新型傳感器技術(shù)在現(xiàn)代機(jī)器人中的應(yīng)用

控制和通信IC的發(fā)展在實(shí)現(xiàn)下一代的機(jī)器人中起到重要作用。然而，這些復(fù)雜的現(xiàn)代機(jī)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(xiàn)與融合。對(duì)實(shí)現(xiàn)下一代機(jī)器人至關(guān)重要的幾項(xiàng)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(shì)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(jī)器人革命中的幕后英雄

在當(dāng)今消費(fèi)、專(zhuān)業(yè)服務(wù)、社交，甚至是工業(yè)機(jī)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(dāng)前，消費(fèi)、專(zhuān)業(yè)服務(wù)或社交機(jī)器人的每個(gè)關(guān)節(jié)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(yùn)動(dòng)軸或關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)需要使用至少一個(gè)磁性角度位置傳感器。當(dāng)今的許多機(jī)器人都采用小而強(qiáng)大的無(wú)刷直流電機(jī) (BLDC) 來(lái)移動(dòng)機(jī)器人的關(guān)節(jié)和四肢。為了正確驅(qū)動(dòng)電機(jī)，需要知道電機(jī)的當(dāng)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(jié)的電機(jī)控制器提供電機(jī)換向反饋。參見(jiàn)圖 2.0。此外，機(jī)器人關(guān)節(jié)的閉環(huán)電機(jī)控制也需要關(guān)節(jié)齒輪的角度位置反饋。因此在機(jī)器人關(guān)節(jié)的每個(gè)運(yùn)動(dòng)軸上需要兩個(gè)磁性角度位置傳感器。例如，當(dāng)機(jī)器人的腳踝需要同時(shí)進(jìn)行前后和轉(zhuǎn)動(dòng)兩個(gè)軸方向的運(yùn)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(jié)的這種成倍需求，以及大多數(shù)機(jī)器人中所需要的關(guān)節(jié)數(shù)大大增加，磁性角度位置傳感器為何如此大量地用于當(dāng)今最新推出的機(jī)器人中就顯而易見(jiàn)了。

圖2.0——帶有磁性位置傳感器的機(jī)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(jī)器人關(guān)節(jié)中的競(jìng)爭(zhēng)性的位置傳感器技術(shù)相比，當(dāng)今最新的磁性角度位置傳感器（如艾邁斯半導(dǎo)體的AS5047P和AS5600L）具備多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)。新型磁性位置傳感器IC提供高分辨率和重復(fù)精度。此外，由于制造采用了CMOS硅技術(shù)，與競(jìng)爭(zhēng)性位置傳感器技術(shù)（如光電編碼器和旋轉(zhuǎn)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(dǎo)體的全系列磁性位置傳感器 IC）甚至可以免受機(jī)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(jī)器人的傳統(tǒng)伺服電機(jī)組件中常見(jiàn)的電阻電位計(jì)不同的是磁性位置傳感器是非接觸式的，沒(méi)有運(yùn)動(dòng)的機(jī)械部件，所以不會(huì)磨損。正是由于所有這些內(nèi)在優(yōu)勢(shì)，磁性角度位置傳感器在當(dāng)今的消費(fèi)、專(zhuān)業(yè)服務(wù)和社交機(jī)器人，現(xiàn)在甚至在工業(yè)機(jī)器人中都被廣泛采用。

存在傳感器

現(xiàn)在，數(shù)項(xiàng)存在傳感器技術(shù)正被集成到當(dāng)今的機(jī)器人中，它們的數(shù)據(jù)會(huì)融合在一起，用于為機(jī)器人提供空間視覺(jué)感知以及物體檢測(cè)和避讓。2D和3D視覺(jué)立體攝像頭在當(dāng)今的新型消費(fèi)和專(zhuān)業(yè)服務(wù)機(jī)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(cè)和測(cè)距 (LIDAR) 傳感器，也越來(lái)越多地部署到機(jī)器人當(dāng)中。LIDAR為機(jī)器人提供其工作空間及周?chē)h(huán)境的高分辨率3D測(cè)繪，以便它可以更好地執(zhí)行任務(wù)并四處移動(dòng)。參見(jiàn)圖3.0。

