近年來，借助物聯(lián)網(wǎng)的東風，越來越多的機器人出現(xiàn)我們的生活和生產(chǎn)中，隨著柔性化的生產(chǎn)需求，如果想運作機器人就必須要有傳感器，這樣它才具備了類似人類的知覺功能和反應(yīng)能力。
在工業(yè)自動化領(lǐng)域，機器人需要傳感器提供必要的信息，以正確執(zhí)行相關(guān)的操作。一份報告預(yù)測，到2021年，全球工業(yè)機器人傳感器市場將以約8%的復合年增長率(CAGR)穩(wěn)步增長。對于包括消費者和汽車在內(nèi)的機器人傳感應(yīng)用，另一份報告明確指出，到2027年，視覺系統(tǒng)將單獨成就57億美元的市場，力傳感器市場將超過69億美元。
傳感器的種類有很多，比如視覺傳感器、位置傳感器等。那么這些傳感器在機器人身上是如何應(yīng)用的呢?看完下文你就明白了。
下面列出了工業(yè)機器人中最常用到的傳感器
二維視覺傳感器
二維視覺是一個可以執(zhí)行從檢測運動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(jù)接收到的信息適當調(diào)整其動作。
三維視覺傳感器
三維視覺系統(tǒng)必須擁有兩個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技術(shù)檢測物體并創(chuàng)建三維圖像，分析并選擇最好的拾取方式。
力/力矩傳感器
如果說視覺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。機器人利用力/力矩傳感器感知末端執(zhí)行器的力度。多數(shù)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(jiān)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(yīng)用才得以實現(xiàn)。
碰撞檢測傳感器
這種傳感器有各種不同的形式，其主要應(yīng)用是為作業(yè)人員提供一個安全的工作環(huán)境，協(xié)作機器人最需要它們。一些傳感器可以是某種觸覺識別系統(tǒng)，通過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。
一些傳感器還可以直接內(nèi)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，便觸發(fā)緊急停止，從而確保安全。
要想讓工業(yè)機器人與人進行協(xié)作，首先要找出可以保證作業(yè)人員安全的方法。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圍的狀況。有些安全系統(tǒng)可以設(shè)置成當有人出現(xiàn)在特定的區(qū)域/空間時，機器人會自動減速運行，如果人員繼續(xù)靠近，機器人則會停止工作。最簡單的例子是電梯門上的激光安全傳感器。當激光檢測到障礙物時，電梯門會立即停止并退回，以避免碰撞。
其它傳感器
市場上還有很多的傳感器適用于不同的應(yīng)用。例如焊縫追蹤傳感器等。
觸覺傳感器也越來越受歡迎。這類傳感器一般安裝在抓手上，用來檢測和感覺抓取的物體是什么。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(zhí)行器的抓取力度。另外還有一些觸覺傳感器可以檢測熱量的變化。
視覺和接近傳感器類似于自動駕駛車輛所需的傳感器，包括攝像頭、紅外線、聲納、超聲波、雷達和激光雷達。某些情況下可以使用多個攝像頭，尤其是立體視覺。將這些傳感器組合起來使用，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(聲學傳感器)幫助工業(yè)機器人接收語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引起的噪聲，避免機器人錯誤理解語音命令。先進的算法甚至可以讓機器人了解說話者的情緒。
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、光學和顏色傳感器，機器人能夠評估、調(diào)整和檢測其環(huán)境中存在的問題。
對于可以走路、跑步甚至跳舞的人形機器人，穩(wěn)定性是一個主要問題。它們需要與智能手機相同類型的傳感器，以便提供機器人的準確位置數(shù)據(jù)。在這些應(yīng)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)。
傳感器是實現(xiàn)軟件智能的關(guān)鍵組件，沒有傳感器，很多復雜的操作就不能實現(xiàn)。它們不僅實現(xiàn)了復雜的操作，同時也保證這些操作在進行的過程中得到良好的控制。
AGV機器人避障主要用到哪些傳感器?
