机器人及机器人用传感器简析

根据国际机器人联合会（I F R）于2018年2月在法兰克福发布的最新报告，全球制造行业的工业机器人使用密度已达到74台/万人（每万名工人使用工业机器人数量），而在2015年，全球平均机器人密度为66台/万人。2018年1月22日国家统计局公布了国内2017年全年工业机器人的产量为生产超过13万套，累计增长68.1%，其中12月份产量为12682套，单月同比增长56.5%。

机器人在工业自动化中的应用优势日益凸显，比如，在《传感器》3月刊上提及的AGV（Automated Guided Vehicles）自动导引车，其大量使用了日本北阳的数字激光导航传感器，实现高速高精度的移动……这证明了智能移动机器人已活跃于中国市场。因此，机器人产业自身的发展极大推动了传感器技术的进步。本文将针对机器人的发展，重点讨论机器人用传感器的应用。

一、机器人的发展

机器人的基本结构由关节式机械系统及各种执行装置等组成，具体分为：（1）执行装置；（2）机器人模型、环境模型、工作任务、控制算法、控制器等；（3）环境；（4）任务四部分。在（1）部分有内传感器，在（3）部分有外传感器。内传感器和电机、轴等机械部件或机械结构如手臂、手腕等安装在一起，完成位置、速度、力等的测量，实现伺服控制。外传感器用于检测机器人所处环境及状况或目标物状态特征，是机器人与周围进行交互工作的信息通道，使机器人对环境有自校正和自适应能力，可适应不断变化的外部环境，从而更好地进行工作。

机器人的发展，一般分为三代。第一代可编程机器人，或称示教再现型机器人，它根据操作员所编程序，完成一些重复性操作，对机器人进行“示教”，机器人将这些操作记忆下来，之后即可根据“再现”指令，重复再现各种操作。第二代为感知机器人，即自适应机器人，它在第一代机器人的基础上发展起来，具有部分感知能力。第三代为自治式机器人，它具有较强的感知、识别、推理、规划和学习等智能，它能够把感知等和行动，智能化结合起来，能在非特定的环境下作业，又称智能机器人。

在第三代智能机器人中，可移动的陆上、空中、水中机器人、仿人机器人、仿生机器人等，近年发展十分迅速，多个机器人可形成一个系统，完成总的任务，逐渐形成多机器人系统研究方向。

机器人规划是人工智能与机器人学相连的一个结合点，是包括单个机器人在内的智能机器人的一个重要研究领域，包括了路径规划、轨迹规划、运动规划、步态规划、任务规划等各种高层规划和低层规划，以及与之相关的环境描述、地图创建等，这样才能回答机器人自主导航需要回答的三个问题：“我在什么地方？”、“我到什么地方？”、“我怎么才能到达目的地？”，也就是机器人的定位问题、目标识别与跟踪问题、路径规划与避障问题。

在这里，规划（planning）指的是在执行一个问题求解程序中的任何一步之前，计算该程序几步的过程。即规划是一个行动过程的描述。具体说路径规划就是根据所感知到的工作环境信息，按照某种优化指标，在起始点和目标点之间规划出一条与环境障碍无碰撞的路径。路径规划有三种类型：

1、基于模型的路径规划，主要应用于结构化环境，规划方法有栅格法、可视图法、拓朴法等。

2、基于传感器信息的路径规划，主要应用于非结构化环境方法有人工势场法、确定栅格法和模糊逻辑算法等。

3、基于行为的路径规划，把规划问题分解为许多相对独立的单元，如避碰、跟踪等。

在规划中，使用智能算法，有神经网络、模糊逻辑、遗传算法、强化学习以及各种混合进化算法，模拟退火算法、蚁群优化算法、粒子群算法、基于免疫富甲天下和示例学习算法等。

导航的基本任务包括基于环境理解的全局定位、目标识别、障碍物检测及安全保护，可以分为地图的导航、基于创建地图的导航和无地图的导航，还可以分为视觉导航系统和非视觉传感器组合导航。在实际应用中往往使用多种传感器共同工作，并采用传感器融合技术，以求得所需的环境特性。

