Сензори за индустриални роботи

• Промишлените роботи използват множество различни сензори, които гарантират ефективната им, прецизна и безопасна работа
  
  
• Особено стриктни са изискванията към сензорните устройства, интегрирани в колаборативни, мобилни и автономни роботи, кои споделят общо пространство с хора без предпазни ограждения
  
  
• Решенията за машинно зрение претърпяха бурно технологично развитие през последните десетилетия и днес все по-широко се използват в сегмента на роботиката

Индустриалните роботи използват множество различни сензори, които гарантират ефективната им, прецизна и безопасна работа. В зависимост от типа и приложението на роботизираната система тя може да е оборудвана с разнообразни комбинации от лазерни, тактилни, магнитни, акустични, ултразвукови датчици, сензори за машинно зрение, сила, близост, инерция, въртящ момент и др. Особено стриктни са изискванията към сензорните технологии, интегрирани в колаборативни, мобилни и автономни роботи, кои споделят общо пространство с хора без предпазни ограждения.

Сензорите са ключов компонент от съвременните промишлени роботи, които гарантират оптимални възможности за контрол и управление на системата. С помощта на различни чувствителни устройства, които изпълняват функцията на сетива на робота, той може прецизно да захваща, ориентира и позиционира различни обекти, да избира работни траектории, да възприема промени в работната среда и да прави коректни заключения в комплексни ситуации, подобно на човека.

Тактилни и визуални сензори

Тактилните “възприятия” дават на роботите своеобразно усещане за допир, благодарение на което те научават различни характеристики на обектите и средата, с която взаимодействат. Ето защо тактилните сензори са ключов фактор за повишаване на интелигентността на съвременните роботизирани системи. Такива устройства се използват в практиката от десетилетия, като употребата им през последните години е все по-масова и във все по-широк кръг от типове роботи и приложения. В тази категория попадат основно капацитивни, пиезоелектрични, пиезорезистивни и оптични сензори.

Компютърното зрение също претърпя бурно технологично развитие през последните години и в наши дни широко се използва в сегмента на роботиката. Изображенията, заснети със сензори за машинно зрение, подлежат на процесорна обработка, за да се извлече от тях полезната информация във връзка с изпълнението на специфични работни задачи. Решенията за визуално възприемане на средата при индустриалните роботи включват различни видове устройства – ЧЗС (RGB), мултиспектрални и дълбочинни камери. Фоточувствителните елементи, с които най-често се оборудват индустриалните камери за визуална инспекция, са CCD (Charge-Coupled Devices или “елементи със зарядна връзка или зарядо-свързан прибор”) и CMOS сензори с активни пиксели (електронни чипове, които преобразуват фотоните в електрони за цифрова обработка). Чрез тях светлинната информация може да се превърне в електрически сигнали въз основа на принципа на фотоелектричния ефект. Гъвкавостта и качеството на снимките при CCD камерите са по-добри от тези при CMOS технологията. Последната обаче има сериозно превъзходство пред аналозите си по отношение на разходите и консумацията на енергия. Визуалните сензори се радват на все по-голяма популярност при промишлените роботи заради ключови свои предимства като сравнително ниската себестойност, възможностите за богато информационно обезпечаване на работния процес и лесното използване.

Двуизмерните сензори за машинно зрение представляват камери, които могат да изпълняват множество задачи – от детекция и инспекция на подвижни обекти до локализиране на компоненти и изделия върху транспортна лента. В сегмента стават все по-търсени и т. нар. интелигентни или смарт камери, които помагат на робота да определи позицията на продукта и да адаптира движенията и действията си на база получената информация.
3D системите за роботизирано зрение включват две камери или два лазерни скенера, позиционирани под различни ъгли, които регистрират характеристиките на обекта в триизмерната среда. Сред класическите приложения на такива сензорни решения са pick-and-place операциите, при които на база събраните данни роботът анализира ситуацията и автономно избира най-подходящата стратегия за захващане и позициониране на съответния детайл.

