传感器三角 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。

一文让你秒懂激光三角位移传感器

激光位移传感器

按照测量原理，我们可以分为激光三角测量法和激光回波分析法两种。

工业自动化当中，以往通常都是采用激光三角位移法进行测量，该方法线性度可达1um,分辨率可达0.1um的水平。

激光三角测量法主要有三种测量方式：直射斜收式，斜射斜收式，斜射直收式三种。

直射斜收式 ：光点小，光强集中不会因被测面不垂直而扩大光斑，体积较小

斜射斜收式 ：分辨率高于直射式，但测量范围较小，体积比较大

斜射直收式 ：体积和直射式相当，分辨率高于直射式（较为常用）

应根据实际情况，如被侧表面的粗糙度，安装位置，精度要求等来决定哪种类型

构成

它一般由激光半导体发射器，接收器（里面一般包含CCD线性相机或者PSD等光点位置探测器），信号处理电路组成。

激光发射器考虑到成本，一般采用超小型，高效率，价格便宜的半导体激光器。

原理 ：

半导体激光发射器将可见红色激光射向被检测物体表面，经物体反射的激光通过接收器镜头，被内部的CCD线性相机接受，根据不同的距离CCD线性相机可以在不同角度“看见”这个光点，根据这个角度及已知的激光和相机之间的距离，数字信号处理器就能计算出传感器和被测物体之间的距离。

直射斜收式

这是最简单的三角位移测量系统，光源发射一束光经聚焦透镜到被测物体表面，物体移动或表面变化将导致入射光点沿入射光轴移动，只需在另一方向通过成像观察光点位置探测器（CCD,PSD）反射光点的位置从而计算出物点位移。由于入射和反射光构成一个三角形，所以这种方法被称为三角测量法。

斜射斜收式

斜射直收式

特点

激光三角位移测量法：适用于高精度，短距离测量。

优点：无接触式测量，重复精度高，测量频率快，获得的原始数据基数大

缺点：受物体特性影响大，测量角度小，安装测量较为复杂，高度性差，

激光回波分析法 ：则适用于远距离测量

应用 ：

1激光测长 ：

精密测量长度精密机械制造工业和光学加工工业的关键技术之一。现在长度计量多是由光波的干涉现象 来进行的，其精度主要取决于光的单色性 的好坏。激光是最理想的单色光源 ，它比以往最好的单色光源（氪-86灯）还纯10万倍。激光测长的量程大，精度高，由光学原理可知单色光的最大测量长度L与波长波长λ和谱线宽度δ之间的关系是L=λ/δ。用氦氖气体激光器，则最大可测几十公里。一般测量数米之内的长度，其精度可达0.1微米。

2激光测距：

它的原理与无线雷达相同，将激光对准目标发射出去后，测量它的往返时间，再乘以光速C即得到往返距离。由于雷达传感器测距激光具有高方向性，高单色性和高功率等优点，这些对于测远距离，判定目标方位，接受系统的信噪比，保证测量精度等都是很关键的，

3激光测振：

它基于多普勒原理测量物体的振动速度。多普勒原理是指：若波源或接受波的观察者相对于传播波的媒介而运动，那么观察者所测到的频率不仅仅取决于波源的频率，还取决于波源或观察者运动速度的大小和方向，所测得的频率与波源的频率差，我们称之为多普勒频移。

在振动方向与方向一致时多普频移fd=v/λ，式中v为振动速度、λ为波长。在激光多普勒振动速度测量仪中，由于光往返的原因，fd=2v/λ。这种测振仪在测量时由光学部分将物体的振动转换为相应的多普勒频移，并由光检测器将此频移转换为电信号，再由电路部分作适当处理后送往多普勒信号处理器将多普勒频移信号变换为与振动速度相对应的电信号，最后记录于磁带

4激光测速

它也是基多普勒原理的一种激光测速方法，用得较多的是激光多普勒流速计（见激光流量计），它可以测量风洞气流速度、火箭燃料流速、飞行器喷射气流流速、大气风速和化学反应中粒子的大小及汇聚速度等。

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