2012年，美國提出“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”，2013年，德國提出“工業(yè)4.0”，2015年，中國提出“中國制造2025”。在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、AR、云計算等技術(shù)熱潮下，全球眾多優(yōu)良制造企業(yè)都開(kāi)始建設智慧工廠(chǎng)，實(shí)現自動(dòng)化、信息化和智能化的智慧工廠(chǎng)是未來(lái)工業(yè)制造的發(fā)展趨勢。那么，什么樣的工廠(chǎng)才能稱(chēng)做智慧工廠(chǎng)？作為智慧工廠(chǎng)重要組成部分的工業(yè)機器人采用了哪些技術(shù)？

智慧工廠(chǎng)的標配

提到智慧工廠(chǎng)，人們首先想到的是自動(dòng)化、智能化、工業(yè)機器人、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)等概念，那么，一個(gè)智慧工廠(chǎng)的標準配置有哪些？

控制器是智慧工廠(chǎng)的大腦，由程序計數器、指令寄存器、指令譯碼器、時(shí)序產(chǎn)生器和操作控制器組成，它是發(fā)布命令的“決策機構”，完成協(xié)調和指揮整個(gè)計算機系統的操作。智慧工廠(chǎng)中常用的控制器有PLC、工控機等。

工業(yè)機器人是自動(dòng)執行工作的機器裝置，它既可以接受人的指揮，又可以運行預先編排的程序，也可以根據以人工智能技術(shù)制定的指令行動(dòng)。

伺服電機是指在伺服系統中控制機械元件運轉的發(fā)動(dòng)機，是自動(dòng)化工廠(chǎng)提供動(dòng)力的肌肉。伺服電機轉子轉速受輸入信號控制，在自動(dòng)控制系統中用作執行元件，可把所收到的電信號轉換成電動(dòng)機軸上的角位移或角速度輸出。

傳感器為智慧工廠(chǎng)提供觸覺(jué)，是實(shí)現自動(dòng)檢測和自動(dòng)控制的首要環(huán)節。它能感受到被測量的信息，并能將感受到的信息按一定規律變換成電信號或其他形式的信息輸出。在自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中需要用各種傳感器來(lái)監視和控制各個(gè)參數，使設備工作在正常狀態(tài)或*佳狀態(tài)，并使產(chǎn)品達到*好的質(zhì)量。

變頻器是智慧工廠(chǎng)的交換器，由整流（交流變直流）、濾波、逆變（直流變交流）、制動(dòng)單元、驅動(dòng)單元和檢測單元微處理單元組成。它應用變頻技術(shù)與微電子技術(shù)，通過(guò)改變電機工作電源頻率的方式來(lái)控制交流電動(dòng)機。

電磁閥是用電磁控制的工業(yè)設備，可以配合不同的電路來(lái)實(shí)現預期的控制。它屬于執行器，是智慧工廠(chǎng)的開(kāi)關(guān)。

工業(yè)相機是智慧工廠(chǎng)的眼睛，是機器視覺(jué)系統關(guān)鍵組件。工業(yè)相機一般安裝在機器流水線(xiàn)上代替人眼來(lái)做測量和判斷，通過(guò)數字圖像攝取目標轉換成圖像信號，傳送給專(zhuān)用的圖像處理系統。圖像系統對這些信號進(jìn)行各種運算，抽取目標特征，并根據判別的結果來(lái)控制現場(chǎng)的設備動(dòng)作。

儀器儀表是智慧工廠(chǎng)的調節系統，用來(lái)檢出、測量、觀(guān)察并計算各種物理量、物質(zhì)成分和參數等。比如測量壓力、液位、流量、溫度等一些控制過(guò)程所需要的參數值，就需要相關(guān)的儀器儀表。

自動(dòng)化軟件是智慧工廠(chǎng)的心臟。例如，SCADA數據采集與監控系統可以在無(wú)人看管的情況下，對生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行調度和自動(dòng)化控制。

控制柜是智慧工廠(chǎng)的**系統。智慧工廠(chǎng)涉及電氣、變頻、電源、水泵等控制柜，可實(shí)現不同的控制功能。

下面將詳細剖析智慧工廠(chǎng)的重要組件——工業(yè)機器人。

工業(yè)機器人涉及哪些技術(shù)？

機器人自動(dòng)化是一項快速進(jìn)步的技術(shù)，在短短幾十年的時(shí)間里，工業(yè)機器人已經(jīng)在全世界范圍內變成工廠(chǎng)里普通的裝置。

