传感器治具 用于工业机器人中的各类传感器，你都知道几种？

用于工业机器人中的各类传感器，你都知道几种？

在工业自动化领域，机器人需要传感器提供必要的信息，以正确执行相关的操作。一份报告预测，到2021年，全球工业机器人传感器市场将以约8％的复合年增长率（CAGR）稳步增长。对于包括消费者和汽车在内的机器人传感应用，另一份报告明确指出，到2027年，视觉系统将单独成就57亿美元的市场，力传感器市场将超过69亿美元。

下面列出了工业机器人中最常用到的传感器。

二维视觉是一个可以执行从检测运动物体到传输带上的零件定位等多种任务的摄像头。许多智能相机都可以检测零件并协助机器人确定零件的位置，机器人可以根据接收到的信息适当调整其动作。

三维视觉传感器

三维视觉系统必须拥有两个不同角度的摄像机或激光扫描器，用以检测对象的第三维度。例如，零件取放便是利用三维视觉技术检测物体并创建三维图像，分析并选择最好的拾取方式。

力/力矩传感器

如果说视觉传感器给了机器人眼睛，那么力/力矩传感器则给机器人带去了触觉。机器人利用力/力矩传感器感知末端执行器的力度。多数情况下，力/力矩传感器位于机器人和夹具之间，这样，所有反馈到夹具上的力都在机器人的监控之中。有了力/力矩传感器，装配、人工引导、示教、力度限制等应用才得以实现。

碰撞检测传感器

这种传感器有各种不同的形式，其主要应用是为作业人员提供一个安全的工作环境，协作机器人最需要它们。一些传感器可以是某种触觉识别系统，通过柔软的表面感知压力，给机器人发送信号，限制或停止机器人的运动。

一些传感器还可以直接内置在机器人中。有些公司利用加速度计反馈，还有些则使用电流反馈。在这两种情况下，当机器人感知到异常的力度时，便触发紧急停止，从而确保安全。

要想让工业机器人与人进行协作，首先要找出可以保证作业人员安全的方法。这些传感器有各种形式，从摄像头到激光等，目的是告诉机器人周围的状况。有些安全系统可以设置成当有人出现在特定的区域/空间时，机器人会自动减速运行，如果人员继续靠近，机器人则会停止工作。最简单的例子是电梯门上的激光安全传感器。当激光检测到障碍物时，电梯门会立即停止并退回，以避免碰撞。

其它传感器

市场上还有很多的传感器适用于不同的应用。例如焊缝追踪传感器等。

触觉传感器也越来越受欢迎。这类传感器一般安装在抓手上，用来检测和感觉抓取的物体是什么。传感器通常能够检测力度并得出力度分布的情况，从而知道对象的确切位置，让你可以控制抓取的位置和末端执行器的抓取力度。另外还有一些触觉传感器可以检测热量的变化。

视觉和接近传感器类似于自动驾驶车辆所需的传感器，包括摄像头、红外线、声纳、超声波、雷达和激光雷达。某些情况下可以使用多个摄像头，尤其是立体视觉。将这些传感器组合起来使用，机器人便可以确定尺寸，识别物体，并确定其距离。

射频识别（RFID）传感可以提供识别码并允许得到许可的机器人获取其他信息。

麦克风（声学传感器）帮助工业机器人接收语音命令并识别熟悉环境中的异常声音。如果加上压电传感器，还可以识别并消除振动引起的噪声，避免机器人错误理解语音命令。先进的算法甚至可以让机器人了解说话者的情绪。

温度传感是机器人自我诊断的一部分，可用于确定其周遭的环境，避免潜在的有害热源。利用化学、光学和颜色传感器，机器人能够评估、调整和检测其环境中存在的问题。

对于可以走路、跑步甚至跳舞的人形机器人，稳定性是一个主要问题。它们需要与智能手机相同类型的传感器，以便提供机器人的准确位置数据。在这些应用采用了具有3轴加速度计、3轴陀螺仪和3轴磁力计的9自由度（9DOF）传感器或惯性测量单元（IMU）。

传感器是实现软件智能的关键组件，没有传感器，很多复杂的操作就不能实现。它们不仅实现了复杂的操作，同时也保证这些操作在进行的过程中得到良好的控制。

工业机器人避障主要用到哪些传感器？

移动机器人需要通过传感器实时获取周围的障碍物信息，包括尺寸、形状和位置信息，来实现避障。避障使用的传感器有很多种，目前常见的有视觉传感器、激光传感器、红外传感器、超声波传感器等。

超声波传感器

超声波传感器的基本原理是测量超声波的飞行时间，通过d=vt/2测量距离，其中d是距离，v是声速，t是飞行时间。

上图是超声波传感器信号的一个示意。通过压电或静电变送器产生一个频率在几十kHz的超声波脉冲组成波包，系统检测高于某阈值的反向声波，然后使用测量到的飞行时间计算距离。超声波传感器一般作用距离较短，普通的有效探测距离几米，但是会有一个几十毫米左右的最小探测盲区。由于超声传感器成本低、实现方法简单、技术成熟，是移动机器人中常用的传感器。

红外传感器

一般的红外测距都是采用三角测距的原理。红外发射器按照一定角度发射红外光束，遇到物体之后，光会反向回来，检测到反射光之后，通过结构上的几何三角关系，就可以计算出物体距离D。

当D的距离足够近的时候，上图中L值会相当大，如果超过CCD的探测范围，虽然物体很近，传感器反而看不到了。当物体距离D很大时，L值就会很小，测量精度会变差。因此，常见的红外传感器的测量距离都比较近，小于超声波，同时远距离测量也有最小距离的限制。另外，对于透明的或者近似黑体的物体，红外传感器是无法检测距离的。但相对于超声来说，红外传感器具有更高的带宽。

