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當(dāng)今世界經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，制造業(yè)水平不斷提高，德國(guó)的工業(yè)4.0戰(zhàn)略則提出了更高的要求。在該戰(zhàn)略中提到的智慧生產(chǎn)則是基于工業(yè)機(jī)器人來(lái)完成，這就對(duì)工業(yè)機(jī)器人的需求和要求都有了更高的標(biāo)準(zhǔn)。而在工業(yè)機(jī)器人中傳感器技術(shù)的應(yīng)用則直接決定了工業(yè)機(jī)器人的先進(jìn)程度.

一、工業(yè)4.0的戰(zhàn)略內(nèi)涵

工業(yè)革命開(kāi)始于18世紀(jì)60年代，經(jīng)歷了工業(yè)1.0（機(jī)械化時(shí)代）、工業(yè)2.0（電氣化時(shí)代，人類開(kāi)始進(jìn)入電氣時(shí)代，并在信息革命、資訊革命中達(dá)到頂峰）、工業(yè)3.0（20世紀(jì)后半期，電子計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用、空間技術(shù)快速發(fā)展和原子能的廣泛應(yīng)用，人類進(jìn)入信息時(shí)代）的發(fā)展。隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，新的產(chǎn)業(yè)革命又將來(lái)臨，為了提升競(jìng)爭(zhēng)力，德國(guó)政府于2013年在提出了工業(yè) 4.0 的發(fā)展戰(zhàn)略。

工業(yè)4.0 戰(zhàn)略的提出實(shí)際上是開(kāi)始了第四次工業(yè)革命，這次的工業(yè)革命區(qū)別于之前的3次，它的實(shí)質(zhì)是以智能制造為主。這次的工業(yè)革命主要是采用通訊技術(shù)和空間虛擬系統(tǒng)相結(jié)合的方式，使制造業(yè)從信息化時(shí)代進(jìn)入智能化時(shí)代。工業(yè)4.0項(xiàng)目包含了3個(gè)方面，分別是智能工廠、智能生產(chǎn)以及智能物流。

二、工業(yè)4.0中的重要環(huán)節(jié)之一是工業(yè)機(jī)器人的使用

1. 工業(yè) 4.0 中工業(yè)機(jī)器人的重要作用

將信息化與自動(dòng)化融合起來(lái)應(yīng)用是“工業(yè)4.0”實(shí)施的關(guān)鍵。作為重要參與者，工業(yè)機(jī)器人在自動(dòng)化制造過(guò)程中的作用毋庸置疑，機(jī)器人技術(shù)水平的高低直接影響著裝備制造的水平高低。目前很多工業(yè)機(jī)器人逐漸代替人工操作，隨著生產(chǎn)機(jī)器人采用數(shù)字化技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以及采用高精密電阻器生產(chǎn)智能電路，使得機(jī)器人操作越來(lái)越靈活。從目前來(lái)看，制造過(guò)程中工業(yè)機(jī)器人的作用不言而喻，機(jī)器人的身影遍布各個(gè)領(lǐng)域。經(jīng)濟(jì)的發(fā)展要求制造企業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，工業(yè)機(jī)器人的廣泛應(yīng)用則是轉(zhuǎn)型升級(jí)的突破點(diǎn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，自2013年以來(lái)，中國(guó)的工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用已在世界的市場(chǎng)份額占比最大，制造領(lǐng)域的工業(yè)機(jī)器人使用數(shù)量大幅增加。近年來(lái)，工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)與工業(yè) 4.0 戰(zhàn)略的深度結(jié)合已成為我國(guó)“十三五”戰(zhàn)略的重要組成部分，這使我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人得到了飛速的進(jìn)展。面對(duì)要求更高的裝備制造和不斷升級(jí)的自動(dòng)化工廠，工業(yè)機(jī)器人作為自動(dòng)化設(shè)備在工業(yè) 4.0 中的地位不言而喻。

2．工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)