移動機器人需要通過傳感器實時獲取周圍的障礙物信息，包括尺寸、形狀和位置信息，來實現(xiàn)避障。避障使用的傳感器有很多種，目前常見的有視覺傳感器、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間，通過d=vt/2測量距離，其中d是距離，v是聲速，t是飛行時間。
上圖是超聲波傳感器信號的一個示意。通過壓電或靜電變送器產(chǎn)生一個頻率在幾十kHz的超聲波脈沖組成波包，系統(tǒng)檢測高于某閾值的反向聲波，然后使用測量到的飛行時間計算距離。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，但是會有一個幾十毫米左右的最小探測盲區(qū)。由于超聲傳感器成本低、實現(xiàn)方法簡單、技術(shù)成熟，是移動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，光會反向回來，檢測到反射光之后，通過結(jié)構(gòu)上的幾何三角關(guān)系，就可以計算出物體距離D。
當D的距離足夠近的時候，上圖中L值會相當大，如果超過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，L值就會很小，測量精度會變差。因此，常見的紅外傳感器的測量距離都比較近，小于超聲波，同時遠距離測量也有最小距離的限制。另外，對于透明的或者近似黑體的物體，紅外傳感器是無法檢測距離的。但相對于超聲來說，紅外傳感器具有更高的帶寬。
激光傳感器
常見的激光雷達是基于飛行時間的(ToF，time of flight)，通過測量激光的飛行時間來測距d=ct/2，類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)射到接收的時間間隔。
比較簡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(diào)制光，并測量發(fā)射和反向信號之間的相移，如上圖。
調(diào)制信號的波長為lamda=c/f，其中c是光速，f是調(diào)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。
視覺傳感器
常用的計算機視覺方案也有很多種， 比如雙目視覺，基于TOF的深度相機，基于結(jié)構(gòu)光的深度相機等。
基于結(jié)構(gòu)光的深度相機發(fā)射出的光會生成相對隨機但又固定的斑點圖樣，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(shù)就可以計算出物體與攝像頭的距離。
雙目視覺的測距本質(zhì)上也是三角測距法，由于兩個攝像頭的位置不同，就像人的兩只眼睛一樣，看到的物體也不一樣。兩個攝像頭看到的同一個點P，在成像的時候會有不同的像素位置，此時通過三角測距就可以測出這個點的距離。
傳感器在智能機器人身上是如何細分的?
外傳感器
以往一般機器人是沒有外部感覺能力的，而新一代機器人如多關(guān)節(jié)機器人，特別是移動機器人、智能機器人則要求具有校正能力和反應(yīng)環(huán)境變化的能力，外傳感器就是實現(xiàn)這些能力的。
內(nèi)傳感器
機器介機電一體化的產(chǎn)品，內(nèi)傳感器和電機、軸等機械部件或機械結(jié)構(gòu)如手臂(Arm)、手腕(Wrist)等安裝在一起，完成位置、速度、力度的測量，實現(xiàn)伺服控制。
位置(位移)傳感器
直線移動傳感器有電位計式傳感器和可調(diào)變壓器兩種。角位移傳感器有電位計式、可調(diào)變壓器(旋轉(zhuǎn)變壓器)及光電編碼器三種，其中光電編碼器有增量式編碼器和絕對式編碼器。增量式編碼器一般用于零位不確定的位置伺服控制，絕對式編碼器能夠得到對應(yīng)于編碼器初始鎖定位置的驅(qū)動軸瞬時角度值，當設(shè)備受到壓力時，只要讀出每個關(guān)節(jié)編碼器的讀數(shù)，就能夠?qū)λ欧刂频慕o定值進行調(diào)整，以防止機器人啟動時產(chǎn)生過劇烈的運動。
