工業(yè)4.0的制造前景包括從自動化制造向智能制造概念的轉(zhuǎn)變。工業(yè)4.0發(fā)展中的一大期望是在小批量生產(chǎn)中滿足客戶對產(chǎn)品變化的需求，從而不會浪費(fèi)重新配置組裝線等時間。智能制造的實現(xiàn)將通過物聯(lián)網(wǎng)的概念進(jìn)行，其中每個參與組件都有其已知的IP地址。在這種情況下，智能制造生產(chǎn)系統(tǒng)不僅要以小批量的生產(chǎn)產(chǎn)品來滿足客戶的需求，還必須具有更好的預(yù)測性維護(hù)，產(chǎn)品設(shè)計的穩(wěn)健性和適應(yīng)性生產(chǎn)等特點(diǎn)。為了使智能機(jī)器人工廠能夠在工業(yè)4.0和物聯(lián)網(wǎng)的環(huán)境中工作，因此機(jī)器人將在未來的制造業(yè)中承擔(dān)大部分工作，但是人類工人必須留在工作區(qū)域中，擔(dān)任監(jiān)督角色或從事未經(jīng)機(jī)器人培訓(xùn)的工作。在機(jī)器人工作區(qū)域內(nèi)或附近，人類不斷出現(xiàn)，這改變了人們對機(jī)器人工作區(qū)域的柵欄和禁止方式，需要機(jī)器人和人類可以安全地共存和協(xié)作。
在這種情況下，機(jī)器人與人類共享相同的工作空間，并進(jìn)行工業(yè)活動，例如原材料處理，組裝和工業(yè)產(chǎn)品轉(zhuǎn)移。傳統(tǒng)的方法是使人類在有限的范圍內(nèi)接觸機(jī)器人，并采用適當(dāng)?shù)陌踩刂拼胧?，以防工人進(jìn)入機(jī)器人的工作區(qū)而導(dǎo)致機(jī)器完全停止，一旦進(jìn)入，會導(dǎo)致中斷和重置程序被激活，延長生產(chǎn)時間。隨之出現(xiàn)了新提議的方法，即安全的人機(jī)協(xié)作(HRC)，沒有任何圍欄。為了實現(xiàn)這一點(diǎn)，需要采用協(xié)作式機(jī)器人網(wǎng)絡(luò)物理系統(tǒng)(CPS)實施額外的安全和保護(hù)措施，這要求基于人與機(jī)器人之間的交互程度，確保安全性，并提高生產(chǎn)率。實際上，協(xié)作機(jī)器人網(wǎng)絡(luò)物理系統(tǒng)的設(shè)計方法是將安全性和安全性問題進(jìn)行合并，就像設(shè)計同時考慮這兩個方面的工業(yè)設(shè)施，下圖是協(xié)作型機(jī)器人的幾種應(yīng)用類型。
協(xié)作機(jī)器人網(wǎng)絡(luò)物理系統(tǒng)是一種智能系統(tǒng)，其中集成了計算和物理系統(tǒng)，以控制和感知現(xiàn)實世界變量的變化狀態(tài)。這種CPS的成功取決于可靠，安全和可靠的傳感器網(wǎng)絡(luò)和通信技術(shù)。CPS平臺不斷發(fā)展其架構(gòu)，以跨越數(shù)字物理鴻溝進(jìn)行工程設(shè)計，并消除了關(guān)鍵技術(shù)之間的界限。特別是，其中包括電子，計算，通信，傳感，驅(qū)動，嵌入式系統(tǒng)和傳感器網(wǎng)絡(luò)等。CPS模型中主要包括三個組成部分，人為成分，物理成分和計算成分。
這三者是集成在一起的三個模塊。隨著使能技術(shù)的發(fā)展，這三個組成部分之間的互動越來越多，彼此之間通過不同的技術(shù)連接在一起，例如，人體位置跟蹤和安全距離參數(shù)是機(jī)器人CPS中工作人員安全的重要考慮因素。機(jī)器人系統(tǒng)是高度自動化的系統(tǒng)，消除了元素之間的邊界，通過交互加以彼此連接。有多種基于人的視覺，聽覺和觸覺的人機(jī)交互技術(shù)。機(jī)器人CPS可以使用視覺系統(tǒng)來檢測，跟蹤和手勢識別人類，也可以使用來自人類的音頻信號命令機(jī)器人。各類傳感器和執(zhí)行器可以使三者之間產(chǎn)生多種不同的交互方式。