由于在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)加工的復(fù)雜性和精度有了越來(lái)越高的要求，所以對(duì)機(jī)器人和應(yīng)用程序的要求也在逐漸提高。以前機(jī)器人的計(jì)算平臺(tái)大多為傳統(tǒng)的 PC 平臺(tái)或嵌入式平臺(tái)，現(xiàn)在已經(jīng)逐漸發(fā)展到智能手機(jī)、平板電腦和其他移動(dòng)設(shè)備。機(jī)器人所配備傳感器也由原來(lái)的結(jié)構(gòu)型、固態(tài)型發(fā)展到高端智能型。機(jī)器人技術(shù)采用現(xiàn)場(chǎng)總線通信做為主要的通信方式。

工業(yè)機(jī)器人未來(lái)如何發(fā)展，美國(guó)權(quán)威的機(jī)器人產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)做了如下的預(yù)測(cè)。

1）智能傳感器可以在機(jī)器人生產(chǎn)的前沿利用工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行信息的采集，來(lái)獲得以前生產(chǎn)商無(wú)法得到的數(shù)據(jù)。

2）工業(yè)網(wǎng)絡(luò)安全尤為重要。由于機(jī)器人使用規(guī)模越來(lái)越大，它們都需要連接到內(nèi)部系統(tǒng)，這樣就增加了網(wǎng)絡(luò)安全的風(fēng)險(xiǎn)。所以要求機(jī)器人生產(chǎn)商要對(duì)網(wǎng)絡(luò)安全加大投入，這樣才能夠保證生產(chǎn)的安全。

3）大數(shù)據(jù)分析成為競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。機(jī)器人會(huì)是工廠里的主要信息來(lái)源，生產(chǎn)廠家應(yīng)該對(duì)采集的信息數(shù)據(jù)進(jìn)行組織和分析，以采取有效的行動(dòng)來(lái)增強(qiáng)他們的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

4）將實(shí)現(xiàn)一個(gè)開(kāi)放的自動(dòng)化體系結(jié)構(gòu)。開(kāi)放式自動(dòng)化體系結(jié)構(gòu)的需求增加是由于機(jī)器人自動(dòng)化的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。大型企業(yè)與機(jī)器人行業(yè)機(jī)構(gòu)開(kāi)展合作，形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，這樣有助于機(jī)器人的集成，使機(jī)器人的兼容性更好。

5）為了更好地發(fā)揮工業(yè)機(jī)器人的作用，在未來(lái)會(huì)加入虛擬解決方案。

6）協(xié)作機(jī)器人會(huì)應(yīng)用更廣泛。協(xié)作機(jī)器人不但能安全地與人類一起工作，而且往往比工業(yè)機(jī)器人便宜，能力更強(qiáng)，所以制造商會(huì)采用更多的協(xié)作機(jī)器人。

三、傳感器技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展

1. 傳感器技術(shù)與工業(yè)機(jī)器人

互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、智能化都需要大量的信息，這些信息的產(chǎn)生都來(lái)自儀器儀表或各種傳感器。沒(méi)有測(cè)量和測(cè)試，智能制造是不可能的。我國(guó)智能制造設(shè)備的發(fā)展方向主要包括以新型傳感器技術(shù)為代表的九項(xiàng)智能基礎(chǔ)通用技術(shù)，以及 8 項(xiàng)核心智能測(cè)控裝置與部件中應(yīng)用的新型傳感器及其系統(tǒng)。因此可以看出，傳感器技術(shù)非常重要，而其他技術(shù)領(lǐng)域也離不開(kāi)相關(guān)數(shù)據(jù)的檢測(cè)和測(cè)試，測(cè)試的準(zhǔn)確度、可靠度、實(shí)時(shí)度是保證智能制造發(fā)展的關(guān)鍵。而得到準(zhǔn)確的信息都要靠傳感器來(lái)進(jìn)行檢測(cè)，因此傳感器技術(shù)的進(jìn)步必將成為工業(yè) 4.0 中的重中之重。

