得到檢測對象的真實數(shù)據(jù)。與僅僅用單傳感器來進(jìn)行數(shù)據(jù)檢測相比，可以看到非常明顯的優(yōu)勢。

3)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。單獨的微智能傳感器存在覆蓋的范圍小的局限性，所以在實際的應(yīng)用中常常用數(shù)千萬個微傳感器一起來共同工作，形成網(wǎng)絡(luò)化，構(gòu)成智能傳感器的網(wǎng)絡(luò)，這樣在生產(chǎn)制造中發(fā)揮最大的效用。

4 結(jié)語

現(xiàn)代化智能生產(chǎn)和智能制造，沒有傳感技術(shù)便無從談起。大數(shù)據(jù)時代 的智聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)和終端設(shè)備都需要大量的數(shù)據(jù)信息，這些數(shù)據(jù)信息都來自服務(wù)器和傳感器。根據(jù)我國智能裝備發(fā)展規(guī)劃，重點是新型傳感技術(shù)、嵌入式控制系統(tǒng)設(shè)計等。核心智能測控裝置與部件是新型傳感器及其系統(tǒng)、智能控制系統(tǒng)等。國家智能制造的戰(zhàn)略布局上需要傳感器和傳感技術(shù)的快速發(fā)展，這也將成為我國工業(yè)4.0發(fā)展進(jìn)程中的關(guān)鍵內(nèi)容，在一定程度上決定著工業(yè)4.0革命的進(jìn)程。