2012年,美國(guó)提出“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”,2013年,德國(guó)提出“工業(yè)4.0”,2015年,中國(guó)提出“中國(guó)制造2025”。在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、AR、云計(jì)算等技術(shù)熱潮下,眾多制造企業(yè)都開始建設(shè)智慧工廠,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、信息化和智能化的智慧工廠是未來(lái)工業(yè)制造的發(fā)展趨勢(shì)。那么,什么樣的工廠才能稱做智慧工廠?作為智慧工廠重要組成部分的工業(yè)機(jī)器人采用了哪些技術(shù)?
提到智慧工廠,人們首先想到的是自動(dòng)化、智能化、工業(yè)機(jī)器人、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)等概念,那么,一個(gè)智慧工廠的標(biāo)準(zhǔn)配置有哪些?
控制器是智慧工廠的大腦,由程序計(jì)數(shù)器、指令寄存器、指令譯碼器、時(shí)序產(chǎn)生器和操作控制器組成,它是發(fā)布命令的“決策機(jī)構(gòu)”,完成協(xié)調(diào)和指揮整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的操作。智慧工廠中常用的控制器有PLC、工控機(jī)等。
工業(yè)機(jī)器人是自動(dòng)執(zhí)行工作的機(jī)器裝置,它既可以接受人的指揮,又可以運(yùn)行預(yù)先編排的程序,也可以根據(jù)以人工智能技術(shù)制定的指令行動(dòng)。
伺服電機(jī)是指在伺服系統(tǒng)中控制機(jī)械元件運(yùn)轉(zhuǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī),是自動(dòng)化工廠提供動(dòng)力的肌肉。伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速受輸入信號(hào)控制,在自動(dòng)控制系統(tǒng)中用作執(zhí)行元件,可把所收到的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電動(dòng)機(jī)軸上的角位移或角速度輸出。
傳感器為智慧工廠提供觸覺,是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)控制的首要環(huán)節(jié)。它能感受到被測(cè)量的信息,并能將感受到的信息按一定規(guī)律變換成電信號(hào)或其他形式的信息輸出。在自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中需要用各種傳感器來(lái)監(jiān)視和控制各個(gè)參數(shù),使設(shè)備工作在正常狀態(tài)或jia狀態(tài),并使產(chǎn)品達(dá)到hao的質(zhì)量。
變頻器是智慧工廠的交換器,由整流(交流變直流)、濾波、逆變(直流變交流)、制動(dòng)單元、驅(qū)動(dòng)單元和檢測(cè)單元微處理單元組成。它應(yīng)用變頻技術(shù)與微電子技術(shù),通過(guò)改變電機(jī)工作電源頻率的方式來(lái)控制交流電動(dòng)機(jī)。
電磁閥是用電磁控制的工業(yè)設(shè)備,可以配合不同的電路來(lái)實(shí)現(xiàn)預(yù)期的控制。它屬于執(zhí)行器,是智慧工廠的開關(guān)。
工業(yè)相機(jī)是智慧工廠的眼睛,是機(jī)器視覺系統(tǒng)關(guān)鍵組件。工業(yè)相機(jī)一般安裝在機(jī)器流水線上代替人眼來(lái)做測(cè)量和判斷,通過(guò)數(shù)字圖像攝取目標(biāo)轉(zhuǎn)換成圖像信號(hào),傳送給的圖像處理系統(tǒng)。圖像系統(tǒng)對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行各種運(yùn)算,抽取目標(biāo)特征,并根據(jù)判別的結(jié)果來(lái)控制現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備動(dòng)作。
儀器儀表是智慧工廠的調(diào)節(jié)系統(tǒng),用來(lái)檢出、測(cè)量、觀察并計(jì)算各種物理量、物質(zhì)成分和參數(shù)等。比如測(cè)量壓力、液位、流量、溫度等一些控制過(guò)程所需要的參數(shù)值,就需要相關(guān)的儀器儀表。
自動(dòng)化軟件是智慧工廠的心臟。例如,SCADA數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)可以在無(wú)人看管的情況下,對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行調(diào)度和自動(dòng)化控制。
控制柜是智慧工廠的中樞系統(tǒng)。智慧工廠涉及電氣、變頻、電源、水泵等控制柜,可實(shí)現(xiàn)不同的控制功能。
