新型傳感器技術(shù)應用于現代機器人

　　控制和通信IC的發(fā)展在實(shí)現下一代的機器人中起到重要作用。然而，這些復雜的現代機器人的核心是許多新的、小型化和低成本的傳感技術(shù)的出現與融合。對實(shí)現下一代機器人至關(guān)重要的幾項關(guān)鍵傳感器技術(shù)包括磁性位置傳感器、存在傳感器、手勢傳感器、力矩傳感器、環(huán)境傳感器和電源管理傳感器。

　　磁性位置傳感器——機器人革命中的幕后英雄

　　在當今消費、專(zhuān)業(yè)服務(wù)、社交，甚至是工業(yè)機器人中最為普遍的傳感器技術(shù)之一是磁性角度位置傳感器集成電路 (IC)。參見(jiàn)圖1.0。當前，消費、專(zhuān)業(yè)服務(wù)或社交機器人的每個(gè)關(guān)節幾乎都用到兩個(gè)或更多的磁性角度位置傳感器IC。每個(gè)運動(dòng)軸或關(guān)節旋轉需要使用至少一個(gè)磁性角度位置傳感器。當今的許多機器人都采用小而強大的無(wú)刷直流電機 (BLDC) 來(lái)移動(dòng)機器人的關(guān)節和四肢。為了正確驅動(dòng)電機，需要知道電機的當前位置。

　　圖1.0——采用圓盤(pán)形磁體的磁性位置傳感器

　　磁性角度位置傳感器 IC 越來(lái)越廣泛地用來(lái)為移動(dòng)關(guān)節的電機控制器提供電機換向反饋。參見(jiàn)圖 2.0。此外，機器人關(guān)節的閉環(huán)電機控制也需要關(guān)節齒輪的角度位置反饋。因此在機器人關(guān)節的每個(gè)運動(dòng)軸上需要兩個(gè)磁性角度位置傳感器。例如，當機器人的腳踝需要同時(shí)進(jìn)行前后和轉動(dòng)兩個(gè)軸方向的運動(dòng)時(shí)，總共需要使用四個(gè)磁性位置傳感器。由于每個(gè)關(guān)節的這種成倍需求，以及大多數機器人中所需要的關(guān)節數大大增加，磁性角度位置傳感器為何如此大量地用于當今最新推出的機器人中就顯而易見(jiàn)了。

　　圖2.0——帶有磁性位置傳感器的機器人手臂

　　但是為什么選擇磁性角度位置傳感器IC?

　　于之前用于機器人關(guān)節中的競爭性的位置傳感器技術(shù)相比，當今最新的磁性角度位置傳感器(如艾邁斯半導體的AS5047P和AS5600L)具備多項優(yōu)勢。新型磁性位置傳感器IC提供高分辨率和重復精度。此外，由于制造采用了CMOS硅技術(shù)，與競爭性位置傳感器技術(shù)(如光電編碼器和旋轉變壓器)相比，它們所需的功率、重量和體積都非常小。此外，磁性位置傳感器IC可以在非常惡劣的環(huán)境中工作，包括極端溫度和骯臟多塵的環(huán)境。有些磁性位置傳感器(如艾邁斯半導體的全系列磁性位置傳感器 IC)甚至可以免受機器人工作環(huán)境中常見(jiàn)的雜散場(chǎng)干擾。最后，與低成本社交/玩具機器人的傳統伺服電機組件中常見(jiàn)的電阻電位計不同的是磁性位置傳感器是非接觸式的，沒(méi)有運動(dòng)的機械部件，所以不會(huì )磨損。正是由于所有這些內在優(yōu)勢，磁性角度位置傳感器在當今的消費、專(zhuān)業(yè)服務(wù)和社交機器人，現在甚至在工業(yè)機器人中都被廣泛采用。

　　存在傳感器

　　現在，數項存在傳感器技術(shù)正被集成到當今的機器人中，它們的數據會(huì )融合在一起，用于為機器人提供空間視覺(jué)感知以及物體檢測和避讓。2D和3D視覺(jué)立體攝像頭在當今的新型消費和專(zhuān)業(yè)服務(wù)機器人中都很常見(jiàn)。然而，新型的先進(jìn)傳感器技術(shù)，如包括基于飛行時(shí)間的光檢測和測距 (LIDAR) 傳感器，也越來(lái)越多地部署到機器人當中。LIDAR為機器人提供其工作空間及周?chē)h(huán)境的高分辨率3D測繪，以便它可以更好地執行任務(wù)并四處移動(dòng)。參見(jiàn)圖3.0。

　　圖3.0——LIDAR 測繪

　　同樣，超聲波傳感器也正被用于存在感測。與用于汽車(chē)倒車(chē)時(shí)的安全報警系統傳感器相同，機器人中的超聲波傳感器用于檢測附近的障礙物，以防撞到墻壁、物體、其他機器人和人。另外，它們可以在機器人執行主要功能任務(wù)時(shí)發(fā)揮作用。因此，超聲波傳感器在近場(chǎng)導航和避障中起著(zhù)重要作用，最終提高了機器人的整體性能和安全性。

