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基于工業(yè) 4.0 背景下傳感器技術(shù)在工業(yè)機器人中的應用

當今世界經(jīng)濟飛速發(fā)展，制造業(yè)水平不斷提高，德國的工業(yè)4.0戰略則提出了更高的要求。在該戰略中提到的智慧生產(chǎn)則是基于工業(yè)機器人來(lái)完成，這就對工業(yè)機器人的需求和要求都有了更高的標準。而在工業(yè)機器人中傳感器技術(shù)的應用則直接決定了工業(yè)機器人的先進(jìn)程度.一、工業(yè)4.0的戰略?xún)群?工業(yè)革命開(kāi)始于18世紀60年代，經(jīng)歷了工業(yè)1.0（機械化時(shí)代）、工業(yè)2.0（電氣化時(shí)代，人類(lèi)開(kāi)始進(jìn)入電氣時(shí)代，并在信息革命、資訊革命中達到頂峰）、工業(yè)3.0（20世紀后半期，電子計算機技術(shù)應用、空間技術(shù)快速發(fā)展和原子能的廣泛應用，人類(lèi)進(jìn)入信息時(shí)代）的發(fā)展。隨著(zhù)經(jīng)濟的快速發(fā)展，新的產(chǎn)業(yè)革命又將來(lái)臨，為了提升競爭力，德國政府于2013年在提出了工業(yè) 4.0 的發(fā)展戰略。工業(yè)4.0 戰略的提出實(shí)際上是開(kāi)始了第四次工業(yè)革命，這次的工業(yè)革命區別于之前的3次，它的實(shí)質(zhì)是以智能制造為主。這次的工業(yè)革命主要是采用通訊技術(shù)和空間虛擬系統相結合的方式，使制造業(yè)從信息化時(shí)代進(jìn)入智能化時(shí)代。工業(yè)4.0項目包含了3個(gè)方面，分別是智能工廠(chǎng)、智能生產(chǎn)以及智能物流。二、工業(yè)4.0中的重要環(huán)節之一是工業(yè)機器人的使用1. 工業(yè) 4.0 中工業(yè)機器人的重要作用將信息化與自動(dòng)化融合起來(lái)應用是“工業(yè)4.0”實(shí)施的關(guān)鍵。作為重要參與者，工業(yè)機器人在自動(dòng)化制造過(guò)程中的作用毋庸置疑，機器人技術(shù)水平的高低直接影響著(zhù)裝備制造的水平高低。目前很多工業(yè)機器人逐漸代替人工操作，隨著(zhù)生產(chǎn)機器人采用數字化技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以及采用高精密電阻器生產(chǎn)智能電路，使得機器人操作越來(lái)越靈活。從目前來(lái)看，制造過(guò)程中工業(yè)機器人的作用不言而喻，機器人的身影遍布各個(gè)領(lǐng)域。經(jīng)濟的發(fā)展要求制造企業(yè)轉型升級，工業(yè)機器人的廣泛應用則是轉型升級的突破點(diǎn)。據統計，自2013年以來(lái)，中國的工業(yè)機器人應用已在世界的市場(chǎng)份額占比最大，制造領(lǐng)域的工業(yè)機器人使用數量大幅增加。近年來(lái)，工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)與工業(yè) 4.0 戰略的深度結合已成為我國“十三五”戰略的重要組成部分，這使我國的工業(yè)機器人得到了飛速的進(jìn)展。面對要求更高的裝備制造和不斷升級的自動(dòng)化工廠(chǎng)，工業(yè)機器人作為自動(dòng)化設備在工業(yè) 4.0 中的地位不言而喻。 2．工業(yè)機器人的發(fā)展趨勢由于在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中對加工的復雜性和精度有了越來(lái)越高的要求，所以對機器人和應用程序的要求也在逐漸提高。以前機器人的計算平臺大多為傳統的 PC 平臺或嵌入式平臺，現在已經(jīng)逐漸發(fā)展到智能手機、平板電腦和其他移動(dòng)設備。機器人所配備傳感器也由原來(lái)的結構型、固態(tài)型發(fā)展到高端智能型。機器人技術(shù)采用現場(chǎng)總線(xiàn)通信做為主要的通信方式。工業(yè)機器人未來(lái)如何發(fā)展，美國權威的機器人產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì )做了如下的預測。 