多机器人系统，由于传感器视野宽阔，信息冗余，有利于提高机器人的定位精度和地图创建的品质；由于系统容错性高，可以防止由于单个机器人失效引起的任务失败；又由于系统的并行处理能力可以在更短时间内完成特定任务；由于多个简单异构机器人组成的多机器人系统，可以功能互补，实现单个复杂机器人无法实现的功能。基于这些优点，多机器人系统解决未知环境下的军事侦察、灾难救援、追捕逃跑及大型活动开幕等任务，已引起各界的关注。

图1 单个智能机器人的系统结构

具有代表性的多机器人系统，有群智能机器人系统、自重构机器人系统、协作机器人系统、机器人足球赛等4种。工业机器人产业的发展仍是最迅猛的，全球和我国情况都说明这点，2017年8月北京机器人大会发布我国机器人市场规模为63亿美元。2017年中国机器人整体市场需求量约为11.5万台，同比增长25%，其中多关节工业机器人（3关节以上）达到17万多台。在手机等3C行业中机器人销量占各行业中的17%（2015年），另一个传统工业机器人需求最大市场，仍然是汽车产业。一般来说，工业机器人中典型应用有如下几种二焊接机器人（占工业机器人总量的40%以上）、橡塑行业机器人（注塑机械手等）、煤矿行业机器人（采掘机器人、凿岩机器人井下喷浆机器人）、石油行业机器人（轮式、履栅式、螺旋轮式行走、胀闸活塞式行走、多脚式行走的管道机器人等）、盾构机、危险作业机器人、自动导引车（AGV）以及数控机床和加工中心（这项纳入机器人、有争议。起码特殊机床及工具、刀具、上料等方面有特殊要求的切削机床和有特殊要求的3D打印机可以与机器人相结合）。总之，工业机器人用传感器，仍是面大量广的产品。机器人网络化并逐步连接到云端，这种需求也迫使传感器要加速网络化。

再一个趋势就是人工智能技术与机器人的大脑和神经系统的结合，云计算与机器人网络相连。中国劳动年龄人口将在2024年达到峰值，之后的50年中减少五分之一，必须从智能机器人（或人工智能+机器人）中找到经济增长点，所以除去即早规划数据生态、行业改造、人才储备、教育培训之外，更要在如下方面——国际、国内建立伦理和法律共识，应尽早着手进行实质性工作。

二、机器人传感器的发展

由上节可知机器人传感器可以分内传感器、外传感器两类，一般内传感器有位置传感器、速度和加速度传感器、力觉传感器等，外传感器有触觉传感器、应力传感器、接近度传感器、声觉传感器、温度传感器（接触式和非接触式）、滑觉传感器、距离传感器、视觉传感器等。从感知角来看，可以分如下部分：明晴觉、色觉、位置觉、嗅觉、味觉、形状觉、接触觉、压觉、力觉、接近觉、滑觉、听觉、热觉等。随着智能机器人、移动机器人的出现，对传感器除去精度、可靠性、稳定性要求更高以外，对抗干扰、重量轻、体积小及安装（特别安装方向）等要求更苛刻了。另外是安全保护方面，也对传感器提出了新的课题。

移动机器人因为感知能力和移动能力有直接的关联，所以对其感应系统有较高的要求，要形成一个集环境感知、动态决策与规划、行为控制与执行的多功能的一体化综合系统，还可能对外界环境或剌激进行收集，包括对物理、化学、生物等信号的感知，有时还要在移动机器人上加装反馈传感器，用来从内部测量机器人的姿态/速度/加速度等，对应传感器供电方式、工作原理、工作机理有多种型式，又感知和控制体系结构又分为三种结构：串联结构、反应结构、学习结构，所以移动机器人领域要求传感器专业的人应深入到机器人领域中发挥作用，才能对移动机器传感的研制和应用有所作为。

