工業(yè)機(jī)器人傳感器技術(shù)綜述

邢國芬

（天津石油職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津 301607）

當(dāng)今世界各國都在大力發(fā)展工業(yè)4.0，以促進(jìn)制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級。其目標(biāo)是借助物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)字信息技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)制造過程的智能化、柔性化和個(gè)性化，其中發(fā)展、利用工業(yè)機(jī)器人是重要方向。近年，工業(yè)機(jī)器人代替人力進(jìn)行很多重復(fù)性和復(fù)雜性高的工作，促進(jìn)了工業(yè)的進(jìn)步，也減輕了工人繁重的重復(fù)勞動。近年來，新興技術(shù)如新型傳感器、新的信息技術(shù)紛紛得到突破，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)也突飛猛進(jìn)。現(xiàn)代化的工業(yè)機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)多種功能，比如復(fù)雜的焊接、材料運(yùn)輸、裝配、機(jī)械加工等制造環(huán)節(jié)。工業(yè)機(jī)器人從傳感器獲取的外界信息，可以幫助工業(yè)機(jī)器人判斷自身狀態(tài)和外界環(huán)境，進(jìn)而幫助其控制和調(diào)節(jié)動作，完成指定的任務(wù)。本文回顧了近年來的文獻(xiàn)，對各種傳感器進(jìn)行總結(jié)。

1 工業(yè)機(jī)器人常用傳感器

各種傳感器相當(dāng)于工業(yè)機(jī)器人的手、眼、耳和鼻，有助于識別自身的運(yùn)動狀態(tài)和環(huán)境狀況。在這些信息的幫助下，控制器可以發(fā)出相應(yīng)的指令，使機(jī)器人完成所需的動作。如下為各種傳感器介紹（表1）。

表1 傳感器的簡要概述

1.1 視覺傳感器

視覺傳感技術(shù)近年來發(fā)展較快。目前在三維重建、人臉識別、多機(jī)聯(lián)合等領(lǐng)域應(yīng)用已經(jīng)非常成熟。視覺傳感器采集的圖像由處理器進(jìn)行處理，提取出對特定任務(wù)有用的信息。

視覺傳感器主要包括各種攝像機(jī)，比如RGB攝像機(jī)、多光譜攝像機(jī)和深度攝像機(jī)。攝像機(jī)中的光敏元件通常是CCD或者CMOS，都是利用光電效應(yīng)原理，將光信息轉(zhuǎn)換成電信號，繼而轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。不同類型的攝像機(jī)有不同的原理，可以提供不同的信息。RGB相機(jī)是人們?nèi)粘Ｉ钪惺褂米疃嗟囊环N相機(jī)，其原理是通過紅、綠、藍(lán)3種顏色及其組合來獲取各種可見顏色。多光譜相機(jī)能夠獲取不同波段的圖像，包括可見光和不可見光波長，因此可以獲得一些RGB相機(jī)無法提供的信息。深度相機(jī)則將距離信息加入到了二維圖像中，實(shí)現(xiàn)了立體成像。

視覺傳感器因其成本低、信息豐富、使用方便等優(yōu)點(diǎn)而廣受歡迎。然而，視覺傳感器的數(shù)據(jù)處理是復(fù)雜和耗時(shí)的。雖然許多研究者提出了幾種算法，但其適用性和靈活性還不是很令人滿意。

1.2 觸覺傳感器

觸覺傳感器和人類通過觸覺感知一樣，工業(yè)機(jī)器人也需要觸覺來對環(huán)境進(jìn)行感知。因此，觸覺傳感器就成為了工業(yè)機(jī)器人智能化的必備元件，它使工業(yè)機(jī)器人具備了靠觸覺來感知的能力。

根據(jù)原理不同，觸覺傳感器主要有4種方式。壓電式、壓阻式、電容式和光學(xué)原理式。壓電觸覺傳感器是基于壓電效應(yīng)原理，即在外界力的作用下，壓電材料表面因形變會產(chǎn)生電壓。它的頻率響應(yīng)好，測量范圍大，但分辨率不是很理想。壓阻式觸覺傳感器基于壓阻效應(yīng)原理，即施加外力時(shí)會產(chǎn)生自身電阻的變化。它測量范圍大，魯棒性好，但是遲滯效應(yīng)較大。電容式觸覺傳感器利用電容的變化來測量接觸力。其空間分辨率高，功耗低，但抗干擾能力差。光學(xué)原理的觸覺傳感器靠檢測光的參數(shù)變化間接感知外界的接觸信息。優(yōu)點(diǎn)是抗干擾能力強(qiáng)，具有很高的空間分辨率。

雖然觸覺傳感器越來越受到較多關(guān)注和研究，但其多功能性和適應(yīng)性等性能目前還不盡如人意。它們的發(fā)展依賴于各種技術(shù)領(lǐng)域的進(jìn)步，如材料、電子學(xué)、相關(guān)算法等。要達(dá)到等同于人類觸覺感知的水平，還需要更深入的研究。