　　但是，超聲波傳感器的作用距離有限，大約為一厘米到幾米，而最大角度錐體約為30度。它們的成本相對較低，并在近距離范圍內具有較高的精度，但隨著(zhù)距離和測量角度的增加，其精度會(huì )下降。它們也易受溫度和壓力變化的影響，還會(huì )受到使用調諧在相同頻率的其他機器人的超聲波傳感器的干擾。盡管如此，當與其他存在傳感器結合使用時(shí)，它們還是可以提供實(shí)用可靠的位置信息。

　　當所有這些存在傳感器(2D/3D攝像頭、LIDAR和超聲波)數據融合在一起時(shí)，正如我們現在開(kāi)始在高端消費/專(zhuān)業(yè)服務(wù)機器人和工業(yè)機器人中所看到的，這些機器人能夠出色地實(shí)現對周?chē)h(huán)境空間感知，移動(dòng)并執行更復雜的任務(wù)，而且不會(huì )令自己、人或其周?chē)h(huán)境受到損害。

　　用于人機交互的手勢傳感器

　　手勢傳感器也越來(lái)越多地集成到當今一些最復雜的機器人中，用來(lái)輔助提供用戶(hù)界面命令。手勢傳感器技術(shù)包括光學(xué)傳感器和機器人操作員佩戴的臂帶式控制傳感器。

　　利用光電手勢傳感器，可以訓練機器人識別特定的手部動(dòng)作，并按照特定的手勢或手部動(dòng)作來(lái)執行某些任務(wù)。這些手勢傳感器為家中或醫院里的殘疾人和溝通障礙人士，以及智能工廠(chǎng)提供了很多便利。

　　佩戴了臂帶式控制傳感器的操作員可以與協(xié)作式工業(yè)、醫療或軍事機器人溝通，并控制機器人，使其按照操作員的手臂運動(dòng)方式和手勢來(lái)執行和/或模仿某些任務(wù)。例如，雙臂均佩戴臂帶式傳感器的外科醫生可以控制遠程醫療機器人的雙臂進(jìn)行手術(shù)，而它也許遠在地球的另一端。

　　力矩傳感器

　　力矩傳感器也越來(lái)越多地用于下一代機器人中。力矩傳感器不僅用于機器人的末端執行器和夾持器，而且還用于機器人的其他部位，例如軀干、臂部、腿部和頭部。這些特殊的力矩傳感器用來(lái)監測肢體的快速運動(dòng)、檢測障礙物并為機器人的中央處理器提供安全報警。例如，當機器人手臂中的力矩傳感器檢測到由于手臂撞擊到物體而引起的突發(fā)和意外的力時(shí)，其控制安全軟件可以使手臂停止運動(dòng)并縮回其位置。

　　力矩傳感器也與存在傳感器以及其他安全監測傳感器(如環(huán)境傳感器)共同協(xié)作，以提供總體安全區域監測功能。

　　環(huán)境傳感器

　　各種環(huán)境傳感器也正在進(jìn)入工業(yè)和消費機器人領(lǐng)域。環(huán)境傳感器包括檢測與空氣質(zhì)量有關(guān)的 VOC(揮發(fā)性有機化合物)傳感器、溫度和濕度傳感器、壓力傳感器，甚至可檢測光照存在的傳感器。這些傳感器不僅能幫助確保機器人一直安全有效地工作，還能讓機器人周邊的人們察覺(jué)到不安全的環(huán)境條件。

　　電源管理傳感器

　　電源管理傳感器也集成到當今的自動(dòng)化機器人中，用來(lái)幫助延長(cháng)機器人的工作時(shí)間，并確保鋰電池(當今自動(dòng)化機器人中最常見(jiàn)的電池)充電或耗電時(shí)不會(huì )過(guò)熱。參見(jiàn)圖4.0。電源管理傳感器還用于機器人關(guān)節電機的穩壓與功率和熱管理。所有板載機器人器件(如微處理器、傳感器和執行器)都需要低紋波電源和穩壓，以確保它們高效、正確地工作。

　　用于機器人電源管理的最新傳感器解決方案包括用于電池放電和充電的庫侖計算的傳感器、用于穩壓器的精準可靠的過(guò)溫監測傳感器，以及電池管理設備中的電流傳感器。

　　圖4.0電源管理——對自動(dòng)化機器人至關(guān)重要

　　得益于所有這些新型創(chuàng )新的傳感器技術(shù)的集成和融合，當今最新的機器人可以更獨立和安全地運行。此外，由于計算能力、軟件功能和人工智能的大幅提高，并配合上這些新型傳感器技術(shù)，下一代機器人可以更輕松地用于支持各種各樣的應用。而且，它們可以比原先的機器人更精準、更快速地執行任務(wù)。最后，它們可以在更廣泛的家庭、商業(yè)和制造環(huán)境中更獨立、更協(xié)作和更安全地運行與工作。