工業(yè)機(jī)器人需要傳感器提供機(jī)器人自身狀態(tài)、操作對(duì)象和工作環(huán)境的準(zhǔn)確認(rèn)知，來(lái)執(zhí)行正確地操作。機(jī)器人通過(guò)內(nèi)部傳感器（位置、位移、速度、加速度）來(lái)獲取自身狀態(tài)的信息，然后為機(jī)器人控制單元反饋信息，進(jìn)行下一步的操作。對(duì)于外部情況和多操作目標(biāo)的信息獲取要靠外部傳感器來(lái)完成。

2. 工業(yè)機(jī)器人中的傳感器技術(shù)

1）二維視覺(jué)傳感器。

二維視覺(jué)傳感器是一個(gè)攝像頭，完成檢測(cè)移動(dòng)物體、定位傳送帶上的部件等各種任務(wù)。機(jī)器人根據(jù)檢測(cè)到的零件位置來(lái)調(diào)整自身的動(dòng)作進(jìn)行生產(chǎn)操作。

2）三維視覺(jué)傳感器。

三維視覺(jué)系統(tǒng)一般有兩個(gè)攝像頭或不同角度的激光掃描儀來(lái)探測(cè)物體的三維空間。

3）力/力矩傳感器。

機(jī)器人的觸覺(jué)依靠力/力矩傳感器來(lái)完成檢測(cè)。主要是用來(lái)感知末端執(zhí)行器的力度的大小，從而來(lái)調(diào)整操作的位置、力度等相關(guān)內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線的操作。在大部分情況下，由于力/力矩傳感器是處于機(jī)器人和夾具之間，所以機(jī)器人可以檢測(cè)監(jiān)控到反饋到夾具上面的力。

4）碰撞測(cè)量傳感器。

碰撞測(cè)量傳感器在機(jī)器人應(yīng)用中起到保護(hù)安全的作用，它的形式比較多樣。通過(guò)檢測(cè)相關(guān)的環(huán)境信號(hào)，可以保證為操作員提供一個(gè)安全的工作環(huán)境，在此基礎(chǔ)上，機(jī)器人才能開(kāi)展工作，而可靠性是協(xié)作機(jī)器人所必備的。

3. 傳感器技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

傳感器技術(shù)從產(chǎn)生到廣泛應(yīng)用基本歷經(jīng)了三個(gè)時(shí)段。第一個(gè)時(shí)期為結(jié)構(gòu)傳感器發(fā)展和使用，結(jié)構(gòu)傳感器利用傳感器自身結(jié)構(gòu)參數(shù)在測(cè)量時(shí)發(fā)生改變來(lái)感知和轉(zhuǎn)換信號(hào)。第二個(gè)時(shí)期是固態(tài)傳感器的發(fā)展和使用，這個(gè)時(shí)期的傳感器采用特殊材料制成，通過(guò)測(cè)量時(shí)材料的特性發(fā)生變化來(lái)代表獲取的信息不同。第三個(gè)時(shí)期就是現(xiàn)在，智能傳感器正在得到大力的發(fā)展。

傳感器技術(shù)的一個(gè)重要發(fā)展方向是發(fā)展智能化傳感器。智能傳感器的核心部件是微處理器，與傳統(tǒng)傳感器相比，可以實(shí)現(xiàn)信息采集、處理和交換的功能。

1）自補(bǔ)償與自診斷功能。

傳統(tǒng)傳感器存在溫度漂移和輸出非線性的缺點(diǎn)，還需要定期檢查和定期校準(zhǔn)，這些都對(duì)測(cè)量的準(zhǔn)確性有一定的影響。而智能傳感器通過(guò)軟件計(jì)算，自動(dòng)補(bǔ)償由溫漂和非線性以及環(huán)境因素引起的信號(hào)失真，提高傳感器的測(cè)試精度，達(dá)到最好的測(cè)量結(jié)果。更加先進(jìn)的是，智能傳感器還具有自我診斷的功能。