圖3.0——LIDAR 測(cè)繪

同樣，超聲波傳感器也正被用于存在感測(cè)。與用于汽車(chē)倒車(chē)時(shí)的安全報(bào)警系統(tǒng)傳感器相同，機(jī)器人中的超聲波傳感器用于檢測(cè)附近的障礙物，以防撞到墻壁、物體、其他機(jī)器人和人。另外，它們可以在機(jī)器人執(zhí)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(dǎo)航和避障中起著重要作用，最終提高了機(jī)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(duì)較低，并在近距離范圍內(nèi)具有較高的精度，但隨著距離和測(cè)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(diào)諧在相同頻率的其他機(jī)器人的超聲波傳感器的干擾。盡管如此，當(dāng)與其他存在傳感器結(jié)合使用時(shí)，它們還是可以提供實(shí)用可靠的位置信息。

當(dāng)所有這些存在傳感器（2D/3D攝像頭、LIDAR和超聲波）數(shù)據(jù)融合在一起時(shí)，正如我們現(xiàn)在開(kāi)始在高端消費(fèi)/專(zhuān)業(yè)服務(wù)機(jī)器人和工業(yè)機(jī)器人中所看到的，這些機(jī)器人能夠出色地實(shí)現(xiàn)對(duì)周?chē)h(huán)境空間感知，移動(dòng)并執(zhí)行更復(fù)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(jī)交互的手勢(shì)傳感器

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

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

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(yī)療或軍事機(jī)器人溝通，并控制機(jī)器人，使其按照操作員的手臂運(yùn)動(dòng)方式和手勢(shì)來(lái)執(zhí)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(yī)生可以控制遠(yuǎn)程醫(yī)療機(jī)器人的雙臂進(jìn)行手術(shù)，而它也許遠(yuǎn)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(jī)器人中。力矩傳感器不僅用于機(jī)器人的末端執(zhí)行器和夾持器，而且還用于機(jī)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(jiān)測(cè)肢體的快速運(yùn)動(dòng)、檢測(cè)障礙物并為機(jī)器人的中央處理器提供安全報(bào)警。例如，當(dāng)機(jī)器人手臂中的力矩傳感器檢測(cè)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(yùn)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(jiān)測(cè)傳感器（如環(huán)境傳感器）共同協(xié)作，以提供總體安全區(qū)域監(jiān)測(cè)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(fèi)機(jī)器人領(lǐng)域。環(huán)境傳感器包括檢測(cè)與空氣質(zhì)量有關(guān)的 VOC（揮發(fā)性有機(jī)化合物）傳感器、溫度和濕度傳感器、壓力傳感器，甚至可檢測(cè)光照存在的傳感器。這些傳感器不僅能幫助確保機(jī)器人一直安全有效地工作，還能讓機(jī)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(dāng)今的自動(dòng)化機(jī)器人中，用來(lái)幫助延長(zhǎng)機(jī)器人的工作時(shí)間，并確保鋰電池（當(dāng)今自動(dòng)化機(jī)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(jī)器人關(guān)節(jié)電機(jī)的穩(wěn)壓與功率和熱管理。所有板載機(jī)器人器件（如微處理器、傳感器和執(zhí)行器）都需要低紋波電源和穩(wěn)壓，以確保它們高效、正確地工作。

用于機(jī)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(kù)侖計(jì)算的傳感器、用于穩(wěn)壓器的精準(zhǔn)可靠的過(guò)溫監(jiān)測(cè)傳感器，以及電池管理設(shè)備中的電流傳感器。

圖4.0電源管理——對(duì)自動(dòng)化機(jī)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(dāng)今最新的機(jī)器人可以更獨(dú)立和安全地運(yùn)行。此外，由于計(jì)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(jī)器人可以更輕松地用于支持各種各樣的應(yīng)用。而且，它們可以比原先的機(jī)器人更精準(zhǔn)、更快速地執(zhí)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(dú)立、更協(xié)作和更安全地運(yùn)行與工作。

作者：Mark J. Donovan