1）智能傳感器可以在機器人生產(chǎn)的前沿利用工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行信息的采集，來(lái)獲得以前生產(chǎn)商無(wú)法得到的數據。 2）工業(yè)網(wǎng)絡(luò )安全尤為重要。由于機器人使用規模越來(lái)越大，它們都需要連接到內部系統，這樣就增加了網(wǎng)絡(luò )安全的風(fēng)險。所以要求機器人生產(chǎn)商要對網(wǎng)絡(luò )安全加大投入，這樣才能夠保證生產(chǎn)的安全。 3）大數據分析成為競爭優(yōu)勢。機器人會(huì )是工廠(chǎng)里的主要信息來(lái)源，生產(chǎn)廠(chǎng)家應該對采集的信息數據進(jìn)行組織和分析，以采取有效的行動(dòng)來(lái)增強他們的競爭優(yōu)勢。 4）將實(shí)現一個(gè)開(kāi)放的自動(dòng)化體系結構。開(kāi)放式自動(dòng)化體系結構的需求增加是由于機器人自動(dòng)化的應用越來(lái)越廣泛。大型企業(yè)與機器人行業(yè)機構開(kāi)展合作，形成統一的標準，這樣有助于機器人的集成，使機器人的兼容性更好。 5）為了更好地發(fā)揮工業(yè)機器人的作用，在未來(lái)會(huì )加入虛擬解決方案。 6）協(xié)作機器人會(huì )應用更廣泛。協(xié)作機器人不但能安全地與人類(lèi)一起工作，而且往往比工業(yè)機器人便宜，能力更強，所以制造商會(huì )采用更多的協(xié)作機器人。三、傳感器技術(shù)的應用及發(fā)展 1. 傳感器技術(shù)與工業(yè)機器人互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、智能化都需要大量的信息，這些信息的產(chǎn)生都來(lái)自?xún)x器儀表或各種傳感器。沒(méi)有測量和測試，智能制造是不可能的。我國智能制造設備的發(fā)展方向主要包括以新型傳感器技術(shù)為代表的九項智能基礎通用技術(shù)，以及 8 項核心智能測控裝置與部件中應用的新型傳感器及其系統。因此可以看出，傳感器技術(shù)非常重要，而其他技術(shù)領(lǐng)域也離不開(kāi)相關(guān)數據的檢測和測試，測試的準確度、可靠度、實(shí)時(shí)度是保證智能制造發(fā)展的關(guān)鍵。而得到準確的信息都要靠傳感器來(lái)進(jìn)行檢測，因此傳感器技術(shù)的進(jìn)步必將成為工業(yè) 4.0 中的重中之重。工業(yè)機器人需要傳感器提供機器人自身狀態(tài)、操作對象和工作環(huán)境的準確認知，來(lái)執行正確地操作。機器人通過(guò)內部傳感器（位置、位移、速度、加速度）來(lái)獲取自身狀態(tài)的信息，然后為機器人控制單元反饋信息，進(jìn)行下一步的操作。對于外部情況和多操作目標的信息獲取要靠外部傳感器來(lái)完成。 2. 工業(yè)機器人中的傳感器技術(shù) 1）二維視覺(jué)傳感器。二維視覺(jué)傳感器是一個(gè)攝像頭，完成檢測移動(dòng)物體、定位傳送帶上的部件等各種任務(wù)。機器人根據檢測到的零件位置來(lái)調整自身的動(dòng)作進(jìn)行生產(chǎn)操作。 2）三維視覺(jué)傳感器。三維視覺(jué)系統一般有兩個(gè)攝像頭或不同角度的激光掃描儀來(lái)探測物體的三維空間。 3）力/力矩傳感器。機器人的觸覺(jué)依靠力/力矩傳感器來(lái)完成檢測。主要是用來(lái)感知末端執行器的力度的大小，從而來(lái)調整操作的位置、力度等相關(guān)內容，實(shí)現生產(chǎn)線(xiàn)的操作。在大部分情況下，由于力/力矩傳感器是處于機器人和夾具之間，所以機器人可以檢測監控到反饋到夾具上面的力。 4）碰撞測量傳感器。碰撞測量傳感器在機器人應用中起到保護安全的作用，它的形式比較多樣。通過(guò)檢測相關(guān)的環(huán)境信號，可以保證為操作員提供一個(gè)安全的工作環(huán)境，在此基礎上，機器人才能開(kāi)展工作，而可靠性是協(xié)作機器人所必備的。 