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)。參見圖1.0。當(dāng)前，消費(fèi)、專業(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)大的無刷直流電機(jī) (BLDC) 來移動機(jī)器人的關(guān)節(jié)和四肢。為了正確驅(qū)動電機(jī)，需要知道電機(jī)的當(dāng)前位置。

圖1.0——采用圓盤形磁體的磁性位置傳感器

磁性角度位置傳感器 IC 越來越廣泛地用來為移動關(guān)節(jié)的電機(jī)控制器提供電機(jī)換向反饋。參見圖 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)動兩個(gè)軸方向的運(yùn)動時(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)中的競爭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。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)，與競爭性位置傳感器技術(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)境中常見的雜散場干擾。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，沒有運(yùn)動的機(jī)械部件，所以不會磨損。正是由于所有這些內(nèi)在優(yōu)勢，磁性角度位置傳感器在當(dāng)今的消費(fèi)、專業(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)會融合在一起，用于為機(jī)器人提供空間視覺感知以及物體檢測和避讓。2D和3D視覺立體攝像頭在當(dāng)今的新型消費(fèi)和專業(yè)服務(wù)機(jī)器人中都很常見。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圍環(huán)境的高分辨率3D測繪，以便它可以更好地執(zhí)行任務(wù)并四處移動。參見圖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。與用于汽車倒車時(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，但隨著距離和測量角度的增加，其精度會下降。它們也易受溫度和壓力變化的影響，還會受到使用調(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)在開始在高端消費(fèi)/專業(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)對周圍環(huán)境空間感知，移動并執(zhí)行更復(fù)雜的任務(wù)，而且不會令自己、人或其周圍環(huán)境受到損害。

用于人機(jī)交互的手勢傳感器

手勢傳感器也越來越多地集成到當(dāng)今一些最復(fù)雜的機(jī)器人中，用來輔助提供用戶界面命令。手勢傳感器技術(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。

利用光電手勢傳感器，可以訓(xùn)練機(jī)器人識別特定的手部動作，并按照特定的手勢或手部動作來執(zhí)行某些任務(wù)。這些手勢傳感器為家中或醫(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)動方式和手勢來執(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監(jiān)測肢體的快速運(yùn)動、檢測障礙物并為機(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)今的自動化機(jī)器人中，用來幫助延長機(jī)器人的工作時(shí)間，并確保鋰電池（當(dāng)今自動化機(jī)器人中最常見的電池）充電或耗電時(shí)不會過熱。參見圖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侖計(jì)算的傳感器、用于穩(wěn)壓器的精準(zhǔn)可靠的過溫監(jiān)測傳感器，以及電池管理設(shè)備中的電流傳感器。

圖4.0電源管理——對自動化機(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