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。

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(huì )反向回來(lái)，檢測到反射光之后，通過(guò)結構上的幾何****，就可以計算出物體距離D。

當D的距離足夠近的時(shí)候，上圖中L值會(huì )相當大，如果超過(guò)CCD的探測范圍，雖然物體很近，傳感器反而看不到了。當物體距離D很大時(shí)，L值就會(huì )很小，測量精度會(huì )變差。因此，常見(jiàn)的紅外傳感器的測量距離都比較近，小于超聲波，同時(shí)遠距離測量也有*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(wú)法檢測距離的。但相對于超聲來(lái)說(shuō)，紅外傳感器具有更高的帶寬。

激光傳感器

常見(jiàn)的激光雷達是基于飛行時(shí)間的（ToF，time of flight），通過(guò)測量激光的飛行時(shí)間來(lái)測距d=ct/2，類(lèi)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(jiǎn)單的方案是測量反射光的相移，傳感器以已知的頻率發(fā)射一定幅度的調制光，并測量發(fā)射和反向信號之間的相移，如上圖。

調制信號的波長(cháng)為lamda=c/f，其中c是光速，f是調制頻率，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計算得到，如上圖。

視覺(jué)傳感器

常用的計算機視覺(jué)方案也有很多種， 比如雙目視覺(jué)，基于TOF的深度相機，基于結構光的深度相機等。

基于結構光的深度相機發(fā)射出的光會(huì )生成相對隨機但又固定的斑點(diǎn)圖樣，光斑打在物體上，因為與攝像頭距離不同，被攝像頭捕捉到的位置也不相同。先計算斑點(diǎn)與標定的標準圖案在不同位置的偏移，利用攝像頭位置、傳感器大小等參數就可以計算出物體與攝像頭的距離。

雙目視覺(jué)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(huì )有不同的像素位置，此時(shí)通過(guò)三角測距就可以測出這個(gè)點(diǎn)的距離。

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。