下面將詳細(xì)剖析智慧工廠的重要組件——工業(yè)機(jī)器人。
機(jī)器人自動(dòng)化是一項(xiàng)快速進(jìn)步的技術(shù),在短短幾十年的時(shí)間里,工業(yè)機(jī)器人已經(jīng)在*范圍內(nèi)變成工廠里普通的裝置。
工業(yè)機(jī)器人不僅可以克服惡劣環(huán)境對(duì)生產(chǎn)的影響,減少人工的使用,保障工人的安全,還能夠幫助工廠節(jié)約生產(chǎn)成本,提高生產(chǎn)效率,從而保證產(chǎn)品質(zhì)量。
工業(yè)機(jī)器人是多自由度的機(jī)器裝置,能自動(dòng)執(zhí)行工作,按照自身動(dòng)力和控制能力來(lái)實(shí)現(xiàn)各種功能,由機(jī)械部分、傳感部分、控制部分等三大部分組成,這三大部分又分成六個(gè)子系統(tǒng)。分別為:
驅(qū)動(dòng)系統(tǒng):給每個(gè)關(guān)節(jié)即每個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度安置傳動(dòng)裝置,使機(jī)器人運(yùn)動(dòng)起來(lái)。
機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng):由機(jī)身、手臂、末端操作器三大件組成。每一大件都有若干自由度,構(gòu)成一個(gè)多自由度的機(jī)械系統(tǒng)。手臂一般由上臂、下臂和手腕組成。末端操作器是直接裝在手腕上的一個(gè)重要部件,可以是兩手指或多手指的手爪,也可以是噴漆槍、焊槍等。
傳感系統(tǒng):獲取內(nèi)部和外部環(huán)境狀態(tài)中有意義的信息,提高了機(jī)器人的機(jī)動(dòng)性、適應(yīng)性和智能化水準(zhǔn)。
機(jī)器人-環(huán)境交互系統(tǒng):實(shí)現(xiàn)機(jī)器人與外部環(huán)境中的設(shè)備相互聯(lián)xi和協(xié)調(diào)的系統(tǒng)。
人機(jī)交互系統(tǒng):人與機(jī)器人進(jìn)行聯(lián)xi和參與機(jī)器人控制的裝置。
控制系統(tǒng):根據(jù)機(jī)器人的作業(yè)指令程序以及從傳感器反饋回來(lái)的信號(hào),支配機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)去完成規(guī)定的運(yùn)動(dòng)和功能。
在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域,機(jī)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(bào)告預(yù)測(cè),到2021年,工業(yè)機(jī)器人傳感器市場(chǎng)將以約8%的復(fù)合年增長(zhǎng)率(CAGR)穩(wěn)步增長(zhǎng)。對(duì)于包括消費(fèi)者和汽車在內(nèi)的機(jī)器人傳感應(yīng)用,另一份報(bào)告明確指出,到2027年,視覺系統(tǒng)將單獨(dú)成就57億美元的市場(chǎng),力傳感器市場(chǎng)將超過(guò)69億美元。
下面列出了工業(yè)機(jī)器人中常用到的傳感器。
二維視覺傳感器
二維視覺是一個(gè)可以執(zhí)行從檢測(cè)運(yùn)動(dòng)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(jī)都可以檢測(cè)零件并協(xié)助機(jī)器人確定零件的位置,機(jī)器人可以根據(jù)接收到的信息適當(dāng)調(diào)整其動(dòng)作。
三維視覺傳感器
三維視覺系統(tǒng)必須擁有兩個(gè)不同角度的攝像機(jī)或激光掃描器,用以檢測(cè)對(duì)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(cè)物體并創(chuàng)建三維圖像,分析并選擇hao的拾取方式。
力/力矩傳感器
如果說(shuō)視覺傳感器給了機(jī)器人眼睛,那么力/力矩傳感器則給機(jī)器人帶去了觸覺。機(jī)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(jī)器人和夾具之間,這樣,所有反饋到夾具上的力都在機(jī)器人的監(jiān)控之中。
有了力/力矩傳感器,裝配、人工引導(dǎo)、示教、力度限制等應(yīng)用才得以實(shí)現(xiàn)。
碰撞檢測(cè)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(gè)安全的工作環(huán)境,協(xié)作機(jī)器人需要它們。
一些傳感器可以是某種觸覺識(shí)別系統(tǒng),通過(guò)柔軟的表面感知壓力,給機(jī)器人發(fā)送信號(hào),限制或停止機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。
一些傳感器還可以直接內(nèi)置在機(jī)器人中。有些公司利用加速度計(jì)反饋,還有些則使用電流反饋。在這兩種情況下,當(dāng)機(jī)器人感知到異常的力度時(shí),便觸發(fā)緊急停止,從而確保安全。
