工業(yè)機(jī)器人避障主要用到哪些傳感器？

移動(dòng)機(jī)器人需要通過(guò)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(lái)實(shí)現(xiàn)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(cè)量超聲波的飛行時(shí)間，通過(guò)d=vt/2測(cè)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(hào)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(tǒng)檢測(cè)高于某閾值的反向聲波，然后使用測(cè)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(cè)距離幾米，但是會(huì)有一個(gè)幾十毫米左右的*小探測(cè)盲區(qū)。由于超聲傳感器成本低、實(shí)現(xiàn)方法簡(jiǎn)單、技術(shù)成熟，是移動(dòng)機(jī)器人中常用的傳感器。

紅外傳感器

一般的紅外測(cè)距都是采用三角測(cè)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(cè)到反射光之后，通過(guò)結(jié)構(gòu)上的幾何****，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(huì)相當(dāng)大，如果超過(guò)CCD的探測(cè)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(huì)很小，測(cè)量精度會(huì)變差。因此，常見(jiàn)的紅外傳感器的測(cè)量距離都比較近，小于超聲波，同時(shí)遠(yuǎn)距離測(cè)量也有*小距離的限制。另外，對(duì)于透明的或者近似黑體的物體，紅外傳感器是無(wú)法檢測(cè)距離的。但相對(duì)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(dá)是基于飛行時(shí)間的（ToF，time of flight），通過(guò)測(cè)量激光的飛行時(shí)間來(lái)測(cè)距d=ct/2，類似前面提到的超聲測(cè)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(cè)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(cè)量發(fā)射和反向信號(hào)之間的相移，如上圖。

調(diào)制信號(hào)的波長(zhǎng)為lamda=c/f，其中c是光速，f是調(diào)制頻率，測(cè)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(jué)傳感器

常用的計(jì)算機(jī)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(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(huì)生成相對(duì)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(jué)的測(cè)距本質(zhì)上也是三角測(cè)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(cè)距就可以測(cè)出這個(gè)點(diǎn)的距離。

在工業(yè)4.0時(shí)代工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)

美國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)（RIA）預(yù)測(cè)了工業(yè)機(jī)器人的六大發(fā)展趨勢(shì)。

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

優(yōu)先考慮工業(yè)網(wǎng)絡(luò)**：機(jī)器人與內(nèi)部系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)越來(lái)越多，網(wǎng)絡(luò)**的風(fēng)險(xiǎn)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(shù)據(jù)分析成為競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)：機(jī)器人將成為工廠車間的主要信息來(lái)源之一。制造商必須實(shí)施系統(tǒng)來(lái)組織和分析采集到的所有數(shù)據(jù)，以便采取有效的行動(dòng)，提升企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

實(shí)施開(kāi)放式的自動(dòng)化架構(gòu)：隨著機(jī)器人自動(dòng)化應(yīng)用越來(lái)越廣泛，對(duì)開(kāi)放式自動(dòng)化架構(gòu)的需求相應(yīng)增加。大型的行業(yè)參與者將與行業(yè)機(jī)構(gòu)一起制定標(biāo)準(zhǔn)和開(kāi)放式文檔，機(jī)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(jī)器人的一個(gè)主要部分。

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

結(jié)語(yǔ)

“工業(yè)4.0”強(qiáng)調(diào)自動(dòng)化與信息化相互融合，工業(yè)機(jī)器人作為自動(dòng)化制造過(guò)程的重要參與者，直接影響著工業(yè)制造自動(dòng)化水平。隨著工業(yè)產(chǎn)品工藝復(fù)雜程度和精度的要求不斷提高，機(jī)器人的應(yīng)用場(chǎng)所和應(yīng)用需求也越來(lái)越復(fù)雜和苛刻，機(jī)器人的計(jì)算平臺(tái)已經(jīng)從傳統(tǒng)的PC平臺(tái)、嵌入式平臺(tái)擴(kuò)展到智能手機(jī)、平板電腦等移動(dòng)設(shè)備，機(jī)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(jī)器人伺服系統(tǒng)與控制系統(tǒng)之間的通信方式也由原來(lái)的“脈沖+方向”的通信線纜，發(fā)展到通信更高效、通信數(shù)據(jù)量更大的各種現(xiàn)場(chǎng)總線。機(jī)器人控制系統(tǒng)正朝著開(kāi)放化的方向轉(zhuǎn)變，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)分析以及虛擬化等技術(shù)的發(fā)展，也使機(jī)器人更好地融入制造業(yè)應(yīng)用。