复合传感器在机器人中的应用

来源：plantservices Robotic hybrid sensors - those with multiple types of detection systems – aren’t part of the flexible automation mainstream. However, the use of hybrids, while small, is on the rise. 机器人复合传感器（一些多种类型的探测系统集于一身的传感器）不属于柔性自动化主流产品。然而，这些复合传感器虽然很小，但其应用越来越广泛。 越来越多的机器人系统终端用户认为复合传感器在制造领域扮演着重要的角色。在机器人的制造过程中这些传感器特别适用于传送多种形式的零件信息。 一种复合传感器拥有“多种传感器和多种处理技术，以便获得比一个人从单个传感器上获得的更多的信息，”位于米拉斯维尔城的宾夕法尼亚大学自动化与电子技术学院的副教授，John R. Wright说。Wright利用一个简单的方程来描述它们：“1＋1＝3。” 调查报告显示 在2006年的秋天，位于美国密歇根州安阿伯市的机器人工业协会（RIA，www.roboticsonline.com），即一个仅仅从事机器人学的北美贸易协会，与Wright合作对其成员公司进行了问卷调查，以便研究复合传感器潜在的市场。调查数据显示，几乎75％的被调查者认为复合传感器将会在他们工厂很有用。 根据调查表明，复合传感器最有利的三方面应用是视觉、红外/激光和光电的应用。调查结果也回答了配备复合传感器会带来什么好处。增添了功能的机器人工作单元和其集成的便利性已超过其感知的优点。 人们期望复合传感器最大的潜力来自于提供给视觉系统辅助功能，以保证其在针对目前的视觉技术仍有疑问的应用中。在回答这份调查报告时几乎75％的被调查者认为视觉特性用于复合传感器系统中具有最大的潜力。调查也发现物料搬运、装配、焊接及机器操作管理也是复合传感器最有应用前景的领域。 为什么要采用复合式呢？ 有两种你也许会考虑投资到你的机器人系统的复合传感器中的理由。 “复合传感器能做一些传统二维照相机不能做的事情。二维照相机能拍一张照片，并将其数据发到机器人上，”Servo-Robot公司（www.servorobot.com）总经理，Jeffery Noruk说。“但是，二维照相机在所有条件下不可能正常工作，如当灯光变化或深度信息变化时。”Noruk声称，这些情况出现在具有激光特性和二维拍摄能力的复合传感器能派上用场的地方。 Noruk提供的投资到复合传感器的第二种理由是与单机激光视觉系统的局限性有关。他说：“激光视觉具有一个很小的视场深度，仅仅能工作在一个相对小的视场范围内。在一个大视场范围下，我们可以利用超声波传感器使机器人到达具有准确位置的零件处。” 复合传感器从长远来看比较划算，因为可以使用较少的设备来完成更多的任务。 “投资到复合传感器上的理由是出于成本/性能的考虑，这里复合传感器可能与低端视觉系统竞争；也是出于纯粹的性能考虑，这里增添其它感知性能的现有视觉系统在复杂的应用方面可能会提高其价值。” Wright解释道。 复合传感器的应用 复合传感器应用于多种领域，其中包括物料搬运的应用。“用于物料搬运应用中的复合传感器与照相机和超声波传感器配合。该超声波传感器使得抓爪器以很快的速度到达一个零件附近，”Noruk说。“在离那个零件一定距离处，具有较小范围或视场深度的激光传感器负责并指导机器人去精确定位。” 焊接也是一个能使用复合传感器的应用领域。“一位终端用户配备了一套使用麦克风和Web摄像头跟踪焊缝的激光系统。其中激光传感器用于实时机器人引导中，而麦克风用在焊缝过程听起来正确的声音确认中，”Noruk说。“当机器人处于教学模式时，终端用户已经看到在焊接应用中使用复合传感器的优势。” 当超声波传感器与激光视觉结合起来使用时，其复合传感器在拾放、模块堆积和自动阶梯形砌接的应用中也是有益的（如图1所示）。“复合传感器允许制造者将其用于一些先前不可能实现或效率低下的物料搬运应用中，”Noruk说。 复合传感器在物料搬运的应用中扮演着重要的角色。“复合传感器用于零件定位上时具有融合了三维位置和方向信息的二维视觉特性，”FANUC机器人网络公司（www.fanucrobotics.com）的控制器产品开发总经理，Claude Dinsmoor说。 