要想讓工業(yè)機(jī)器人與人進(jìn)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(jī)器人周圍的狀況。有些安全系統(tǒng)可以設(shè)置成當(dāng)有人出現(xiàn)在特定的區(qū)域/空間時(shí),機(jī)器人會(huì)自動(dòng)減速運(yùn)行,如果人員繼續(xù)靠近,機(jī)器人則會(huì)停止工作。
簡(jiǎn)單的例子是電梯門上的激光安全傳感器。當(dāng)激光檢測(cè)到障礙物時(shí),電梯門會(huì)立即停止并退回,以避免碰撞。
其它傳感器
市場(chǎng)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(lái)越受歡迎。這類傳感器一般安裝在抓手上,用來(lái)檢測(cè)和感覺抓取的物體是什么。傳感器通常能夠檢測(cè)力度并得出力度分布的情況,從而知道對(duì)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(cè)熱量的變化。
視覺和接近傳感器類似于自動(dòng)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(dá)和激光雷達(dá)。某些情況下可以使用多個(gè)攝像頭,尤其是立體視覺。將這些傳感器組合起來(lái)使用,機(jī)器人便可以確定尺寸,識(shí)別物體,并確定其距離。
射頻識(shí)別(RFID)傳感可以提供識(shí)別碼并允許得到許可的機(jī)器人獲取其他信息。
麥克風(fēng)(聲學(xué)傳感器)幫助工業(yè)機(jī)器人接收語(yǔ)音命令并識(shí)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(shí)別并消除振動(dòng)引起的噪聲,避免機(jī)器人錯(cuò)誤理解語(yǔ)音命令。先進(jìn)的算法甚至可以讓機(jī)器人了解說(shuō)話者的情緒。
溫度傳感是機(jī)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(xué)、光學(xué)和顏色傳感器,機(jī)器人能夠評(píng)估、調(diào)整和檢測(cè)其環(huán)境中存在的問(wèn)題。
對(duì)于可以走路、跑步甚至跳舞的人形機(jī)器人,穩(wěn)定性是一個(gè)主要問(wèn)題。它們需要與智能手機(jī)相同類型的傳感器,以便提供機(jī)器人的準(zhǔn)確位置數(shù)據(jù)。在這些應(yīng)用采用了具有3軸加速度計(jì)、3軸陀螺儀和3軸磁力計(jì)的9自由度(9DOF)傳感器或慣性測(cè)量單元(IMU)。
傳感器是實(shí)現(xiàn)軟件智能的關(guān)鍵組件,沒(méi)有傳感器,很多復(fù)雜的操作就不能實(shí)現(xiàn)。它們不僅實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜的操作,同時(shí)也保證這些操作在進(jìn)行的過(guò)程中得到良好的控制。
移動(dòng)機(jī)器人需要通過(guò)傳感器實(shí)時(shí)獲取周圍的障礙物信息,包括尺寸、形狀和位置信息,來(lái)實(shí)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(cè)量超聲波的飛行時(shí)間,通過(guò)d=vt/2測(cè)量距離,其中d是距離,v是聲速,t是飛行時(shí)間。
上圖是超聲波傳感器信號(hào)的一個(gè)示意。通過(guò)壓電或靜電變送器產(chǎn)生一個(gè)頻率在幾十kHz的超聲波脈沖組成波包,系統(tǒng)檢測(cè)高于某閾值的反向聲波,然后使用測(cè)量到的飛行時(shí)間計(jì)算距離。超聲波傳感器一般作用距離較短,普通的有效探測(cè)距離幾米,但是會(huì)有一個(gè)幾十毫米左右的小探測(cè)盲區(qū)。由于超聲傳感器成本低、實(shí)現(xiàn)方法簡(jiǎn)單、技術(shù)成熟,是移動(dòng)機(jī)器人中常用的傳感器。
紅外傳感器
一般的紅外測(cè)距都是采用三角測(cè)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(huì)反向回來(lái),檢測(cè)到反射光之后,通過(guò)結(jié)構(gòu)上的幾何三角關(guān)系,就可以計(jì)算出物體距離D。
當(dāng)D的距離足夠近的時(shí)候,上圖中L值會(huì)相當(dāng)大,如果超過(guò)CCD的探測(cè)范圍,雖然物體很近,傳感器反而看不到了。當(dāng)物體距離D很大時(shí),L值就會(huì)很小,測(cè)量精度會(huì)變差。因此,常見的紅外傳感器的測(cè)量距離都比較近,小于超聲波,同時(shí)遠(yuǎn)距離測(cè)量也有小距離的限制。另外,對(duì)于透明的或者近似黑體的物體,紅外傳感器是無(wú)法檢測(cè)距離的。但相對(duì)于超聲來(lái)說(shuō),紅外傳感器具有更高的帶寬。
激光傳感器
常見的激光雷達(dá)是基于飛行時(shí)間的(ToF,time of flight),通過(guò)測(cè)量激光的飛行時(shí)間來(lái)測(cè)距d=ct/2,類似前面提到的超聲測(cè)距公式,其中d是距離,c是光速,t是從發(fā)射到接收的時(shí)間間隔。
