传感器整合拓应用(yòng)领域 机器人革命

对于下一代机器人的发展而言，控制和通讯IC扮演重要的角色。 然而，许多(duō)全新(xīn)、小(xiǎo)型和低成本感测技术的出现及融合，才是这些现代及复杂机器人的心脏。

要实现下一代机器人，有(yǒu)数种关键传感器技术发挥极重要的作用(yòng)，包括磁位置传感器、存在传感器、手势传感器、力矩传感器、环境传感器及電(diàn)源管理(lǐ)传感器等。

磁位置传感器促机器人革命

在当今的消费性、服務(wù)专业、社交，甚至工业机器人中最常见的传感器技术之一，就是磁位置传感器集成電(diàn)路(IC)。 今天，几乎消费性、服務(wù)专业或社交机器人的每个关节都使用(yòng)两个或更多(duō)的磁位置传感器IC。 每个移动轴或关节旋转都使用(yòng)至少一个磁角位置传感器。 今日许多(duō)机器人采用(yòng)小(xiǎo)型却强大的无刷直流马达(BLDC)来移动机器人的关节和四肢。 為(wèi)了正确驱动马达，就需要马达位置回馈。

有(yǒu)愈来愈多(duō)的磁角位置传感器IC被用(yòng)来為(wèi)关节马达控制器提供马达换向回馈(见图1)。 此外，机器人关节的封闭回路马达控制也需要齿轮角度位置回馈。 因此，机器人关节的每个运动轴都需要两个磁角位置传感器。 例如，若机器人脚踝须以俯仰和滚动方式进行轴向运动，则总共须使用(yòng)四个磁位置传感器。 由于每一个关节都需要这种倍数的传感器，且大部份机器人都有(yǒu)许多(duō)关节，因此，非常明显地，现今新(xīn)一代机器人已大量采用(yòng)磁角位置传感器。

图1 具有(yǒu)磁位置测器的机器手臂

相较于过往被用(yòng)在机器人关节中的其他(tā)位置传感器技术，今日最新(xīn)的磁角位置传感器提供了许多(duō)好处。 这些新(xīn)型磁角位置传感器IC提供高分(fēn)辨率和可(kě)重复的精确度。 另外，由于它们是以CMOS硅制程制造，因此与其他(tā)位置传感器技术，例如光學(xué)编码器和旋转变压器相较时，这些新(xīn)型磁角位置传感器IC需要极小(xiǎo)的功率、重量和空间。 再者，磁位置传感器IC可(kě)以在非常恶劣的环境中工作，包括极端温度、肮脏和多(duō)尘的环境。 一些磁位置传感器，甚至不受在机器人工作环境中常见磁杂散场的影响。 最后，由于它们是非接触式，并且没有(yǒu)移动的机械零件，因此不会磨损，不同于低成本社交/玩具机器人使用(yòng)的传统伺服马达组件中常见的電(diàn)阻電(diàn)位计。 拜这些既有(yǒu)优势所赐，磁角位置传感器被广泛用(yòng)于现今的消费性、专业服務(wù)和社交机器人，现在甚至是用(yòng)于工业机器人。

信息融合实现空间视觉感测

目前有(yǒu)数种存在传感器技术正被整合至当今的机器人中，且它们的信息被融合在一起，用(yòng)于提供机器人的空间视觉感测，以及物(wù)體(tǐ)侦测和躲避障碍等。 二维和三维视觉立體(tǐ)相机在当今许多(duō)新(xīn)型消费性和专业服務(wù)机器人中都很(hěn)常见。 不过，一些新(xīn)型先进传感器技术，例如包括光检测和测距光达(Lidar)传感器在内的飞时测距(Time of Flight)传感器等，也日渐被用(yòng)于机器人中。 光达提供机器人运行空间和周围环境的高分(fēn)辨率三维测绘(3D Mapping)，使其能(néng)更佳地执行任務(wù)和移动(见图2)。

图2 光达测绘(Lidar Mapping)

超音波传感器也被用(yòng)于存在感测。 就像是用(yòng)于倒車(chē)安全警报系统中一样，机器人中的超音波传感器也适用(yòng)于侦测附近的障碍物(wù)，以防止机器人撞到墙壁、物(wù)體(tǐ)、其他(tā)机器人和人體(tǐ)。 另外，在机器人执行其主要功能(néng)时，这些超音波传感器也能(néng)发挥作用(yòng)。 超音波传感器在近场导航和障碍避免中扮演重要角色，可(kě)提升机器人的整體(tǐ)效能(néng)和安全性。

然而，超音波传感器的感测范围有(yǒu)其限制，大约是1公分(fēn)到数公尺的距离，以及最大约30度的锥體(tǐ)范围内。 它们的成本相对较低，且在近距离范围内的精度较高，但是随着测距范围和测量角度的增加，精度会随之下降。 它们也容易受到温度和压力变化的影响，以及来自其他(tā)使用(yòng)同样频率超音波传感器的机器人的干扰。 不过当与其他(tā)存在传感器组合使用(yòng)时，它们能(néng)提供有(yǒu)用(yòng)和可(kě)靠的位置信息。

