用于工業(yè)自主移動(dòng)機(jī)器人的完整解決方案

結(jié)合機(jī)器人感知和人工智能

創(chuàng)造新時(shí)代

賦予機(jī)器人對(duì)于環(huán)境的感知與移動(dòng)能力，使得機(jī)器人能夠更安全、更具機(jī)動(dòng)性，若再結(jié)合人工智能（Artificial Intelligence, AI）技術(shù)，將能使機(jī)器人更聰明、更具實(shí)用性，使得機(jī)器人的未來(lái)發(fā)展極具想象空間。本文將為您探討機(jī)器人感知與AI技術(shù)的發(fā)展，以及眾多廠商所推出的相關(guān)解決方案。

通過(guò)傳感器使機(jī)器人能夠感知世界

機(jī)器人感知技術(shù)使機(jī)器人能夠“看到”、“聽(tīng)到”這個(gè)世界，通過(guò)AI技術(shù)，則可使機(jī)器人對(duì)于所感知的環(huán)境，做出相對(duì)應(yīng)的舉動(dòng)，機(jī)器人感知對(duì)于機(jī)器人在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中做出決策、計(jì)劃和操作至關(guān)重要，其中的相關(guān)應(yīng)用都會(huì)涉及到感官數(shù)據(jù)和人工智能／機(jī)器學(xué)習(xí)（AI/ML）技術(shù)。此類(lèi)應(yīng)用的示例包括障礙物檢測(cè)、對(duì)象檢測(cè)與識(shí)別、3D環(huán)境表示、手勢(shì)和語(yǔ)音識(shí)別、場(chǎng)景理解、道路檢測(cè)、車(chē)輛檢測(cè)、行人檢測(cè)、目標(biāo)跟蹤、人體檢測(cè)、環(huán)境變化檢測(cè)、活動(dòng)識(shí)別、語(yǔ)義位置分類(lèi)、對(duì)象建模等。

如今，大多數(shù)機(jī)器人感知系統(tǒng)都使用機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）技術(shù)，從經(jīng)典方法到深度學(xué)習(xí)方法。無(wú)論考慮哪種ML方法，來(lái)自傳感器的數(shù)據(jù)都是機(jī)器人感知的關(guān)鍵要素。數(shù)據(jù)可以來(lái)自單個(gè)或多個(gè)傳感器，通常安裝在機(jī)器人上，但也可以來(lái)自基礎(chǔ)設(shè)施或另一個(gè)機(jī)器人（例如，安裝在附近飛行的無(wú)人機(jī)上的攝像頭）。

為了對(duì)移動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行安全和全面的導(dǎo)航控制，需要部署多套傳感器技術(shù)，包括視覺(jué)（ToF）、雷達(dá)無(wú)線鏈路、慣性測(cè)量單元（IMU）形式的完整定位、陀螺儀及其所有相關(guān)應(yīng)用程序、軟件和固件。

機(jī)器人的傳感器提供的信息可用于推斷有關(guān)世界、機(jī)器人，以及機(jī)器人在世界中位置的信息。傳感器可以提供簡(jiǎn)單的信息（例如，吸塵機(jī)器人上的簡(jiǎn)單碰撞傳感器）或豐富、高度復(fù)雜的數(shù)據(jù)（例如，RGB-D相機(jī)，它提供彩色圖像，以及每個(gè)像素的深度估計(jì)）。在理想情況下，傳感過(guò)程可以使用物理定律（例如，光如何從物體表面反射）或有時(shí)使用簡(jiǎn)單的幾何學(xué)（例如，立體視覺(jué)依賴于使用簡(jiǎn)單的三角測(cè)量來(lái)確定到物體的距離）來(lái)建模。

提供機(jī)器人開(kāi)發(fā)的完整解決方案

機(jī)器人的感知功能主要應(yīng)用于定位和導(dǎo)航，由于環(huán)境不同，所使用的傳感器也不同。像是在室內(nèi)的場(chǎng)景下，大多數(shù)室內(nèi)用機(jī)器人面對(duì)的地面大多是規(guī)則且平坦的，但是對(duì)于戶外用機(jī)器人來(lái)說(shuō)，地形往往很不規(guī)則，此外，戶外用機(jī)器人也必須應(yīng)對(duì)天氣條件，以及光強(qiáng)和光譜的變化。因此，所需使用的傳感器也將有所不同。

要讓機(jī)器人能夠“看到”東西，便不得不提3D飛行時(shí)間（ToF）技術(shù)。3D ToF是一種無(wú)掃描儀LIDAR（光檢測(cè)和測(cè)距）技術(shù)，通過(guò)發(fā)射納秒級(jí)的高功率光脈沖來(lái)捕獲相關(guān)場(chǎng)景的深度信息（通常是短距離內(nèi)）。

ADI公司在3D ToF技術(shù)上已經(jīng)投入多年，可提供直接實(shí)現(xiàn)和提升先進(jìn)ToF系統(tǒng)和攝像頭功能的行業(yè)領(lǐng)先產(chǎn)品和解決方案，包括高分辨率CMOS成像芯片（100萬(wàn)像素）、深度計(jì)算和處理、激光驅(qū)動(dòng)器、電源管理，以及開(kāi)發(fā)工具和軟件／固件，幫助快速實(shí)現(xiàn)ToF解決方案。