比較簡(jiǎn)單的方案是測(cè)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(cè)量發(fā)射和反向信號(hào)之間的相移,如上圖。
調(diào)制信號(hào)的波長(zhǎng)為lamda=c/f,其中c是光速,f是調(diào)制頻率,測(cè)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(jì)算得到,如上圖。
視覺傳感器
常用的計(jì)算機(jī)視覺方案也有很多種, 比如雙目視覺,基于TOF的深度相機(jī),基于結(jié)構(gòu)光的深度相機(jī)等。
基于結(jié)構(gòu)光的深度相機(jī)發(fā)射出的光會(huì)生成相對(duì)隨機(jī)但又固定的斑點(diǎn)圖樣,光斑打在物體上,因?yàn)榕c攝像頭距離不同,被攝像頭捕捉到的位置也不相同。先計(jì)算斑點(diǎn)與標(biāo)定的標(biāo)準(zhǔn)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(jì)算出物體與攝像頭的距離。
雙目視覺的測(cè)距本質(zhì)上也是三角測(cè)距法,由于兩個(gè)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(gè)攝像頭看到的同一個(gè)點(diǎn)P,在成像的時(shí)候會(huì)有不同的像素位置,此時(shí)通過(guò)三角測(cè)距就可以測(cè)出這個(gè)點(diǎn)的距離。
美國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)(RIA)預(yù)測(cè)了工業(yè)機(jī)器人的六大發(fā)展趨勢(shì)。
工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(IIoT) 技術(shù)的應(yīng)用:機(jī)器人會(huì)在生產(chǎn)的前沿應(yīng)用智能傳感器,采集制造商以前無(wú)法獲得的數(shù)據(jù)。
優(yōu)先考慮工業(yè)網(wǎng)絡(luò)安全:機(jī)器人與內(nèi)部系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)越來(lái)越多,網(wǎng)絡(luò)安全的風(fēng)險(xiǎn)不斷增加。制造商必須解決生產(chǎn)工藝中的缺陷,并在網(wǎng)絡(luò)安全方面加大投資,確保安全、可靠的生產(chǎn)。
大數(shù)據(jù)分析成為競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì):機(jī)器人將成為工廠車間的主要信息來(lái)源之一。制造商必須實(shí)施系統(tǒng)來(lái)組織和分析采集到的所有數(shù)據(jù),以便采取有效的行動(dòng),提升企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。
實(shí)施開放式的自動(dòng)化架構(gòu):隨著機(jī)器人自動(dòng)化應(yīng)用越來(lái)越廣泛,對(duì)開放式自動(dòng)化架構(gòu)的需求相應(yīng)增加。大型的行業(yè)參與者將與行業(yè)機(jī)構(gòu)一起制定標(biāo)準(zhǔn)和開放式文檔,機(jī)器人集成更加容易,兼容性會(huì)變得更好。
虛擬解決方案增加:虛擬解決方案會(huì)成為工業(yè)機(jī)器人的一個(gè)主要部分。
協(xié)作機(jī)器人將更受歡迎:協(xié)作機(jī)器人可以在人類身邊安全地工作,而且通常比工業(yè)機(jī)器人便宜得多。隨著協(xié)作機(jī)器人在嚴(yán)苛的工業(yè)環(huán)境中變得更有能力,對(duì)率有嚴(yán)格要求的制造商會(huì)更多地采用協(xié)作機(jī)器人。
“工業(yè)4.0”強(qiáng)調(diào)自動(dòng)化與信息化相互融合,工業(yè)機(jī)器人作為自動(dòng)化制造過(guò)程的重要參與者,直接影響著工業(yè)制造自動(dòng)化水平。隨著工業(yè)產(chǎn)品工藝復(fù)雜程度和精度的要求不斷提高,機(jī)器人的應(yīng)用場(chǎng)所和應(yīng)用需求也越來(lái)越復(fù)雜和苛刻,機(jī)器人的計(jì)算平臺(tái)已經(jīng)從傳統(tǒng)的PC平臺(tái)、嵌入式平臺(tái)擴(kuò)展到智能手機(jī)、平板電腦等移動(dòng)設(shè)備,機(jī)器人配備的傳感器從簡(jiǎn)單的光電開關(guān)、觸碰開關(guān)發(fā)展到觸覺、聲覺、視覺等傳感器,機(jī)器人伺服系統(tǒng)與控制系統(tǒng)之間的通信方式也由原來(lái)的“脈沖+方向”的通信線纜,發(fā)展到通信更、通信數(shù)據(jù)量更大的各種現(xiàn)場(chǎng)總線。機(jī)器人控制系統(tǒng)正朝著開放化的方向轉(zhuǎn)變,工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)分析以及虛擬化等技術(shù)的發(fā)展,也使機(jī)器人更好地融入制造業(yè)應(yīng)用。