3. 傳感器技術(shù)的發(fā)展趨勢傳感器技術(shù)從產(chǎn)生到廣泛應用基本歷經(jīng)了三個(gè)時(shí)段。第一個(gè)時(shí)期為結構傳感器發(fā)展和使用，結構傳感器利用傳感器自身結構參數在測量時(shí)發(fā)生改變來(lái)感知和轉換信號。第二個(gè)時(shí)期是固態(tài)傳感器的發(fā)展和使用，這個(gè)時(shí)期的傳感器采用特殊材料制成，通過(guò)測量時(shí)材料的特性發(fā)生變化來(lái)代表獲取的信息不同。第三個(gè)時(shí)期就是現在，智能傳感器正在得到大力的發(fā)展。傳感器技術(shù)的一個(gè)重要發(fā)展方向是發(fā)展智能化傳感器。智能傳感器的核心部件是微處理器，與傳統傳感器相比，可以實(shí)現信息采集、處理和交換的功能。 1）自補償與自診斷功能。傳統傳感器存在溫度漂移和輸出非線(xiàn)性的缺點(diǎn)，還需要定期檢查和定期校準，這些都對測量的準確性有一定的影響。而智能傳感器通過(guò)軟件計算，自動(dòng)補償由溫漂和非線(xiàn)性以及環(huán)境因素引起的信號失真，提高傳感器的測試精度，達到最好的測量結果。更加先進(jìn)的是，智能傳感器還具有自我診斷的功能。 2）信息存儲與記憶功能。與傳統的傳感器相比，智能傳感器具備一定的存儲空間，用來(lái)存儲相關(guān)的參數、信號和程序。這樣的話(huà)自動(dòng)控制系統控制器就不需存儲上述內容，剩余的存儲空間可以存儲其他信息，這樣就提高了控制器自身的性能。 3）數字輸出功能。傳統的傳感器大多是模擬輸入和輸出，輸出的信號必須經(jīng)過(guò) A/D 轉換才能進(jìn)行數字處理。目前，在工業(yè)控制系統中大多采用數字控制。智能傳感器則正好符合了控制系統的要求，它采用模擬－數字轉換電路，直接輸出數字信號，不需再進(jìn)行轉換，控制器的信號處理壓力得到了緩解。 4、隨著(zhù)技術(shù)的進(jìn)步，智能傳感器的發(fā)展呈現出以下幾個(gè)趨勢：1）微型化。智能傳感器的一個(gè)最主要的發(fā)展走向是微型化。微傳感器的主要特點(diǎn)是體積小、所占的空間不大，生產(chǎn)制造的成本較低，能夠節省開(kāi)支，但使用時(shí)的可靠性還比較高。一個(gè)微傳感器通常會(huì )包括中央處理器、微傳感器敏感元件、數字信號接口以及儲存部件，可以實(shí)現自動(dòng)的補償和校準。大小已進(jìn)入毫米到微米級。半導體加工技術(shù)的引入為傳感器的生產(chǎn)制造帶來(lái)了變化，在這基礎之上實(shí)現了傳感器的規?；a(chǎn)，是實(shí)現智能傳感器的微型化發(fā)展的重要技術(shù)支持。 2）多傳感器數據融合。使用多個(gè)傳感器同時(shí)進(jìn)行數據信息的采集，再利用處理器對采集到的信息進(jìn)行分析、判斷，得到檢測對象的真實(shí)數據。與僅僅用單傳感器來(lái)進(jìn)行數據檢測相比，可以看到非常明顯的優(yōu)勢。 3）無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )技術(shù)。單獨的微智能傳感器存在覆蓋的范圍小的局限性，所以在實(shí)際的應用中常常用數千萬(wàn)個(gè)微傳感器一起來(lái)共同工作，形成網(wǎng)絡(luò )化，構成智能傳感器的網(wǎng)絡(luò )，這樣在生產(chǎn)制造中發(fā)揮最大的效用。四、結語(yǔ) 現代化智能生產(chǎn)和智能制造，沒(méi)有傳感技術(shù)便無(wú)從談起。大數據時(shí)代的智聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)和終端設備都需要大量的數據信息，這些數據信息都來(lái)自服務(wù)器和傳感器。根據我國智能裝備發(fā)展規劃，重點(diǎn)是新型傳感技術(shù)、嵌入式控制系統設計等。核心智能測控裝置與部件是新型傳感器及其系統、智能控制系統等。國家智能制造的戰略布局上需要傳感器和傳感技術(shù)的快速發(fā)展，這也將成為我國工業(yè) 4.0 發(fā)展進(jìn)程中的關(guān)鍵內容，在一定程度上決定著(zhù)工業(yè) 4.0 革命的進(jìn)程。