借力MEMS傳感器，機器人將越來(lái)越智能

　　機器人變得越來(lái)越智能。在工廠(chǎng)，工業(yè)機器人需要感測到工人的存在，以避免對工人造成傷害。此外，它們還應該能夠檢測到異常情況，例如可能造成損壞的劇烈震動(dòng)。服務(wù)機器人，無(wú)論是守衛倉庫或作為遠程工作人員的網(wǎng)真裝置，都需要進(jìn)行自主導航。就像我們用天生的感官一樣，機器人也需要借助傳感器技術(shù)使它們變得更智能、使用更安全，同時(shí)增加對人類(lèi)的用途。

　　MEMS傳感器是令人驚奇的小器件，大小僅為幾平方毫米，通常包含兩個(gè)芯片。一個(gè)是傳感器芯片，通常來(lái)說(shuō)MEMS器件提供運動(dòng)或壓力信息，但它也可以用作磁性固態(tài)傳感器。另一個(gè)芯片提供必要的信號處理功能，可將來(lái)自傳感器的微弱的模擬信號轉換為有用信息，并通過(guò)一些串行總線(xiàn)傳遞這些信息。

　　這些傳感器外形小巧、價(jià)格實(shí)惠，是機器人的理想配件。它們既小巧又實(shí)惠，通常內嵌在智能手機和其它消費電子游戲應用中進(jìn)行銷(xiāo)售，目前已售出了數億個(gè)。此外，它們的耗電量很低。例如，當采用2V或3V電源時(shí)，一個(gè)加速度傳感器的功耗通常不到10μA；功耗通常是頻率和理想操作點(diǎn)精度之間的一個(gè)平衡點(diǎn)。低功耗方案，如低于1μA，還可以通過(guò)專(zhuān)用傳感器來(lái)實(shí)現，這些傳感器可作為一個(gè)運動(dòng)觸發(fā)器或篡改探測單元來(lái)運行。它們提供的快速喚醒和關(guān)閉機制是影響功耗的最重要的參數。節能技術(shù)將根據應用需求獲取數據點(diǎn)所需的頻率而不斷變化。

　　對于空間受限應用，機器人設計人員還可以選用內置了微控制器和內存的加速度傳感器，通過(guò)定制軟件構建微小的系統。由于這些傳感器通常無(wú)需其它處理器便能連接其它傳感器，因此經(jīng)常被稱(chēng)為傳感器集線(xiàn)器。例如，飛思卡爾XtrinsicMMA9550L提供3x3-mm三軸加速度傳感器和帶有14KB閃存和1.5KBRAM的32位微控制器。當機器人的末梢或手臂部分需要安放傳感器時(shí)，飛思卡爾XtrinsicMMA9550L和其它類(lèi)似器件就非常有用，因為機器人的末梢或手臂部分的空間非常狹小。另一個(gè)應用是設計精致小巧的可穿戴式機器人系統，甚至用于內窺鏡檢查醫療應用的可吞咽機器人膠囊。

　　這類(lèi)器件上的板載內存和微控制器也可用來(lái)實(shí)施傳感器通信協(xié)議，如IO-Link。這個(gè)日益普及的傳感器網(wǎng)絡(luò )協(xié)議需要約10KB的內存，因此，它可以集成在這個(gè)小巧的裝置中，實(shí)現全新傳感器節點(diǎn)的設計和規格。

　　協(xié)同作用

　　在傳感器系統設計中，下一步是借助您能夠并且應該擁有的所有“感官”，來(lái)實(shí)現機器人性能目標。這通常被稱(chēng)為傳感器融合，支持傳感器系統利用各個(gè)傳感器的優(yōu)勢生成更準確的數據和更好的產(chǎn)品設計。

　　例如，電子羅盤(pán)可指示南/北方向。雖然有人可能認為，讀取地球磁場(chǎng)的磁傳感器足以提供穩定的信息，但事實(shí)并非如此。磁傳感器的輸出值將隨傳感器向上或向下傾斜而發(fā)生變化，因此需要添加線(xiàn)性運動(dòng)傳感器（加速度傳感器）來(lái)感測傾斜運動(dòng)，并采用某個(gè)三角函數算法補償磁傳感器的讀數。一個(gè)好的電子羅盤(pán)的設計將采用這兩種傳感器。而更好的系統將把這些傳感器集成在同一個(gè)封裝中，從而產(chǎn)生更小的傳感器。例如，飛思卡爾XtrinsicFXOS8700CQ在3x3x1.2-mm的封裝中集成了帶有傾斜補償的地磁場(chǎng)測量，提供了一種簡(jiǎn)單的方法將x/y方向集成到任何機器人系統中。