在人機(jī)協(xié)作中，會在CPS中應(yīng)用多種傳感器，以確保安全性。傳統(tǒng)方法是手動提供指導(dǎo)或根據(jù)要求降低機(jī)器人速度，該類方法多為開環(huán)的，其人機(jī)協(xié)作的水平取決于應(yīng)用現(xiàn)場的風(fēng)險評估，而且局限于小型機(jī)器人的應(yīng)用。第二種安全方法是指定一個工作區(qū)，該工作區(qū)被激光掃描儀或接近傳感器之類的傳感器覆蓋。在這種情況下，機(jī)器人必須在人員進(jìn)入工作區(qū)域時停下來。該系統(tǒng)是傳感器相關(guān)的閉環(huán)系統(tǒng)，但是幾乎沒有達(dá)到人機(jī)協(xié)作的操作目的，如下圖所示。第三種方法是通過基于視覺的系統(tǒng)或其他可能的技術(shù)進(jìn)行速度或距離監(jiān)視。如果工人進(jìn)入危險區(qū)域，機(jī)器人可能會減速甚至停機(jī)，其中使用了多種集成傳感器和傳感器融合技術(shù)，極有可能達(dá)到較高的人機(jī)協(xié)作水平，但是如果監(jiān)視功能失敗，則也會帶來一定的風(fēng)險。最后一種方法是通過使用力傳感器進(jìn)行力監(jiān)控。機(jī)器人的速度和加速度的降低將根據(jù)允許撞擊工人身體部位的力的大小來進(jìn)行。力大小會因身體不同部位而異。該方案提供了最高水平的人機(jī)協(xié)作程度，但是還要求集成多種類型的傳感器，融合傳感器，并在監(jiān)視功能失敗的情況下對風(fēng)險評估提出挑戰(zhàn)。
通過上述幾種不同的協(xié)作技術(shù)和相應(yīng)的人機(jī)協(xié)作水平，研究人員正式確定人機(jī)協(xié)作評分方案和衡量標(biāo)注。其一是計算安裝在CPS系統(tǒng)中的傳感器數(shù)量。其二是單個傳感器或同一類型傳感器組的數(shù)據(jù)速率，因為每個傳感器的延遲時間都取決于整個系統(tǒng)的響應(yīng)時間。因此，系統(tǒng)的總體延遲時間是關(guān)鍵性能指標(biāo)，使機(jī)器人能夠及時啟動安全協(xié)議以應(yīng)對任何危險，較大的延遲時間會對機(jī)器人的反應(yīng)時間產(chǎn)生不利影響，從而降低人機(jī)協(xié)作的水平。下圖是人機(jī)協(xié)作安全的等級圖。
因此，在CPS中要評估可以達(dá)到的人機(jī)協(xié)作的水平，有必要在給定的協(xié)作環(huán)境中計算指標(biāo)。在應(yīng)用各類傳感器，需要明確CPS中人員和機(jī)器人的位置，以及相應(yīng)的應(yīng)用場景。例如，可以用于與其他傳感器關(guān)聯(lián)的位置信息的視覺傳感器必須在足夠的照明條件下工作。此外，為了更快，更準(zhǔn)確地響應(yīng)機(jī)器人，通信必須更快，最好通過短距離，安全的無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行?？傮w而言，系統(tǒng)必須符合相關(guān)的安全標(biāo)準(zhǔn)。對于速度和距離監(jiān)視情況，除了基本區(qū)域和位置監(jiān)視傳感器系統(tǒng)外，還使用慣性測量單元(IMU)。同樣，對于基于力監(jiān)控的人機(jī)協(xié)作系統(tǒng)，除了力傳感器之外，基本區(qū)域和位置監(jiān)控對于實現(xiàn)人機(jī)協(xié)作也是必需的。在力監(jiān)控中，可以使用不同類型的幾何形狀適合的觸覺傳感器來安裝在機(jī)器人上或機(jī)器人關(guān)節(jié)中，這些傳感器具有減震特性，可以安全地進(jìn)行碰撞檢測和基于觸摸的交互。也可以使用不同區(qū)間的力傳感器來評估單獨(dú)人體部位的受力極限。