速度和加速度傳感器
速度傳感器有測量平移和旋轉(zhuǎn)運動速度兩種，但大多數(shù)情況下，只限于測量旋轉(zhuǎn)速度。利用位移的導數(shù)，特別是光電方法讓光照射旋轉(zhuǎn)圓盤，檢測出旋轉(zhuǎn)頻率和脈沖數(shù)目，以求出旋轉(zhuǎn)角度，及利用圓盤制成有縫隙，通過二個光電二極管辨別出角速度，即轉(zhuǎn)速，這就是光電脈沖式轉(zhuǎn)速傳感器。此外還有測速發(fā)電機用于測速等。
應(yīng)變儀即伸縮測量儀，也是一種應(yīng)力傳感器，用于加速度測量。加速度傳感器用于測量工業(yè)機器人的動態(tài)控制信號。一般有由速度測量進行推演、已知質(zhì)量物體加速度所產(chǎn)生動力，即應(yīng)用應(yīng)變儀測量此力進行推演，還有就是下面所說的方法：
與被測加速度有關(guān)的力可由一個已知質(zhì)量產(chǎn)生。這種力可以為電磁力或電動力，最終簡化為對電流的測量，這就是伺服返回傳感器，實際又能有多種振動式加速度傳感器。
力覺傳感器
力覺傳感器用于測量兩物體之間作用力的三個分量和力矩的三個分量。機器人中理想的傳感器是粘接在依從部件的半導體應(yīng)力計。具體有金屬電阻型力覺傳感器、半導體型力覺傳感器、其它磁性壓力式和利用弦振動原理制作的力覺傳感器。
(石墨烯材料)
還有轉(zhuǎn)矩傳感器(如用光電傳感器測量轉(zhuǎn)矩)、腕力傳感器(如國際斯坦福研究所的由6個小型差動變壓器組成，能測量作用于腕部X、Y和Z三個方向的動力及各軸動轉(zhuǎn)矩)等。
由于機器人發(fā)展歷史較長，近年來普遍采用以交流永磁電動機為主的交流伺服系統(tǒng)，對應(yīng)位置、速度等傳感器大量應(yīng)用的是：各種類型的光電編碼器、磁編碼器和旋轉(zhuǎn)變壓器，新的材料也給了傳感器非常多的嘗試空間。
觸覺傳感器
微型開關(guān)是接觸傳感器最常用型式，另有隔離式雙態(tài)接觸傳感器(即雙穩(wěn)態(tài)開關(guān)半導體電路)、單模擬量傳感器、矩陣傳感器(壓電元件的矩陣傳感器、人工皮膚——變電導聚合物、光反射觸覺傳感器等)。
應(yīng)力傳感器
如多關(guān)節(jié)機器人進行動作時需要知道實際存在的接觸、接觸點的位置(定位)、接觸的特性即估計受到的力(表征)這三個條件，所以用上節(jié)已指出的應(yīng)變儀，結(jié)合具體應(yīng)力檢測的基本假設(shè)，如求出工作臺面與物體間的作用力，具體有對環(huán)境裝設(shè)傳感器、對機器人腕部裝設(shè)測試儀器用傳動裝置作為傳感器等方法。
接近度傳感器
由于機器人的運動速度提高及對物體裝卸可能引起損壞等原因需要知道物體在機器人工作場地內(nèi)存在位置的先驗信息以及適當?shù)能壽E規(guī)劃，所以有必要應(yīng)用測量接近度的遙感方法。接近傳感器分為無源傳感器和有源傳感器，所以除自然信號源外，還可能需要人工信號的發(fā)送器和接收器。
超聲波接近度傳感器用于檢測物體的存在和測量距離。它不能用于測量小于30~50cm的距離，而測距范圍較大，它可用在移動機器人上，也可用于大型機器人的夾手上。還可做成超聲導航系統(tǒng)。
紅外線接近度傳感器，其體積很小，只有幾立方厘米大，因此可以安裝在機器人夾手上。
聲覺傳感器
用于感受和解釋在氣體(非接觸感受)、液體或固體(接觸感受)中的聲波。聲波傳感器復雜程度可以從簡單的聲波存在檢測到復雜的聲波頻率分析，直到對連續(xù)自然語言中單獨語音和詞匯的辨別。
（轉(zhuǎn)載）