1.3 激光傳感器

激光發(fā)明于20世紀(jì)，因?yàn)槠湓趩紊浴⒎较蛐院土炼确矫娑加谐錾男阅?，因此被廣泛應(yīng)用于各種場合。

激光傳感器主要由測量電路、激光器和光電探測器等組成。激光器分為四類：固體、液體、氣體和半導(dǎo)體。激光傳感器主要用于對距離、速度和振動等物理參數(shù)的測量上。常見的有激光測距儀、激光位移傳感器、激光掃描儀、激光跟蹤器等。激光測距的基本原理主要包括三種：飛行時(shí)間（TOF）、三角測量法和光學(xué)干涉法。TOF是指從發(fā)射激光到接收到反射光的總時(shí)間。在激光測距儀中，由于光速太高，測距精度取決于飛行時(shí)間的測量精度上。三角剖分法利用三角形理論和三角函數(shù)來計(jì)算物體之間的距離。激光位移傳感器就是基于這種方法來實(shí)現(xiàn)短距離測量的。兩束相位不同的光束疊加后形成明暗條紋的現(xiàn)象被稱為光的干涉。此原理被用于激光跟蹤器中，可以測量裝有反射鏡的目標(biāo)的移動距離。

激光傳感器能夠遙感測量，測量速度和精度都令人滿意。但是，激光波長容易受溫度、大氣壓力和空氣濕度變化的影響。當(dāng)上述參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，需要進(jìn)行補(bǔ)償才能達(dá)到更高精度測量。

1.4 編碼器

編碼器將角位移或角速度轉(zhuǎn)換為電脈沖或數(shù)字量。

編碼器根據(jù)檢測原理可分為：光電式、磁性、電感式和電容式。光電式編碼器是其中最常用的。將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枴８鶕?jù)碼盤的校準(zhǔn)方式，光電編碼器分為增量式和絕對式。增量式光電編碼器的輸出是一系列方波脈沖。旋轉(zhuǎn)角度可以通過記錄脈沖的數(shù)量計(jì)算出來。但是需要一個(gè)參考位置作為轉(zhuǎn)軸的零點(diǎn)絕對位置。絕對式光電編碼器軸上的每個(gè)位置都對應(yīng)有唯一的二進(jìn)制數(shù)字量，因此可以直接得到絕對位置。

編碼器因其結(jié)構(gòu)緊湊、使用壽命長、使用方便、技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。編碼器的分辨率取決于圓中編碼盤上刻線的數(shù)量。更多的線能夠識別較小的角度，從而產(chǎn)生更高的分辨率，當(dāng)然成本也會更高。

2 其他傳感器

除上述4種傳感器外，工業(yè)機(jī)器人中還部署了一些傳感器來實(shí)現(xiàn)多種功能，如接近傳感器、慣性傳感器、扭矩傳感器、聲傳感器、磁傳感器、超聲波傳感器等。

接近傳感器能夠檢測到物體是否接近，并輸出相應(yīng)的開關(guān)信號。根據(jù)操作原理可分為電容式、電感式和光電式。電容式接近傳感器利用檢測電極的電容變化引起的電路狀態(tài)變化來感知接近的物體。感應(yīng)式接近傳感器是基于電磁感應(yīng)原理。它們的傳感元件是檢測線圈，當(dāng)金屬物體靠近時(shí)，其電感量會發(fā)生變化。光電接近傳感器通常由發(fā)光二極管和光電探測器件組成。當(dāng)物體接近時(shí)，光電二極管發(fā)出的光被反射到光電探測器件上，通過檢測電路產(chǎn)生相應(yīng)輸出信號。

慣性傳感器包括加速度計(jì)、陀螺儀和磁強(qiáng)計(jì)。慣性傳感器被廣泛用于測量運(yùn)動物體的運(yùn)動參數(shù)，比如加速度、角速度和方位角。通常，三者的組合被稱為慣性測量單元（IMU）。慣性傳感器的測量原理是航位推算（DR）。利用積分的方法來計(jì)算物體的運(yùn)動量。慣性傳感器的精度在短時(shí)間內(nèi)是令人滿意的，但是長時(shí)間漂移誤差較大。

扭矩傳感器主要用于測量施加在機(jī)械軸上的扭矩。常見的類型有感應(yīng)式和電阻應(yīng)變式。其結(jié)構(gòu)通常由扭力桿和線圈、電阻應(yīng)變片等檢測元件組成。通過檢測元件參數(shù)的變化，將扭矩引起的扭桿扭轉(zhuǎn)變形轉(zhuǎn)化為電信號，實(shí)現(xiàn)扭矩測量。

聲波傳感器能夠把聲波轉(zhuǎn)換成電信號。其中裝有電容駐極體傳聲器，聲波會引起傳聲器中駐極體膜的振動，產(chǎn)生微弱的電壓變化。然后對電壓進(jìn)行后續(xù)處理。

磁傳感器主要用于檢測磁場強(qiáng)度。其原理是霍爾效應(yīng)?；魻栃?yīng)是指當(dāng)電流流過導(dǎo)體時(shí)，會產(chǎn)生一個(gè)垂直于磁場和電流方向的電場，從而在導(dǎo)體表面產(chǎn)生電位差的現(xiàn)象。

超聲波傳感器常用于探測障礙物。根據(jù)從發(fā)射超聲波到探測回波的時(shí)間來估計(jì)物體的范圍。

3 結(jié)語

本文綜述了近年來工業(yè)機(jī)器人中常用的傳感器及其具體應(yīng)用。工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展將有助于實(shí)現(xiàn)更加靈活、精確和個(gè)性化的工業(yè)制造。然而，工業(yè)機(jī)器人發(fā)展中的一個(gè)重要挑戰(zhàn)是開發(fā)性能更好的傳感器，以改善其對外界環(huán)境和自身狀態(tài)的精確感知，這有賴于多學(xué)科技術(shù)的發(fā)展和融合。此外，還需要對傳感器獲取的信息處理算法進(jìn)行優(yōu)化，以提高處理速度和精度。