人機(jī)協(xié)作中除了特定解決方案中所采用的傳感器技術(shù)外，還可能存在多個可以建立通用解決方案或指南的工業(yè)場景。這些工業(yè)場景范圍包括從單個機(jī)器人到與多個人工一起工作的多個機(jī)器人構(gòu)成人機(jī)協(xié)作系統(tǒng)。這其中可能包括使用慣性傳感器，視覺，雷達(dá)或用于人類位置監(jiān)測的任何混合方法?；旌戏椒梢越Y(jié)合使用兩種及以上方法，可以高精度地執(zhí)行任務(wù)，因為來自多個單獨(dú)的傳感器系統(tǒng)的定位信息將相互配合并補(bǔ)償錯誤。此外，在給定的情況下，不同的傳感器在某些技術(shù)領(lǐng)域可能更實用，例如攝像機(jī)遇到視覺障礙時將無法運(yùn)行。在這種情況下，其他技術(shù)傳感器將保持系統(tǒng)功能。
隨著機(jī)器人逐漸向著開放性空間發(fā)展，越來越多的機(jī)器人采用視覺信息處理及技術(shù)。例如，相關(guān)研究人員結(jié)合多傳感器信息融合技術(shù)，基于立體攝像機(jī)采集工作單元數(shù)據(jù)，系統(tǒng)檢測環(huán)境中的人員與機(jī)器人，并根據(jù)本體位置和軌跡生成動態(tài)危險區(qū)域。有研究基于深度傳感器建立深度空間方法，通過估計機(jī)器人與靜態(tài)和移動障礙物間的距離，進(jìn)而將這種實時距離測量及障礙物速度估計信息與基于排斥力矢量的控制器一起用作防撞技術(shù)。此外，也有研究基于行為預(yù)測和圖像數(shù)據(jù)信息，通過RGB輸入的數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)化活動描述矢量來消除對定時或時間序列信息的需要，進(jìn)而預(yù)測人體活動行為，避免碰撞。針對視覺采集過程中可能存在的物體遮掩問題，有研究人員基于機(jī)載傳感方法，開發(fā)了一種分布式距離傳感器，并優(yōu)化了機(jī)器人本體傳感器最佳裝配位置，一定程度上降低了非結(jié)構(gòu)環(huán)境下碰撞事件的發(fā)生。
機(jī)器人皮膚是基于傳感原理和設(shè)計技術(shù)(如電阻，電容，壓電，聲學(xué)等)對傳感技術(shù)進(jìn)行不同的分類，可以通過關(guān)注觸覺信息處理來進(jìn)行不同的設(shè)計，如下圖所示。一個有趣且有用的發(fā)展方向是機(jī)器人的皮膚，可以提供豐富而直接的反饋，使機(jī)器人系統(tǒng)能夠通過多個接觸點(diǎn)識別物體。1).基于皮膚的光學(xué)傳感器：基于皮膚的光學(xué)傳感器的總體思路是開發(fā)一種能夠提供觸覺和視覺信息的多模式傳感器。有鑒于此，一些研究人員提議用不透明的材料覆蓋傳感器的皮膚表面，以阻止外界光線進(jìn)入傳感器。但是，使用不透明的材料會限制視覺傳感器提供的信息，因此使他們只專注于觸覺信息。為了解決這個問題，有研究人員提出了一個由透明皮膚，照相機(jī)和彩色標(biāo)記組成的原型，可提供高分辨率的接觸力和近距離視覺。2).基于皮膚的軟傳感器：各種常規(guī)的柔性傳感器都面臨著降低傳感器靈敏度的技術(shù)問題。例如，
老化和機(jī)械應(yīng)力會導(dǎo)致磁滯現(xiàn)象并降低傳感器的靈敏度。為了應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，有人提出了一種磁流變觸覺傳感器，該傳感器由柔性的上層和下層彈性體組成。彈性片上的變形會引起磁通量的變化，從而影響傳感器的空間響應(yīng)。
安全交互問題作為機(jī)器人交互融入大眾日常生活的基本要求，而傳感技術(shù)作為人機(jī)協(xié)作研究中的一部分，其研究和應(yīng)用意義重大，為實現(xiàn)“中國制造2025”，構(gòu)建新型工業(yè)體系和智能家園藍(lán)圖，人機(jī)協(xié)作安全和傳感器技術(shù)的研究需要進(jìn)一步完善相關(guān)的學(xué)科研究和產(chǎn)業(yè)技術(shù)。
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