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當今世界經濟飛速發展，制造業水平不斷提高，德國的工業4.0戰略則提出了更高的要求。在該戰略中提到的智慧生產則是基于工業機器人來完成，這就對工業機器人的需求和要求都有了更高的標準。而在工業機器人中傳感器技術的應用則直接決定了工業機器人的先進程度.

一、工業4.0的戰略內涵

工業革命開始于18世紀60年代，經歷了工業1.0（機械化時代）、工業2.0（電氣化時代，人類開始進入電氣時代，并在信息革命、資訊革命中達到頂峰）、工業3.0（20世紀后半期，電子計算機技術應用、空間技術快速發展和原子能的廣泛應用，人類進入信息時代）的發展。隨著經濟的快速發展，新的產業革命又將來臨，為了提升競爭力，德國政府于2013年在提出了工業 4.0 的發展戰略。

工業4.0 戰略的提出實際上是開始了第四次工業革命，這次的工業革命區別于之前的3次，它的實質是以智能制造為主。這次的工業革命主要是采用通訊技術和空間虛擬系統相結合的方式，使制造業從信息化時代進入智能化時代。工業4.0項目包含了3個方面，分別是智能工廠、智能生產以及智能物流。

二、工業4.0中的重要環節之一是工業機器人的使用

1. 工業 4.0 中工業機器人的重要作用

將信息化與自動化融合起來應用是“工業4.0”實施的關鍵。作為重要參與者，工業機器人在自動化制造過程中的作用毋庸置疑，機器人技術水平的高低直接影響著裝備制造的水平高低。目前很多工業機器人逐漸代替人工操作，隨著生產機器人采用數字化技術、物聯網技術以及采用高精密電阻器生產智能電路，使得機器人操作越來越靈活。從目前來看，制造過程中工業機器人的作用不言而喻，機器人的身影遍布各個領域。經濟的發展要求制造企業轉型升級，工業機器人的廣泛應用則是轉型升級的突破點。據統計，自2013年以來，中國的工業機器人應用已在世界的市場份額占比最大，制造領域的工業機器人使用數量大幅增加。近年來，工業機器人產業與工業 4.0 戰略的深度結合已成為我國“十三五”戰略的重要組成部分，這使我國的工業機器人得到了飛速的進展。面對要求更高的裝備制造和不斷升級的自動化工廠，工業機器人作為自動化設備在工業 4.0 中的地位不言而喻。

2．工業機器人的發展趨勢

由于在工業生產過程中對加工的復雜性和精度有了越來越高的要求，所以對機器人和應用程序的要求也在逐漸提高。以前機器人的計算平臺大多為傳統的 PC 平臺或嵌入式平臺，現在已經逐漸發展到智能手機、平板電腦和其他移動設備。機器人所配備傳感器也由原來的結構型、固態型發展到高端智能型。機器人技術采用現場總線通信做為主要的通信方式。

工業機器人未來如何發展，美國權威的機器人產業協會做了如下的預測。

1）智能傳感器可以在機器人生產的前沿利用工業物聯網技術進行信息的采集，來獲得以前生產商無法得到的數據。

2）工業網絡安全尤為重要。由于機器人使用規模越來越大，它們都需要連接到內部系統，這樣就增加了網絡安全的風險。所以要求機器人生產商要對網絡安全加大投入，這樣才能夠保證生產的安全。

3）大數據分析成為競爭優勢。機器人會是工廠里的主要信息來源，生產廠家應該對采集的信息數據進行組織和分析，以采取有效的行動來增強他們的競爭優勢。

4）將實現一個開放的自動化體系結構。開放式自動化體系結構的需求增加是由于機器人自動化的應用越來越廣泛。大型企業與機器人行業機構開展合作，形成統一的標準，這樣有助于機器人的集成，使機器人的兼容性更好。

5）為了更好地發揮工業機器人的作用，在未來會加入虛擬解決方案。

6）協作機器人會應用更廣泛。協作機器人不但能安全地與人類一起工作，而且往往比工業機器人便宜，能力更強，所以制造商會采用更多的協作機器人。

三、傳感器技術的應用及發展

1. 傳感器技術與工業機器人

互聯網、物聯網、智能化都需要大量的信息，這些信息的產生都來自儀器儀表或各種傳感器。沒有測量和測試，智能制造是不可能的。我國智能制造設備的發展方向主要包括以新型傳感器技術為代表的九項智能基礎通用技術，以及 8 項核心智能測控裝置與部件中應用的新型傳感器及其系統。因此可以看出，傳感器技術非常重要，而其他技術領域也離不開相關數據的檢測和測試，測試的準確度、可靠度、實時度是保證智能制造發展的關鍵。而得到準確的信息都要靠傳感器來進行檢測，因此傳感器技術的進步必將成為工業 4.0 中的重中之重。