　　又如：無(wú)法利用GPS信號的室內定位系統采用WiFi基站三角測量法，在商場(chǎng)或機場(chǎng)內定位用戶(hù)的智能手機。該系統的精度可通過(guò)添加極小的高度傳感器（如飛思卡爾XtrinsicMPL3115）得以增強。憑借約30厘米（1英尺）的相對高度分辨率，此傳感器能夠輕松地檢測到手機在大樓內向樓上還是樓下移動(dòng)。這個(gè)簡(jiǎn)單的信息對于簡(jiǎn)化或驗證復雜的三角測量算法非常有用?？词厥彝庠O施的監控機器人還需要了解它是向山上還是山下運動(dòng)，這對機器人的速度和功耗都有影響，也是計算其自主持續時(shí)間需要考慮的重要數據。

　　采用高度計實(shí)施的另一個(gè)傳感器融合功能是沖擊檢測。在倉庫地面或醫院大廳四處移動(dòng)的自主機器人的設計應避免撞到人或物體，但如果發(fā)生碰撞，機器人必須能夠檢測到碰撞?？蓪铀俣葌鞲衅鬟M(jìn)行編程，使之根據特定“碰撞”標記檢測震動(dòng)，但這并非萬(wàn)無(wú)一失。在機器人周?chē)砑恿笋詈狭藲鈩?dòng)帶的壓力傳感器后，此系統擁有兩個(gè)不同的傳感信息源，可提高“碰撞事件”檢測的精度。

　　更加融合

　　圖像識別是另一項偉大技術(shù)，可幫助自主機器人導航并避開(kāi)障礙物。當今的視覺(jué)系統可識別形狀、物體、甚至人臉。一種移動(dòng)中的機器人希望創(chuàng )建其周?chē)h(huán)境的實(shí)時(shí)3D地圖，以確定任何可能的障礙。

　　只要能見(jiàn)度和光照條件足以使圖像傳感器捕捉足夠的相關(guān)數據，照相機就能正常工作。但在室外條件下，視覺(jué)系統功能可能會(huì )受到雪、霧或其它天氣條件的限制。雷達傳感技術(shù)雖然不基于MEMS，但仍然是適當的傳感器融合增補。將視頻圖像處理信息與距離和速度雷達數據相結合，可幫助智能導航算法計算出更精確的數據，并更好地構建機器人周?chē)h(huán)境的3D地圖。

　　雷達系統主要為自動(dòng)應用而設計，也可輕松應用于其它系統。它們在77-GHz頻段上運行，并提供非常精確的距離和速度信息，從幾百米的距離到非常近的距離。傳統的系統采用分立式射頻電路和帶有旋轉天線(xiàn)的射頻模塊，以提供3D映像信息。

　　然而，借助150GHz過(guò)渡頻率（fT）的超高速晶體管的高性能硅鍺（SiGe）工藝，分立式射頻功能可以整合到芯片上。這能夠實(shí)現經(jīng)濟高效的多頻段射頻芯片組解決方案的設計，支持多信道接線(xiàn)天線(xiàn)，不再需要旋轉天線(xiàn)。高性能射頻工藝、設計專(zhuān)業(yè)知識，再加上數字波束賦形技術(shù)和信號處理算法，使雷達系統能夠滿(mǎn)足高容量汽車(chē)和機器人應用的尺寸和成本要求。

　　上述內容為傳感技術(shù)的實(shí)例，機器人設計人員可利用這些技術(shù)改進(jìn)他們的系統設計。許多傳感器專(zhuān)為要求高容量、高質(zhì)量、低成本的消費類(lèi)智能手機或汽車(chē)應用而設計。借助適當的傳感器融合算法，這些低成本傳感器可實(shí)現全新的機器人設計。