当所有(yǒu)存在传感器(2D/3D相机、光达和超音波)的数据融合在一起之后，正如我们开始在高阶消费性/专业服務(wù)机器人及工业机器人上看到的，这些机器人拥有(yǒu)杰出的空间察觉能(néng)力，且能(néng)在不伤害自己、 人类及环境的情况下移动并执行更复杂的任務(wù)。


手势传感器助人机互动

有(yǒu)愈来愈多(duō)的手势传感器被整合至现今最复杂的机器人中，以提供用(yòng)户接口指令。 手势传感器技术包括机器人操作员穿戴的光學(xué)传感器和控制臂带传感器等。

使用(yòng)基于光學(xué)的手势传感器，可(kě)以训练机器人识别特定的手部运动，并且执行基于特定手势或手部动作的特定任務(wù)。 这些类型的传感器在家庭或医院中為(wèi)沟通能(néng)力受限的身障者开启了许多(duō)机会，在智能(néng)工厂中也提供许多(duō)协助。

使用(yòng)臂带控制传感器，佩戴者可(kě)以与协作、工业、医疗或军事机器人沟通并进行控制，使机器人能(néng)根据操作者的移动方式和手臂姿势来执行及仿真特定任務(wù)。 例如，双臂各穿戴一个臂带传感器的外科(kē)医生，可(kě)以控制遠(yuǎn)程医疗机器人手臂来执行手术，而这双手臂可(kě)能(néng)遠(yuǎn)在地球的另一侧。


力矩传感器提供监测功能(néng)

力矩传感器也愈来愈多(duō)地被用(yòng)在今日的下一代机器人中。 力矩传感器不仅被用(yòng)于机器人的末端操纵装置和夹具，而且还用(yòng)于机器人的其他(tā)部分(fēn)，例如躯干、手臂、腿和头部等。 这些特殊的力矩传感器被用(yòng)于监测肢體(tǐ)快速运动、侦测障碍物(wù)并向机器人的中央处理(lǐ)器提供安全警示。 例如，当机器手臂中的力矩传感器感测到机器手臂因碰撞到物(wù)體(tǐ)而出现突然及意外的外力时，其控制安全软件能(néng)使手臂停止动作并缩回其位置。

力矩传感器也能(néng)与存在传感器，以及其他(tā)安全监控传感器，例如环境传感器共同运作，為(wèi)整體(tǐ)安全區(qū)域提供监控功能(néng)。


环境传感器护工作安全

各种环境传感器也正在找寻它们进入工业和消费性机器人的方式，包括能(néng)侦测攸关空气质量的挥发性有(yǒu)机化合物(wù)(Volatile Organic Compounds, VOCs)的环境传感器、温度和湿度传感器、压力传感器， 甚至是能(néng)侦测照明有(yǒu)无的传感器。 这些传感器不仅有(yǒu)助于确保机器人能(néng)够持续有(yǒu)效且安全地运行，还能(néng)让机器人工作范围内的人员察觉到不安全的环境情况。


電(diàn)源管理(lǐ)传感器提高效率

電(diàn)源管理(lǐ)传感器也被整合至现今的自动机器人中，以帮助延長(cháng)机器人在两次充電(diàn)间的工作时间，并确保目前自动机器人中最常采用(yòng)的锂离子電(diàn)池在充電(diàn)或放電(diàn)时不会过热。 電(diàn)源管理(lǐ)传感器也用(yòng)于稳压，以及机器人关节马达的電(diàn)源和散热管理(lǐ)。 所有(yǒu)的机载電(diàn)子零件，像是微处理(lǐ)器、传感器和致动器等，都需要低噪声涟波電(diàn)源和稳压，以确保其能(néng)高效率且正确地运作。

用(yòng)于机器人電(diàn)源管理(lǐ)的最新(xīn)传感器解决方案，包括用(yòng)于電(diàn)池放電(diàn)和充電(diàn)的库仑计数、精确可(kě)靠用(yòng)于稳压器的过热监控传感器，以及電(diàn)池管理(lǐ)装置的電(diàn)流传感器。

拜这些创新(xīn)传感器技术的整合和融合所赐，今日最新(xīn)的机器人可(kě)以更独立及安全地运作。 此外，运算能(néng)力、软件和人工智能(néng)的大幅进展，以及与这些新(xīn)型传感器技术的搭配，使得下一代机器人可(kě)以更容易地被用(yòng)来支持各种应用(yòng)。 再者，比起前一代机器人，它们可(kě)以更精确、更迅速地完成任務(wù)。 最后，它们可(kě)以在更多(duō)样的家庭、商(shāng)业和制造环境中更独立地工作，且更安全地与人类协作。