傳感器在自主機器人中的作用

本文探討傳感器在工業(yè)機器人中的作用，以及它們如何幫助收集和分析數據以實(shí)現智能決策；并且重點(diǎn)介紹與傳感器相關(guān)的一些準確性、功耗和成本挑戰。
多年來(lái)，機器人一直是科幻小說(shuō)的主題。從早期無(wú)聲電影的開(kāi)創(chuàng )性電影到美國作家艾薩克·阿西莫夫（Isaac Asimov）的思考機器人，機器人一直被描繪成人類(lèi)形式的機器。這些虛構的機器人擁有遠遠超過(guò)我們自己的智慧，考慮到它們最初是在微電子、半導體甚至晶體管時(shí)代之前被想象出來(lái)的，這是一個(gè)了不起的想法。
制造業(yè)是最早了解機器人在現實(shí)世界中的用途的行業(yè)之一。然而，當機器人最終開(kāi)始進(jìn)入我們的生活時(shí)，它們與我們想象中的完全不同。它們不僅缺乏虛構機器人的復雜性，而且看起來(lái)也不像人類(lèi)。第一代機器人不具備智能，但旨在快速準確地執行有限的功能。通過(guò)使用機器來(lái)執行困難和重復的任務(wù)，制造商可以提高工廠(chǎng)效率并提高產(chǎn)品質(zhì)量，對于這些任務(wù)，人形既不需要也沒(méi)有優(yōu)勢。
本文探討傳感器在工業(yè)機器人中的作用，以及它們如何幫助收集和分析數據以實(shí)現智能決策，并且重點(diǎn)介紹與傳感器相關(guān)的一些準確性、功耗和成本挑戰。

自主機器人
自第一臺工業(yè)機器問(wèn)世以來(lái)，機器人領(lǐng)域不斷發(fā)展?？缍鄠€(gè)領(lǐng)域的一系列技術(shù)同時(shí)成熟，創(chuàng )造出稱(chēng)為「自主移動(dòng)機器人（AMR）」的新一代設備，這些AMR的核心是現代微電子的處理能力。盡管如此，如果沒(méi)有其他技術(shù)領(lǐng)域的進(jìn)步，從無(wú)線(xiàn)連接到電池和馬達，它們就一無(wú)是處。
AMR沒(méi)有自我意識，也沒(méi)有使用真正的人工智能（AI）；但是，它們旨在了解周?chē)沫h(huán)境。通過(guò)傳感器和其他來(lái)源收集這些信息，它們會(huì )做出反應并調整行動(dòng)以完成所分配的任務(wù)；從在繁忙的工廠(chǎng)車(chē)間導航到處理敏感貨物，這些機器人可以通過(guò)采用機器學(xué)習的AI形式自主行動(dòng)。
正如科幻小說(shuō)中想象的機器人新用途一樣，最新一代的AMR已在現實(shí)世界中廣泛應用于各行各業(yè)。人們對于將機器人部署到科學(xué)研究、救災和太空等危險環(huán)境中，加以執行人類(lèi)工作人員無(wú)法嘗試的危險任務(wù)非常感興趣。盡管自主機器人在廣泛的應用中具有潛力，但AMR已經(jīng)對工業(yè)市場(chǎng)產(chǎn)生了相當大的影響。

智能工廠(chǎng)及其他領(lǐng)域的機器人
AMR使熄燈或黑暗工廠(chǎng)成為可能—也就是說(shuō)，工廠(chǎng)對人類(lèi)活動(dòng)的需求非常小，以至于設施可以在黑暗中運行。在這些黑暗工廠(chǎng)中，AMR是生產(chǎn)線(xiàn)不可或缺的一部分，用于在工廠(chǎng)周?chē)\送原物料。AMR的獨立性使它們能夠透過(guò)計算復雜和動(dòng)態(tài)環(huán)境中的最佳路線(xiàn)來(lái)因應最新要求。生產(chǎn)計劃的變化會(huì )自動(dòng)傳達給交付機器人車(chē)隊，確保正確的零件在正確的時(shí)間出現在正確的位置。
除了工廠(chǎng)之外，快遞業(yè)巨頭的發(fā)展也引起了人們的極大興趣。許多人將AMR視為在運輸過(guò)程的最后階段進(jìn)行交付的理想解決方案，在該階段將包裹交付到客戶(hù)家門(mén)口。在此應用程序中，AMR將在街道的人行道上行駛以到達目的地。設計師面臨的挑戰是創(chuàng )造能夠對城市地區不可預知的交通做出安全反應的機器人。
自主機器人甚至可以升空。無(wú)人駕駛飛行器（unmanned aerial vehicle；UAV），通常被稱(chēng)為無(wú)人機，已經(jīng)出現了一段時(shí)間，但通常需要遠程控制。然而最新一代的自主無(wú)人機正在各種應用中提供「空中之眼」，它們能夠長(cháng)時(shí)間在高空停留、有條不紊地搜索大片區域以及識別異常的能力，使得這些機器非常有效；例如許多精準農業(yè)在運作時(shí)采用自主無(wú)人機從上方監測作物狀況，這些無(wú)人機配備紅外線(xiàn)和其他專(zhuān)業(yè)視覺(jué)系統，可以識別關(guān)注區域，甚至無(wú)需人工干預即可施用化肥或殺蟲(chóng)劑。


圖1 : 許多精準農業(yè)在運作時(shí)采用自主無(wú)人機從上方監測作物狀況，由于配備紅外線(xiàn)和其他專(zhuān)業(yè)視覺(jué)系統，可以識別關(guān)注區域。（source：LAPPconnect）