2）信息存儲(chǔ)與記憶功能。

與傳統(tǒng)的傳感器相比，智能傳感器具備一定的存儲(chǔ)空間，用來(lái)存儲(chǔ)相關(guān)的參數(shù)、信號(hào)和程序。這樣的話自動(dòng)控制系統(tǒng)控制器就不需存儲(chǔ)上述內(nèi)容，剩余的存儲(chǔ)空間可以存儲(chǔ)其他信息，這樣就提高了控制器自身的性能。

3）數(shù)字輸出功能。

傳統(tǒng)的傳感器大多是模擬輸入和輸出，輸出的信號(hào)必須經(jīng)過(guò) A/D 轉(zhuǎn)換才能進(jìn)行數(shù)字處理。目前，在工業(yè)控制系統(tǒng)中大多采用數(shù)字控制。智能傳感器則正好符合了控制系統(tǒng)的要求，它采用模擬－數(shù)字轉(zhuǎn)換電路，直接輸出數(shù)字信號(hào)，不需再進(jìn)行轉(zhuǎn)換，控制器的信號(hào)處理壓力得到了緩解。

4、隨著技術(shù)的進(jìn)步，智能傳感器的發(fā)展呈現(xiàn)出以下幾個(gè)趨勢(shì)：

1）微型化。

智能傳感器的一個(gè)最主要的發(fā)展走向是微型化。微傳感器的主要特點(diǎn)是體積小、所占的空間不大，生產(chǎn)制造的成本較低，能夠節(jié)省開(kāi)支，但使用時(shí)的可靠性還比較高。一個(gè)微傳感器通常會(huì)包括中央處理器、微傳感器敏感元件、數(shù)字信號(hào)接口以及儲(chǔ)存部件，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)的補(bǔ)償和校準(zhǔn)。大小已進(jìn)入毫米到微米級(jí)。半導(dǎo)體加工技術(shù)的引入為傳感器的生產(chǎn)制造帶來(lái)了變化，在這基礎(chǔ)之上實(shí)現(xiàn)了傳感器的規(guī)模化生產(chǎn)，是實(shí)現(xiàn)智能傳感器的微型化發(fā)展的重要技術(shù)支持。

2）多傳感器數(shù)據(jù)融合。

使用多個(gè)傳感器同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的采集，再利用處理器對(duì)采集到的信息進(jìn)行分析、判斷，得到檢測(cè)對(duì)象的真實(shí)數(shù)據(jù)。與僅僅用單傳感器來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)檢測(cè)相比，可以看到非常明顯的優(yōu)勢(shì)。

3）無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

單獨(dú)的微智能傳感器存在覆蓋的范圍小的局限性，所以在實(shí)際的應(yīng)用中常常用數(shù)千萬(wàn)個(gè)微傳感器一起來(lái)共同工作，形成網(wǎng)絡(luò)化，構(gòu)成智能傳感器的網(wǎng)絡(luò)，這樣在生產(chǎn)制造中發(fā)揮最大的效用。

四、結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)代化智能生產(chǎn)和智能制造，沒(méi)有傳感技術(shù)便無(wú)從談起。大數(shù)據(jù)時(shí)代的智聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)和終端設(shè)備都需要大量的數(shù)據(jù)信息，這些數(shù)據(jù)信息都來(lái)自服務(wù)器和傳感器。根據(jù)我國(guó)智能裝備發(fā)展規(guī)劃，重點(diǎn)是新型傳感技術(shù)、嵌入式控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)等。核心智能測(cè)控裝置與部件是新型傳感器及其系統(tǒng)、智能控制系統(tǒng)等。國(guó)家智能制造的戰(zhàn)略布局上需要傳感器和傳感技術(shù)的快速發(fā)展，這也將成為我國(guó)工業(yè) 4.0 發(fā)展進(jìn)程中的關(guān)鍵內(nèi)容，在一定程度上決定著工業(yè) 4.0 革命的進(jìn)程。