传感器：给装配机器人一双更能干的手

　　众所周知，传感器作为工业4.0时代的重要基石，在“中国制造2025”、“‘十四五’国家科技创新规划”、“新一代人工智能发展规划”等多个规划里面，都将传感器的研发作为规划重点之一。

　　根据市场研究机构ReportLinker报告显示，预计到 2025年全球传感器市场规模将达到1285.6亿美元，在 2020-2025年期间，复合年增长率为8.86%。从应用领域来看，工业、汽车电子、通信电子、消费电子占据着国内传感器的最大市场，其中工业和汽车电子产品领域的传感器占比最大，发展速度最快的是汽车电子和通信电子应用市场。国内传感器技术正处于创新突破的关键阶段，并体现向集成化、微型化、多功能化、数字化、智能化、系统化和网络化发展的大趋势。

　　如何将精度越来越高、种类越来越多的传感器应用于智能制造时代，行业里普遍有两种思路：做加法和新应用。

　　做加法：多传感器协助机器人精确装配

　　在初级装配生产线中，工业机器人以固定的角度和姿态，完成简单的组装、配送、检测等工作。大批量、高强度是这类生产线的特点，出于预算及施工周期的考虑，许多企业在灵活性和成本中选择了后者。不仅舍弃了装配线未来改造的可能，采购的传感器也仅达到基本需求，造成上下料配送系统误差大、自动化程度低，因此很难满足产品高精度的装配要求，更切断了二次升级改造的可能。

　　为了解决这些装配时的痛点，生产企业往往会采用 “做加法”的方式，即加入不同的传感器，实现多维度数据采集反馈，以满足装配精度需求。

　　以汽车行业为例，机械臂在装配作业时需要旋转工件、夹具等设备，由于工件差异，旋转时容易产生不可察觉的加速度变化，使加速度传感器产生误差，影响最终精度。这时，需要引入专为感应旋转设计的传感器。例如，假设3轴加速度传感器绕着指向地球的z轴旋转，而x轴和y轴与地球平行，则Z轴将继续测量1g，而X和Y 轴仍为0g。在这种情况下，沿Z轴旋转加速度传感器将不会产生读数发生变化。

　　还是以汽车装配为例，焊接、打磨等特殊加工工艺全在装配过程中，因高温、闪光，会产生零件公差叠加，影响传感器读数，导致一定的误差，难以实现机器人的自动化装配。激光焊缝跟踪传感器的加入，大大提高其在自动化装配应用中的精度。在点胶贴片、封装焊接、PCB板及陶瓷板装配、激光打标等应用上，激光传感器能轻松准确地帮助装配机器人进行初始系统设置。这简化了零件固定或尺寸公差问题，从而提高了装配质量。

　　除了复杂多变的装配环境外，新型表面材料的出现、装配工艺的升级也对传感器精度提出了新的挑战。

　　以3C电子、半导体装配中的点胶贴片为例。传统点胶机主要以机器视觉定位，或通过软件算法进行偏移补偿运算来进行点胶机针头零点校准。随着曲面屏、柔性电子材料应用的增多，传统点胶机容易产生定位不准，涂抹不均匀、化学液溢出等情况。激光对针传感器的加入可有效缓解这一痛点。

　　通过发射两条对射光路，激光对针传感器搭建起一个二维坐标体系。当针头处于正确位置时将同时阻断两条光路的发射、接收，即可得到X轴和Y轴的零点数据。垂直移动针头使光路恢复时，即可得到Z轴零点，从而得到三轴的绝对位置校正和零点复位，重复精度可达0.01mm。此外，激光对针传感器能动态检测装配数据，动态调节，控制针头实时运动以消除装配过程中产生的误差，满足装配机器人高精度零点定位的要求。

　　总而言之，借助多传感器的数据补偿，不仅将返工、修整和报废的成本降至最低，还能配合上下料、物流配送、协同操作人员，更高效灵活。

　　新柔应性用装配：线，应用更自如

　　随着装配自动化需求不断的升级，制造业对精度的需求越来越高，除了添加不同的传感器获得更多数据来提升装配精度外，最根本的办法是提升传感器性能及研发出新型传感器，来满足以往无法实现的需求，开拓自动化装配的新疆土。

　　同样以汽车装配行为为例，传统装配线中，机械臂从位置控制单元获得空间、距离等参数，沿着事先规划好的轨迹在封闭、确认的空间中完成生产装配动作。视觉传感器的加入，使装配机器人具备一定适应外界可变环境的能力。但随着装配对象越来越多样化，机械臂和工作面的接触常常是未知的复杂曲面，因而这种力/力矩的感知，必须是多维的。多维力传感器在此基础上应运而生，并获得了广泛的应用空间。

　　以目前较常见的六维力传感器（6-Dimension Force Torque Sensor）为例，是指测量空间X、Y、Z三个方向上的力和扭矩的传感器。它属于力传感器，能同时转换多维力/力矩信号为电信号，可用于监测方向和大小不断变化的力与力矩和测量加速度或惯性力以及检测接触力的大小和作用点。

　　六维力传感器的加入，可以帮助装配机器人感知力与扭矩的变化，以完成更复杂的工作。如精密装配、力控柔性抓取、抛光打磨、插拔拼装等，其工作质量直接取决于机器人对力的感知与控制精度和速度。对此，行业中普遍认为，多维力控是继机器视觉后另一种重大传感器应用领域。

　　有意思的是，随着装配机器人的精度越来越高，目前部分企业已经实现了 “用机器人装配传感器”，“用机器人装配机器人”。

　　物联网：传感器的另一必经之路

　　在工业4.0 + 5G趋势下，除了性能的不断突破外，传感器的物联网功能决定了工厂的数字化程度。没有物联网这一平台的支持，再强劲的传感器也无法帮助中国工业实现质的飞跃。

　　十四五规划中明确提出要把发展经济的着力点放在实体经济之上，给予高端制造和智能制造大力关注。5G通信技术的低时延、高可靠性和广覆盖的特点有助于实现云控制平台对智能制造装备实现更为底层的操作，确保操作的时效性，使得工业机器人、传感器等设备之间的协调更紧密，实现智能装备的大规模、灵活化部署。在大数据和物联网的强大支撑下，工业加工、制造业生产的整个产业链会越来越精细化，“柔性”将是未来工业加工和制造业生产的核心竞争力。基于5G技术的数字化工厂已成为机器人及智能制造领先企业，如 ABB、KUKA等企业的战略方向。

　　目前我国自动化程度仍整体落后于发达国家，自动化装配解决方案在各行业的应用水平更是严重失衡。除了常见的汽车、3C行业外，装配传感器在设备管理、备料、物流运输、包装等领域有着更广泛的应用空间。

　　展望未来，用于装配的传感器产业发展与应用前景可期。这主要是因为中国制造业门类齐全且规模巨大，制造业转型升级市场潜力巨大。随着 5G、人工智能、大数据、云计算等新兴技术与传感器融合发展，更将推动传感器在装配线上大放异彩，更灵活、更智能、更能干。