工業(yè)機器人不僅可以克服惡劣環(huán)境對生產(chǎn)的影響，減少人工的使用，保障工人的**，還能夠幫助工廠(chǎng)節約生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率，從而保證產(chǎn)品質(zhì)量。

工業(yè)機器人是多自由度的機器裝置，能自動(dòng)執行工作，按照自身動(dòng)力和控制能力來(lái)實(shí)現各種功能，由機械部分、傳感部分、控制部分等三大部分組成，這三大部分又分成六個(gè)子系統。分別為：

驅動(dòng)系統：給每個(gè)關(guān)節即每個(gè)運動(dòng)自由度安置傳動(dòng)裝置，使機器人運動(dòng)起來(lái)。

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(gè)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(gè)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。

傳感系統：獲取內部和外部環(huán)境狀態(tài)中有意義的信息，提高了機器人的機動(dòng)性、適應性和智能化水準。

機器人-環(huán)境交互系統：實(shí)現機器人與外部環(huán)境中的設備相互聯(lián)系和協(xié)調的系統。

人機交互系統：人與機器人進(jìn)行聯(lián)系和參與機器人控制的裝置。

控制系統：根據機器人的作業(yè)指令程序以及從傳感器反饋回來(lái)的信號，支配機器人的執行機構去完成規定的運動(dòng)和功能。

工業(yè)機器人中常用到的傳感器

在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，機器人需要傳感器提供必要的信息，以正確執行相關(guān)的操作。

一份報告預測，到2021年，全球工業(yè)機器人傳感器市場(chǎng)將以約8％的復合年增長(cháng)率（CAGR）穩步增長(cháng)。對于包括消費者和汽車(chē)在內的機器人傳感應用，另一份報告明確指出，到2027年，視覺(jué)系統將單獨成就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)機器人中*常用到的傳感器。

二維視覺(jué)傳感器

二維視覺(jué)是一個(gè)可以執行從檢測運動(dòng)物體到傳輸帶上的零件定位等多種任務(wù)的攝像頭。許多智能相機都可以檢測零件并協(xié)助機器人確定零件的位置，機器人可以根據接收到的信息適當調整其動(dòng)作。

三維視覺(jué)傳感器

三維視覺(jué)系統必須擁有兩個(gè)不同角度的攝像機或激光掃描器，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(jué)技術(shù)檢測物體并創(chuàng )建三維圖像，分析并選擇*好的拾取方式。

力/力矩傳感器

如果說(shuō)視覺(jué)傳感器給了機器人眼睛，那么力/力矩傳感器則給機器人帶去了觸覺(jué)。機器人利用力/力矩傳感器感知末端執行器的力度。多數情況下，力/力矩傳感器位于機器人和夾具之間，這樣，所有反饋到夾具上的力都在機器人的監控之中。

有了力/力矩傳感器，裝配、人工引導、示教、力度限制等應用才得以實(shí)現。

碰撞檢測傳感器

這種傳感器有各種不同的形式，其主要應用是為作業(yè)人員提供一個(gè)**的工作環(huán)境，協(xié)作機器人*需要它們。

一些傳感器可以是某種觸覺(jué)識別系統，通過(guò)柔軟的表面感知壓力，給機器人發(fā)送信號，限制或停止機器人的運動(dòng)。

一些傳感器還可以直接內置在機器人中。有些公司利用加速度計反饋，還有些則使用電流反饋。在這兩種情況下，當機器人感知到異常的力度時(shí)，便觸發(fā)緊急停止，從而確保**。

要想讓工業(yè)機器人與人進(jìn)行協(xié)作，首先要找出可以保證作業(yè)人員**的方法。這些傳感器有各種形式，從攝像頭到激光等，目的是告訴機器人周?chē)臓顩r。有些**系統可以設置成當有人出現在特定的區域/空間時(shí)，機器人會(huì )自動(dòng)減速運行，如果人員繼續靠近，機器人則會(huì )停止工作。

*簡(jiǎn)單的例子是電梯門(mén)上的激光**傳感器。當激光檢測到障礙物時(shí)，電梯門(mén)會(huì )立即停止并退回，以避免碰撞。

其它傳感器

市場(chǎng)上還有很多的傳感器適用于不同的應用。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(lèi)傳感器一般安裝在抓手上，用來(lái)檢測和感覺(jué)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行器的抓取力度。另外還有一些觸覺(jué)傳感器可以檢測熱量的變化。

視覺(jué)和接近傳感器類(lèi)似于自動(dòng)駕駛車(chē)輛所需的傳感器，包括攝像頭、紅外線(xiàn)、聲納、超聲波、雷達和激光雷達。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器人獲取其他信息。

