工業(yè)4.0的制造前景包括從自動(dòng)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(shí)間。智能制造的實(shí)現(xiàn)將通過物聯(lián)網(wǎng)的概念進(jìn)行，其中每個(gè)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(jì)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(dòng)，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)陌踩刂拼胧苑拦と诉M(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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)際上，協(xié)作機(jī)器人網(wǎng)絡(luò)物理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法是將安全性和安全性問題進(jìn)行合并，就像設(shè)計(jì)同時(shí)考慮這兩個(gè)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(jì)算和物理系統(tǒng)，以控制和感知現(xiàn)實(shí)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(jì)，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(jì)算，通信，傳感，驅(qū)動(dòng)，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(gè)組成部分，人為成分，物理成分和計(jì)算成分。
這三者是集成在一起的三個(gè)模塊。隨著使能技術(shù)的發(fā)展，這三個(gè)組成部分之間的互動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(xiǎn)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(gè)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(shí)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(xiǎn)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(xiǎn)。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(xiǎn)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(jì)算安裝在CPS系統(tǒng)中的傳感器數(shù)量。其二是單個(gè)傳感器或同一類型傳感器組的數(shù)據(jù)速率，因?yàn)槊總€(gè)傳感器的延遲時(shí)間都取決于整個(gè)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間。因此，系統(tǒng)的總體延遲時(shí)間是關(guān)鍵性能指標(biāo)，使機(jī)器人能夠及時(shí)啟動(dòng)安全協(xié)議以應(yīng)對任何危險(xiǎn)，較大的延遲時(shí)間會對機(jī)器人的反應(yīng)時(shí)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(jì)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(shí)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(gè)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(gè)機(jī)器人到與多個(gè)人工一起工作的多個(gè)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?yàn)閬碜远鄠€(gè)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(cuò)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(shí)用，例如攝像機(jī)遇到視覺障礙時(shí)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(dòng)態(tài)危險(xiǎn)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(jì)機(jī)器人與靜態(tài)和移動(dòng)障礙物間的距離，進(jìn)而將這種實(shí)時(shí)距離測量及障礙物速度估計(jì)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(dòng)描述矢量來消除對定時(shí)或時(shí)間序列信息的需要，進(jìn)而預(yù)測人體活動(dòng)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(jì)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(jì)，如下圖所示。一個(gè)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(gè)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(gè)問題，有研究人員提出了一個(gè)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(shí)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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