傳感器數組
在所有這些應用中，機器人與環(huán)境的互動(dòng)對其成功至關(guān)重要；傳感器不僅僅是自主機器人的眼睛和耳朵，還發(fā)揮著(zhù)多種關(guān)鍵作用。

本體感受器
在A(yíng)MR可以在其環(huán)境中導航之前，它必須能夠檢測到自己的狀況。這些本體感受傳感器，包括陀螺儀傳感器、傾斜傳感器、加速度計和溫度計，使得機器人能夠監測其姿態(tài)、運動(dòng)和溫度。這些通常與壓力和重量傳感器結合使用，這些傳感器對于涉及物流的機器人尤其重要（例如確保貨物裝載不會(huì )造成不安全的條件）。
這些AMR中的大多數使用電池組作為其馬達的電源，目前選擇的技術(shù)是鋰離子（Li-ion）電池。鋰離子電池的能量容量和充電特性意味著(zhù)它們在眾多產(chǎn)業(yè)中得到廣泛使用，但存在著(zhù)安全問(wèn)題。如果鋰離子電池損壞或充電不正確，結果可能會(huì )導致稱(chēng)為「熱失控」的極其危險的事件。準確的溫度感應對于電池管理系統至關(guān)重要，電池管理系統監控這些電源組的狀況，進(jìn)而防止熱失控風(fēng)險。
這些傳感器在機器人的維護中也發(fā)揮著(zhù)有趣的作用。長(cháng)期監控機器人性能及其組件的能力可以提供對其狀況的寶貴見(jiàn)解，例如溫度的穩定上升可能會(huì )提醒用戶(hù)馬達已磨損，而操作過(guò)程中傾斜角度的變化可能是由底盤(pán)損壞所引起的。收集和分析這些數據使營(yíng)運商能夠進(jìn)行預先計劃的維護，最大限度地減少停機時(shí)間并保持全面服務(wù)。

被動(dòng)和主動(dòng)傳感器
在檢測機器人必須在其中移動(dòng)或運行的環(huán)境時(shí)，設計人員可以選擇主動(dòng)或被動(dòng)傳感器。被動(dòng)式傳感器檢測環(huán)境本身產(chǎn)生的能量，這包括電磁能的所有變化，包括可見(jiàn)光和紅外輻射，以及聲音或大氣壓力等物理條件，被動(dòng)傳感器收集這些信息，機器人將使用這些信息建構周?chē)h(huán)境的模型。


 
圖2 : 在檢測機器人必須在其中移動(dòng)或運行的環(huán)境時(shí)，設計人員可以選擇主動(dòng)或被動(dòng)傳感器。（source：Rave Robot）

AMR的被動(dòng)傳感器選項，包括防止機器人進(jìn)入不安全區域的溫度和壓力傳感器，以及視覺(jué)系統—通常是使用可見(jiàn)光或紅外線(xiàn)從外部環(huán)境擷取信息的攝影鏡頭組合。當由最新的嵌入式計算機處理時(shí)，可以建立非常準確的環(huán)境視覺(jué)模型，使得機器人能夠安全地繞過(guò)障礙物和危險。
主動(dòng)式傳感器通過(guò)產(chǎn)生能量然后釋放到環(huán)境中來(lái)工作，傳感器收集有關(guān)這種能量如何與其周?chē)h(huán)境相互作用的信息。主動(dòng)式傳感器最常見(jiàn)的應用是雷達，其中發(fā)射射頻（RF）輻射脈沖，并測量其反射，脈沖行進(jìn)到目標并返回所花費的時(shí)間提供對距離的準確量測。
AMR使用一系列主動(dòng)式傳感器來(lái)進(jìn)一步增強其周?chē)h(huán)境的模型。光探測和測距（激光雷達）或雷射提供了雷達的替代方案，其中射頻傳輸被光取代以檢測物體。盡管基于光的傳感器可能會(huì )受到灰塵或霧氣等大氣條件的影響，但它們提供的分辨率高于雷達。

理解世界
無(wú)論采用哪種傳感器技術(shù)，機器人都將使用一種稱(chēng)為同時(shí)定位和映射或SLAM 的方法。SLAM是一種自動(dòng)機器人和車(chē)輛用來(lái)構建區域地圖，并同時(shí)定位其在其中位置的技術(shù)；SLAM技術(shù)利用一系列傳感器生成的信息，為機器人提供執行路徑規劃和避障等任務(wù)所需的信息。
更為關(guān)鍵的是傳感器在公共安全中的作用。隨著(zhù)AMR成為在街道和工廠(chǎng)中常見(jiàn)的景象，它們將承擔越來(lái)越重要的任務(wù)，這些任務(wù)必須在無(wú)人監督的情況下執行。在公共場(chǎng)所或其他可能與人互動(dòng)的區域部署機器人時(shí)，主動(dòng)和被動(dòng)傳感器都將發(fā)揮關(guān)鍵作用。

結論
傳感器不僅僅是讓機器人感知和理解周?chē)h(huán)境的眼睛和耳朵。雖然AMR沒(méi)有自我意識，但它們旨在響應周?chē)沫h(huán)境、調整自己的行為，并且完成分配的任務(wù)。
無(wú)論設計師是要創(chuàng )造在30分鐘內送出披薩的機器人，還是最復雜的搜救機器，AMR中內建的傳感器數組都將使它們能夠充分發(fā)揮潛力。它們對機器人的成功至關(guān)重要，因為它們發(fā)揮著(zhù)關(guān)鍵作用，例如檢測自身狀況、監控電池健康狀況和維護。

 本文由貿澤電子（Mouser Electronics）提供