麥克風(fēng)（聲學(xué)傳感器）幫助工業(yè)機器人接收語(yǔ)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(dòng)引起的噪聲，避免機器人錯誤理解語(yǔ)音命令。先進(jìn)的算法甚至可以讓機器人了解說(shuō)話(huà)者的情緒。

溫度傳感是機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，機器人能夠評估、調整和檢測其環(huán)境中存在的問(wèn)題。

對于可以走路、跑步甚至跳舞的人形機器人，穩定性是一個(gè)主要問(wèn)題。它們需要與智能手機相同類(lèi)型的傳感器，以便提供機器人的準確位置數據。在這些應用采用了具有3軸加速度計、3軸陀螺儀和3軸磁力計的9自由度（9DOF）傳感器或慣性測量單元（IMU）。

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

移動(dòng)機器人需要通過(guò)傳感器實(shí)時(shí)獲取周?chē)恼系K物信息，包括尺寸、形狀和位置信息，來(lái)實(shí)現避障。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

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(guò)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(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(huì )有一個(gè)幾十毫米左右的*小探測盲區。由于超聲傳感器成本低、實(shí)現方法簡(jiǎn)單、技術(shù)成熟，是移動(dòng)機器人中常用的傳感器。

在工業(yè)4.0時(shí)代工業(yè)機器人的發(fā)展趨勢

美國機器人產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì )（RIA）預測了工業(yè)機器人的六大發(fā)展趨勢。

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(IIoT) 技術(shù)的應用：機器人會(huì )在生產(chǎn)的*前沿應用智能傳感器，采集制造商以前無(wú)法獲得的數據。

優(yōu)先考慮工業(yè)網(wǎng)絡(luò )**：機器人與內部系統的聯(lián)網(wǎng)越來(lái)越多，網(wǎng)絡(luò )**的風(fēng)險不斷增加。制造商必須解決生產(chǎn)工藝中的缺陷，并在網(wǎng)絡(luò )**方面加大投資，確保**、可靠的生產(chǎn)。

大數據分析成為競爭優(yōu)勢：機器人將成為工廠(chǎng)車(chē)間的主要信息來(lái)源之一。制造商必須實(shí)施系統來(lái)組織和分析采集到的所有數據，以便采取有效的行動(dòng)，提升企業(yè)的競爭優(yōu)勢。

實(shí)施開(kāi)放式的自動(dòng)化架構：隨著(zhù)機器人自動(dòng)化應用越來(lái)越廣泛，對開(kāi)放式自動(dòng)化架構的需求相應增加。大型的行業(yè)參與者將與行業(yè)機構一起制定標準和開(kāi)放式文檔，機器人集成更加容易，兼容性會(huì )變得更好。

虛擬解決方案增加：虛擬解決方案會(huì )成為工業(yè)機器人的一個(gè)主要部分。

協(xié)作機器人將更受歡迎：協(xié)作機器人可以在人類(lèi)身邊**地工作，而且通常比工業(yè)機器人便宜得多。隨著(zhù)協(xié)作機器人在嚴苛的工業(yè)環(huán)境中變得更有能力，對投資回報率有嚴格要求的制造商會(huì )更多地采用協(xié)作機器人。

結語(yǔ)

“工業(yè)4.0”強調自動(dòng)化與信息化相互融合，工業(yè)機器人作為自動(dòng)化制造過(guò)程的重要參與者，直接影響著(zhù)工業(yè)制造自動(dòng)化水平。隨著(zhù)工業(yè)產(chǎn)品工藝復雜程度和精度的要求不斷提高，機器人的應用場(chǎng)所和應用需求也越來(lái)越復雜和苛刻，機器人的計算平臺已經(jīng)從傳統的PC平臺、嵌入式平臺擴展到智能手機、平板電腦等移動(dòng)設備，機器人配備的傳感器從簡(jiǎn)單的光電開(kāi)關(guān)、觸碰開(kāi)關(guān)發(fā)展到觸覺(jué)、聲覺(jué)、視覺(jué)等優(yōu)異傳感器，機器人伺服系統與控制系統之間的通信方式也由原來(lái)的“脈沖+方向”的通信線(xiàn)纜，發(fā)展到通信更高效、通信數據量更大的各種現場(chǎng)總線(xiàn)。機器人控制系統正朝著(zhù)開(kāi)放化的方向轉變，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、大數據分析以及虛擬化等技術(shù)的發(fā)展，也使機器人更好地融入制造業(yè)應用。