Лазерни сензори и енкодери

Лазерните сензори в съврменната роботика се използват предимно за измерване стойностите на физически параметри като разстояние, скорост или вибрации. Сред най-популярните типове лазерни устройства в практиката са далекомерите, сензорите за изместване, скенерите, тракерите и др.
Измерванията в този сегмент се извършват най-общо на базата на три изчислителни метода: TOF (Time-of-Flight), лазерна триангулация и оптична интерференция.

Лазерните сензори могат да реализират безконтактно дистанционно отчитане, а скоростта и точността са достатъчно задоволителни за голяма част от традиционните индустриални приложения. Дължината на вълната на лазера обаче може да бъде повлияна от температурата, атмосферното налягане и влажността на въздуха, така че често се налага съответното компенсиране при значителна промяна в гореизброените параметри.

Енкодерите в роботиката са вид сензори, които преобразуват ъгловото изместване или скоростта в електрически импулс или цифров количествен запис. Според принципа си на работа устройствата в сегмента са подразделят на четири категории: фотоелектрични растерни преобразуватели, магнитни, индуктивни и капацитивни сензори. Те са широко използвани от десетилетия в индустрията поради редица свои предимства – компактни размери, дълъг експлоатационен живот, лесно управление и висока степен на технологична зрялост. Различните модели на пазара се отличават основно по разделителната способност, като себестойността им е правопропорционална на функционалните показатели.

Други типове сензори и устройства за безопасност

Разнообразните сценарии в съвременната индустрия, които позволяват внедряване на роботизирани системи, предопределят и богатия асортимент от видове сензори, които производителите разработват за тази технологична сфера. Усъвършенстваните промишлени и колаборативни роботи в модерните фабрики все по-често са оборудвани с прецизни сензори за близост, инерция, въртящ момент и др. Сред най-използваните устройства са и магнитните, ултразвуковите, акустичните сензори и т. н.

Датчиците за близост са безконтактни устройства, които регистрират приближаването на даден обект към работната зона и/или тялото на манипулатора. Продуктите в този сегмент могат да се категоризират според принципа си на работа като капацитивни, индуктивни и фотоелектрични.

Към сензорите за инцерция в роботиката обикновено спадат акселерометрите, жироскопите и магнитометрите. Те се използват широко в роботиката за измерване на кинематичните параметри на движещи се обекти, включително ускорение, ъглова скорост и азимутален ъгъл. Триосната комбинация от тези три типа устройства е известна като “инерционна измервателна единица/модул” (IMU). Принципът на работа на инерционните сензори е базиран на т. нар. мъртво изчисление, което използва метод на интегриране за количествено определяне на движението на обектите.

Благодарение на сензорите за сила и въртящ момент роботът може прецизно да контролира крайните си изпълнителни устройства (хващачи, инструменти и т. н.). Обикновено тези датчици се локализират в контактите точки между роботите и обектите, с които се манипулира. Чрез тях може лесно да се осъществи и програмиране чрез ръчно обучение на манипулатора – превеждането му от оператор през цялата работна траектория.

Tехнологиите за безопасност в модерната конвенционална и колаборативна роботика също включват богат набор от сензорни устройства. Решенията за детекция на сблъсък например често обхващат тактилни датчици, които улавят промени в натиска или налягането през мека повърхност, директно вградени в робота устройства, акселерометри и др. При регистриране на прекалено голяма сила от страната на робота, системата задейства функция за аварийно спиране, за да гарантира оптимална безопасност както на оператора и останалия персонал, така и на робота и другото оборудване в близост.

Коботите, които работят в споделени работни пространства с хора, традиционно разполагат с комплексна комбинация от камери, лазерни сензори, датчици за близост и други типове устройства, които им позволяват да регистрират навлизането на човек в работната зона. Тогава се задейства безопасен режим на функциониране с по-ниска скорост и сила, а при съкращаване на дистанцията – и пълно спиране на движението.

В зависимост от приложението други популярни типове сензори в индустриалната роботика включват RFID устройства, микрофони, термометри, химични, оптични и цветови сензори, както и датчици за избягване на препятствия, най-характерни за мобилните системи в складовата дейност и логистиката.