图1 使用复合传感器定位零件也有助于模块堆积和机器装载方面的应用（如图2所示），同时也有利于装配方面的应用，其中二维和三维视觉传感器被用于复杂装配的压力感知中，Dinsmoor说。“复合传感器用于夹紧或齿轮键槽装配过程中，其中不是一个人，也不是一个视觉系统单独能完成的。” 图2 在集装应用方面，复合传感器用于混合模块的堆积，尤其适用于局部层和寻找边缘层上。在密封和配发应用方面，它们能检测到复杂联合表面的位置，诸如汽车制造过程中的沟槽承轨面或半凸缘盘区域，并且也能检测出其它复杂的特征。复合传感器工作在三维空间中，且具有六个自由度用来检测零件的位置，同时可以增添一套配有压力敏感元件的接触装置。“只是所检测到的零件特征不是太理想，”Dinsmoor说。 “今天，用于物料搬运、装配、集装及配发应用中复合传感器可能与现有的传感器竞争地位优势，但这是成本/性能的竞争，”Wright说。“复合传感器的便利操作可能对于选择混合式传感器的自动化专业人士而言是第二点优势。” 复合传感器发展前景 辅助传感器是值得努力将其集成的。“如果终端用户在一个工作单元内使用超过一个传感器，那么集成商需要知道如何去安排所涉及到的所有传感器技术，”Noruk说。在混合系统中利用同一台计算机和软件包来控制每个传感器。 “使用复合传感器的技巧是允许用户在预期的应用目的中配置相关的技术，”Wright说。“一个主要的障碍是界面问题，即把人工智能的优势与易于使用、直观应用的软件开发衔接起来。” 并不是每个传感器都能与其它传感器结合起来。“与一些光学系统的兼容是一个问题，因为激光传感器具有有限的视场，”Noruk说。如果一个Web摄像头太大，那么它将不适合用在一个工作单元中。在视场深度、视场和分辨率之间的某些折衷是必要的。“用于物料搬运的一些复合传感器具有100mm的视场。超声波传感器具有4米的视场，”Noruk说。“如果该工作单元要求超声波传感器具有6米的视场，而Web摄像头要求12米的视场，那么这两种传感器组合在一起的工作效果不是很好。” 多种传感器的使用没必要删减。“增添更多的传感器若不能带来任何更重要的利益，则这将会没有一点儿收获的。传感器数量仅仅受成本和性能的限制，”Wright说。Noruk认为增添多于三个传感器是可行的，但是他至今没见过任何人这样做过。“我曾在物料搬运工作单元中见过使用三个传感器：超声波的、激光视觉的和Web摄像头指示器。在焊接方面的应用中，我们已经将声音和Web摄像头与激光视觉结合在一起使用了，”他说。 复合传感器在集成方面通常比一些辅助传感器面临较少的挑战。“如果所设计的复合传感器作为机器人的一部分，那么实际上它们比传统的传感器可能更简单、更容易去安装和编程。辅助数据使其应用更稳定，并对零件或环境的变化不太敏感，”Dinsmoor说。“如果这些传感器没有集成，那么它们的设计和应用会更加复杂。” 复合传感器的未来发展 复合传感器在基于机器人的制造行业中可能成为一种规范标准。Wright预计在复合传感器闯出一片市场之前将需要更多的投资。“成为机器人规范标准的复合传感器将依靠可能用于这一研究生产线上的投资金额。我预测10年内在基于机器人学的制造行业中其复合传感器会变得越来越普遍，”他说。 Dinsmoor认为它们将会成为主流。“随着复合传感器变得越来越可靠，更多应该领域将会在基于机器人的制造行业中使用它们来提高其价值。我认为在复合传感器覆盖多数机器人应用领域之前将需要三到五年的时间，”他预言。“复合传感器将利用机器人学超过硬自动化更灵活的特性，因为其可靠性和灵活性是非常关键的。” Noruk看到该项技术稳步增长的趋势。“复合传感器在机器人学市场中将稳步前进，而不是快速增长，”他说。“用于物料搬运的复合传感器将会发展起来，因为没有它们，有些应用就无法实现。如获得5％的物料搬运市场需要花三年的时间。而复合传感器在三年内将获得不到一半的市场，这是肯定的。关于复合传感器达到这种市场水平还有许多成功的故事。” Bennett Brumson在美国密歇根州安阿伯市的机器人工业协会中从事编辑工作。为了了解更多的关于如何下载全部物料搬运复合传感器市场研究报告，请联系RIA电话（734）994-6088，给Jim Adams发email（jadams@robotic.org），或者登录该协会网站www.roboticonline.com。