工業機器人需要傳感器提供機器人自身狀態、操作對象和工作環境的準確認知，來執行正確地操作。機器人通過內部傳感器（位置、位移、速度、加速度）來獲取自身狀態的信息，然后為機器人控制單元反饋信息，進行下一步的操作。對于外部情況和多操作目標的信息獲取要靠外部傳感器來完成。

2. 工業機器人中的傳感器技術

1）二維視覺傳感器。

二維視覺傳感器是一個攝像頭，完成檢測移動物體、定位傳送帶上的部件等各種任務。機器人根據檢測到的零件位置來調整自身的動作進行生產操作。

2）三維視覺傳感器。

三維視覺系統一般有兩個攝像頭或不同角度的激光掃描儀來探測物體的三維空間。

3）力/力矩傳感器。

機器人的觸覺依靠力/力矩傳感器來完成檢測。主要是用來感知末端執行器的力度的大小，從而來調整操作的位置、力度等相關內容，實現生產線的操作。在大部分情況下，由于力/力矩傳感器是處于機器人和夾具之間，所以機器人可以檢測監控到反饋到夾具上面的力。

4）碰撞測量傳感器。

碰撞測量傳感器在機器人應用中起到保護安全的作用，它的形式比較多樣。通過檢測相關的環境信號，可以保證為操作員提供一個安全的工作環境，在此基礎上，機器人才能開展工作，而可靠性是協作機器人所必備的。

3. 傳感器技術的發展趨勢

傳感器技術從產生到廣泛應用基本歷經了三個時段。第一個時期為結構傳感器發展和使用，結構傳感器利用傳感器自身結構參數在測量時發生改變來感知和轉換信號。第二個時期是固態傳感器的發展和使用，這個時期的傳感器采用特殊材料制成，通過測量時材料的特性發生變化來代表獲取的信息不同。第三個時期就是現在，智能傳感器正在得到大力的發展。

傳感器技術的一個重要發展方向是發展智能化傳感器。智能傳感器的核心部件是微處理器，與傳統傳感器相比，可以實現信息采集、處理和交換的功能。

1）自補償與自診斷功能。

傳統傳感器存在溫度漂移和輸出非線性的缺點，還需要定期檢查和定期校準，這些都對測量的準確性有一定的影響。而智能傳感器通過軟件計算，自動補償由溫漂和非線性以及環境因素引起的信號失真，提高傳感器的測試精度，達到最好的測量結果。更加先進的是，智能傳感器還具有自我診斷的功能。

2）信息存儲與記憶功能。

與傳統的傳感器相比，智能傳感器具備一定的存儲空間，用來存儲相關的參數、信號和程序。這樣的話自動控制系統控制器就不需存儲上述內容，剩余的存儲空間可以存儲其他信息，這樣就提高了控制器自身的性能。

3）數字輸出功能。

傳統的傳感器大多是模擬輸入和輸出，輸出的信號必須經過 A/D 轉換才能進行數字處理。目前，在工業控制系統中大多采用數字控制。智能傳感器則正好符合了控制系統的要求，它采用模擬－數字轉換電路，直接輸出數字信號，不需再進行轉換，控制器的信號處理壓力得到了緩解。

4、隨著技術的進步，智能傳感器的發展呈現出以下幾個趨勢：

1）微型化。

智能傳感器的一個最主要的發展走向是微型化。微傳感器的主要特點是體積小、所占的空間不大，生產制造的成本較低，能夠節省開支，但使用時的可靠性還比較高。一個微傳感器通常會包括中央處理器、微傳感器敏感元件、數字信號接口以及儲存部件，可以實現自動的補償和校準。大小已進入毫米到微米級。半導體加工技術的引入為傳感器的生產制造帶來了變化，在這基礎之上實現了傳感器的規?；a，是實現智能傳感器的微型化發展的重要技術支持。

2）多傳感器數據融合。

使用多個傳感器同時進行數據信息的采集，再利用處理器對采集到的信息進行分析、判斷，得到檢測對象的真實數據。與僅僅用單傳感器來進行數據檢測相比，可以看到非常明顯的優勢。

3）無線傳感器網絡技術。

單獨的微智能傳感器存在覆蓋的范圍小的局限性，所以在實際的應用中常常用數千萬個微傳感器一起來共同工作，形成網絡化，構成智能傳感器的網絡，這樣在生產制造中發揮最大的效用。

四、結語

現代化智能生產和智能制造，沒有傳感技術便無從談起。大數據時代的智聯網、互聯網、物聯網和終端設備都需要大量的數據信息，這些數據信息都來自服務器和傳感器。根據我國智能裝備發展規劃，重點是新型傳感技術、嵌入式控制系統設計等。核心智能測控裝置與部件是新型傳感器及其系統、智能控制系統等。國家智能制造的戰略布局上需要傳感器和傳感技術的快速發展，這也將成為我國工業 4.0 發展進程中的關鍵內容，在一定程度上決定著工業 4.0 革命的進程。