激光传感器

常见的激光雷达是基于飞行时间的（ToF，time of flight），通过测量激光的飞行时间来测距d=ct/2，类似前面提到的超声测距公式，其中d是距离，c是光速，t是从发射到接收的时间间隔。

比较简单的方案是测量反射光的相移，传感器以已知的频率发射一定幅度的调制光，并测量发射和反向信号之间的相移，如上图。

调制信号的波长为lamda=c/f，其中c是光速，f是调制频率，测量到发射和反射光束之间的相移差theta之后，距离可由lamda*theta/4pi计算得到，如上图。

视觉传感器

常用的计算机视觉方案也有很多种， 比如双目视觉，基于TOF的深度相机，基于结构光的深度相机等。

基于结构光的深度相机发射出的光会生成相对随机但又固定的斑点图样，光斑打在物体上，因为与摄像头距离不同，被摄像头捕捉到的位置也不相同。先计算斑点与标定的标准图案在不同位置的偏移，利用摄像头位置、传感器大小等参数就可以计算出物体与摄像头的距离。

双目视觉的测距本质上也是三角测距法，由于两个摄像头的位置不同，就像人的两只眼睛一样，看到的物体也不一样。两个摄像头看到的同一个点P，在成像的时候会有不同的像素位置，此时通过三角测距就可以测出这个点的距离。

Prevent研发新型传感器，能精确测量头部撞击，帮助识别脑震荡

当运动员或士兵出现脑震荡时，最有效的做法是让他们离开赛场或退出行动，这样他们就可以快速恢复。然而对我们来说，与头部损伤有关的许多问题仍然是个谜，包括为什么一些撞击会导致脑震荡，而另一些则不会。

但新的测量设备正在开发之中，它可能有助于提供大量有关头部撞击的信息。通过实时对佩戴者发出警告，提醒他们退出比赛或军事行动，从而帮助保护运动员和士兵免受脑损伤。

（来源：PREVENT BIOMETRICS）

人们意识到头部损伤的真正风险已经有很长一段时间了。Prevent Biometrics 公司的 CEO 迈克·肖格伦（Mike Shogren）说：“10 年前，如果有人（的头部）受到了很大的冲击，他们仍会被要求站起来继续比赛或前进。而现在，减少头部撞击和了解脑震荡风险是体育和军队的关注重点。”

Prevent 是开发新传感器以精确测量和记录头部撞击的几家公司之一，这种技术将有助于识别潜在的脑震荡，并为相关研究提供数据。

该公司的首席科学官亚当·巴特契（Adam Bartsch）表示，科学家们长期以来一直试图测量头部创伤所涉及的冲击力。

他说：“几十年前，科学家们不得不使用所谓的‘戈德堡装置’来研究头部撞击。

他们有时会用到牙齿模具，模具上有一个硬板和比骰子稍大的传感器，还有一根 10 米长的线将其连接到计算机上。

佩戴者（受到冲击时）要咬住模具，但他们会流口水，收集的数据也不完美，但这是最好的设备了。”（注：戈德堡装置指的是那些旨在完成简单任务，但设计过于复杂的机械或装置。）

Prevent 公司开发的设备，名为撞击监测护齿器（IMM，Impact Monitoring Mouthguard），起初是在一家诊所构思出来的。它既是监测工具，也是有效的护齿器，佩戴者需将其放在口腔中。

它能计算撞击的力度、位置、方向和次数，然后通过蓝牙将数据传输到其他设备上进行评估。

目前，Prevent 公司正在使用该护齿器来研究降落伞着陆坠落（PLF，parachute landing falls）技术。

这是一种让跳伞员安全着陆而不会受伤的安全着陆技术，由美国陆军开发，作为其伞兵训练计划的一部分。该项目正以 2000 多名伞兵为研究对象。

正确的 PLF 技术可以吸收跳伞者双脚着地以及侧向翻滚时撞击地面的冲击力，从而将着陆冲击依次分布在小腿、大腿、臀部和背部。

但一个错误可能会使跳伞者的头向后摆动并撞击地面。护齿器上的传感器显示，这种情况发生的频率远高于任何人所以为的那样。

巴特契说：“我们在大约 5% 的跳伞落地中发现了明显的头部撞击，而（官方）公开的伞兵脑震荡事件发生率只有该数字的三十分之一。”

一系列测试证实，该护齿器记录的、可能导致脑震荡的事件，实际上已经造成了脑震荡。

在训练中，伞兵往往要在糟糕的着陆尝试后起身继续训练。因此，此前的官方数据只反映了那些无法独立站立的人的受伤情况。

同样，在体育运动中，运动员经常被鼓励“克服它”，而不是报告受伤情况。

眼下，Prevent 公司正在与橄榄球世界杯赛联合开展一个大型项目，该项目将监测球员状况，并允许教练将受伤球员带离球场并对他们进行评估。

针对拳击和长曲棍球等其他运动，还有包括 Biocore、ORB 和 HitIQ 在内的其他几种护齿器设备正在开发之中。

未来，Prevent 公司希望能够评估多次小冲击的总体影响，看看它们在什么情况下会造成严重的累积损伤。

肖格伦说：“了解除大冲击以外的总冲击量也很关键。这就像是拳击比赛一样，最后把你击倒的一拳，如果出现在第一轮，可能就不会把你击倒了。”

支持：Ren

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