机器人传感器是在发展中的新行业，估计约占传感器产业规划的15%左右，所以在我国年需要量产值约为10亿美元左右，不可小觑：

1、关于集成电路和嵌入式微机系统技术：我们正处于大规模集成电路和嵌入式技术应用阶段，如九轴机器人自由度IMU传感器模块，用于机器人的角度和加速度的测量，采用了32位ARM的Cortex-M3CPU，及霍尼韦尔公司3轴数字罗盘HM C5883L、MPU-6050六轴运动处理组件，并可连接其它加速器、磁力传感器，可形成完整的九轴融合演算技术。其他还有各种通信模块等，但这离SOC片上系统、MCM（multc-chipmoduls）技术专用于微型式纳米型传感器还需努力。

2、关于MEMS微电子机械系统（micro electromechanical system）：该技术催生了微加速度传感器，并在机器人中使用，这是超大规模集成电路与MEMS技术两项机器人传感器技术的基础。下面详细介绍20世纪80年代美国和德国人发明的LIGA加工技术。

MEMS技术是在大规模集成电路方面加工技术基础上发展起来的三维加工技术，其中LIGA是德文lithographie、galvanofomung、abfomung三种工艺的缩写，具体LIGA的工艺流程如图2所示，8个工序为曝光、显影、电铸、去胶、注塑、脱膜、电铸（在模具框架内电铸）、去塑。关键技术有X射线源、X射线掩膜版、微电铸等项。

总的来说，LIGA加工技术由同步辐射光源进行X射线深层光刻、微电铸和微塑注三项工艺组成，可得到侧壁陡直、厚度1000微米、深宽比100的光刻胶微结构，经电铸获得的金属微结构作为模具可对多种材料进行批量生产，制造出不同高深宽比的三维微结构器件。正是因为此法出现，MEMS才得到迅速的发展。

图2 电磁波谱

3 、关于检测原理的发展—— 光电技术：机器人传感器的检测原理含盖了电磁法、光学法、微波法、超声波、核辐射法、半导体效应（包括气敏效应等）、电化学分析等方面。由电磁波谱（见图2）可知，与机器人传感器关系密切的除可光光外，无线电波以、红外光及激光等方面应用，都有发展，仅与光电效应有关的光电器件，就有光电管、光电倍增管、光敏电阻、光电二极管、光电三极管、光电池等。红外线传感器、光纤传感器、光敏阵列等应用范围很广。RFID射频识别技术、工业无线传感器网（WSN，Wireless Sensors Network）及相关的无线局域网（WLAN，Wireless Local Area Networks）、Wi-Fi(Wireless Fidelity 无线保真）（俗称无线宽带）等在机器人传感器中正在逐步推广，这应引起本行业技术人员关注。

在机器人传感器中，激光测量技术受到很大重视。激光具有单色性好、方向性好、时间相干性好、空间相干性好、亮度高、聚焦性强等优点。我国物流系统广泛应用瑞典NDC公司激光导引技术，把激光测角、测距、激光雷达等与陀螺导引技术相结合，复合应用在一台AGV中。

三、结束语

正如开篇提及的AGV自动导引车在物流系统中的广泛应用，反映了中国智能机器人发展的趋势，如Honeywell分析技术公司的3台Mir移动机器人（AGV）使生产线与仓库之间的原材料运输实现了自动化，从而有效提高了生产效率和产能利用率。目前Honeywell分析技术公司已经将新购置的机器人“同事”（AGV）编入现有“人力资源管理系统”中了，并在那里设置了一个专用按钮，以便于与机器人通话——这是一个崭新的生产关系、生产方式、人际关系、人物关系。我们应该有所作为，实现更高层次的创新，这也是机器人及机器人用传感器的发展趋势。