控制机器人的六大重点传感器

工程师 2018-07-19 5757

MEMS/传感技术

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描述

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，许多全新、小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，有数种关键传感器技术发挥极重要的作用，包括磁位置传感器、存在传感器、手势传感器、力矩传感器、环境传感器及电源管理传感器等。

磁位置传感器促机器人革命

在当今的消费性、服务专业、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电路（IC）。今天，几乎消费性、服务专业或社交机器人的每个关节都使用两个或更多的磁位置传感器IC。每个移动轴或关节旋转都使用至少一个磁角位置传感器。今日许多机器人采用小型却强大的无刷直流马达（BLDC）来移动机器人的关节和四肢。为了正确驱动马达，就需要马达位置回馈。

有愈来愈多的磁角位置传感器IC被用来为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许多关节，因此，非常明显地，现今新一代机器人已大量采用磁角位置传感器。

图1 具有磁位置测器的机器手臂

相较于过往被用在机器人关节中的其他位置传感器技术，今日最新的磁角位置传感器提供了许多好处。这些新型磁角位置传感器IC提供高分辨率和可重复的精确度。另外，由于它们是以CMOS硅制程制造，因此与其他位置传感器技术，例如光学编码器和旋转变压器相较时，这些新型磁角位置传感器IC需要极小的功率、重量和空间。再者，磁位置传感器IC可以在非常恶劣的环境中工作，包括极端温度、肮脏和多尘的环境。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/玩具机器人使用的传统伺服马达组件中常见的电阻电位计。拜这些既有优势所赐，磁角位置传感器被广泛用于现今的消费性、专业服务和社交机器人，现在甚至是用于工业机器人。

信息融合实现空间视觉感测

目前有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，用于提供机器人的空间视觉感测，以及物体侦测和躲避障碍等。二维和三维视觉立体相机在当今许多新型消费性和专业服务机器人中都很常见。不过，一些新型先进传感器技术，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，也日渐被用于机器人中。光达提供机器人运行空间和周围环境的高分辨率三维测绘（3D Mapping），使其能更佳地执行任务和移动（见图2）。

图2 光达测绘（Lidar Mapping）

超音波传感器也被用于存在感测。就像是用于倒车安全警报系统中一样，机器人中的超音波传感器也适用于侦测附近的障碍物，以防止机器人撞到墙壁、物体、其他机器人和人体。另外，在机器人执行其主要功能时，这些超音波传感器也能发挥作用。超音波传感器在近场导航和障碍避免中扮演重要角色，可提升机器人的整体效能和安全性。

然而，超音波传感器的感测范围有其限制，大约是1公分到数公尺的距离，以及最大约30度的锥体范围内。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，以及来自其他使用同样频率超音波传感器的机器人的干扰。不过当与其他存在传感器组合使用时，它们能提供有用和可靠的位置信息。

当所有存在传感器（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/专业服务机器人及工业机器人上看到的，这些机器人拥有杰出的空间察觉能力，且能在不伤害自己、人类及环境的情况下移动并执行更复杂的任务。

手势传感器助人机互动

有愈来愈多的手势传感器被整合至现今最复杂的机器人中，以提供用户接口指令。手势传感器技术包括机器人操作员穿戴的光学传感器和控制臂带传感器等。

使用基于光学的手势传感器，可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务。这些类型的传感器在家庭或医院中为沟通能力受限的身障者开启了许多机会，在智能工厂中也提供许多协助。

使用臂带控制传感器，佩戴者可以与协作、工业、医疗或军事机器人沟通并进行控制，使机器人能根据操作者的移动方式和手臂姿势来执行及仿真特定任务。例如，双臂各穿戴一个臂带传感器的外科医生，可以控制远程医疗机器人手臂来执行手术，而这双手臂可能远在地球的另一侧。

力矩传感器提供监测功能

力矩传感器也愈来愈多地被用在今日的下一代机器人中。力矩传感器不仅被用于机器人的末端操纵装置和夹具，而且还用于机器人的其他部分，例如躯干、手臂、腿和头部等。这些特殊的力矩传感器被用于监测肢体快速运动、侦测障碍物并向机器人的中央处理器提供安全警示。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体而出现突然及意外的外力时，其控制安全软件能使手臂停止动作并缩回其位置。

力矩传感器也能与存在传感器，以及其他安全监控传感器，例如环境传感器共同运作，为整体安全区域提供监控功能。

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，包括能侦测攸关空气质量的挥发性有机化合物（Volatile Organic Compounds， VOCs）的环境传感器、温度和湿度传感器、压力传感器，甚至是能侦测照明有无的传感器。这些传感器不仅有助于确保机器人能够持续有效且安全地运行，还能让机器人工作范围内的人员察觉到不安全的环境情况。

电源管理传感器提高效率

电源管理传感器也被整合至现今的自动机器人中，以帮助延长机器人在两次充电间的工作时间，并确保目前自动机器人中最常采用的锂离子电池在充电或放电时不会过热。电源管理传感器也用于稳压，以及机器人关节马达的电源和散热管理。所有的机载电子零件，像是微处理器、传感器和致动器等，都需要低噪声涟波电源和稳压，以确保其能高效率且正确地运作。

用于机器人电源管理的最新传感器解决方案，包括用于电池放电和充电的库仑计数、精确可靠用于稳压器的过热监控传感器，以及电池管理装置的电流传感器。

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

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