ADI的3D ToF產(chǎn)品相當(dāng)完整，包括ADSD3100這款1 MP CMOS，支持ToF的背光傳感器；ADDI9036則是帶可編程時(shí)序和V驅(qū)動(dòng)器的CCD TOF信號(hào)處理器。此外，ADI還提供3D ToF開(kāi)發(fā)平臺(tái)，這款模塊化的ToF解決方案基于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的96Boards平臺(tái)構(gòu)建而成，可測(cè)量對(duì)象的X、Y、Z軸數(shù)據(jù)。ADI公司的原型制作3D ToF平臺(tái)可用于軟件和算法開(kāi)發(fā)，利用該平臺(tái)進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)，可加快工業(yè)、汽車(chē)領(lǐng)域的產(chǎn)品設(shè)計(jì)評(píng)估和實(shí)施。

ADI還推出AD-FXTOF1-EBZ這款3D ToF開(kāi)發(fā)套件，這是一種景深測(cè)量解決方案，非常適合開(kāi)發(fā)3D計(jì)算機(jī)視覺(jué)系統(tǒng)。它使用VGA CCD，支持以每秒30幀捕獲640x480景深映射場(chǎng)景，進(jìn)而提供比市場(chǎng)上許多其他TOF系統(tǒng)高4倍的分辨率。ADI另一款A(yù)D-3DSMARTCAM1-PRZ則是一種具有AI邊緣處理能力的2D和3D機(jī)器視覺(jué)解決方案，它可以用于實(shí)現(xiàn)不同工業(yè)細(xì)分市場(chǎng)中的先進(jìn)機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用，包括物流、機(jī)器人、農(nóng)業(yè)和人員活動(dòng)監(jiān)控。

協(xié)作機(jī)器人與人共存并協(xié)同工作

以往在工廠中的機(jī)器人都是獨(dú)立運(yùn)作，工人必須與機(jī)器人保持安全距離，以免發(fā)生碰撞造成傷害。不過(guò)，通過(guò)機(jī)器人感知與AI技術(shù)快速發(fā)展，機(jī)器人變得越來(lái)越聰明，智能機(jī)器和系統(tǒng)已經(jīng)能夠自主地運(yùn)作，包括以前依賴人力的工作領(lǐng)域。不過(guò)，即使在機(jī)器人技術(shù)高度發(fā)達(dá)的今天，裝配和檢查過(guò)程中仍然需要依靠人力進(jìn)行工作，因此需要使用協(xié)作機(jī)器人，來(lái)與人共存并協(xié)同工作。

Murata針對(duì)機(jī)器人設(shè)計(jì)領(lǐng)域擁有多樣化的產(chǎn)品線，包括各式各樣的傳感器，像是陀螺儀、加速度計(jì)、振動(dòng)傳感器、溫度傳感器、壓電薄膜傳感器，可以提供滿足機(jī)器人設(shè)計(jì)所需的各種零部件。

以Murata的振動(dòng)傳感器為例，可用于機(jī)器設(shè)備的預(yù)測(cè)性維護(hù)，利用陶瓷傳感器特有的寬檢測(cè)頻帶的特性，可以檢測(cè)旋轉(zhuǎn)設(shè)備振動(dòng)的微小差異。監(jiān)測(cè)振動(dòng)數(shù)據(jù)的這些變化，可以及早檢測(cè)設(shè)備異常情況以進(jìn)行預(yù)測(cè)性維護(hù)。振動(dòng)傳感器支持寬頻率范圍和Z方向傳感，帶驅(qū)動(dòng)電路，支持差分輸出以降低噪聲，支持溫度傳感，尺寸僅有5.0 x 5.0 x t3.5 mm，在結(jié)構(gòu)上具有7個(gè)端子，采用SMD封裝，集成加速度傳感器與熱敏電阻。

Murata的UWB（超寬帶）連接模塊也可應(yīng)用于機(jī)器人產(chǎn)品，采用UWB技術(shù)可適用于安全和精確的距離測(cè)量，適用于室內(nèi)位置跟蹤和訪問(wèn)控制等應(yīng)用。目前有Type 2BP與Type 2AB兩種型號(hào)。

Type 2BP采用NXP Trimension SR150芯片組，支持UWB 5、9頻道，具有SPI接口與支持3個(gè)天線（3D AoA或2D AoA支持），具有嵌入?yún)⒖?a href="http://wenjunhu.com/tags/時(shí)鐘/" target="_blank">時(shí)鐘和睡眠時(shí)鐘，以及集成BPF（帶通濾波器）可用于監(jiān)管認(rèn)證，采用樹(shù)脂外模結(jié)合保形屏蔽封裝，符合RoHS標(biāo)準(zhǔn)。

Type 2AB采用Quorvo DW3110/3120芯片組，帶有集成Nordic IC（nRF52840）的無(wú)主機(jī)模塊，也具有BLE功能，用于喚醒UWB并更新固件，支持USB、UART、SPI、I2C接口，集成3軸傳感器以節(jié)省電池電量，使用CR2032電池，具有嵌入式參考時(shí)鐘，采用樹(shù)脂外模封裝，符合RoHS標(biāo)準(zhǔn)。

用于工業(yè)自主移動(dòng)機(jī)器人的

完整解決方案

傳統(tǒng)的工業(yè)用機(jī)器人大多只能固定在特定的位置上工作，但隨著機(jī)器人智能感知與AI技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人開(kāi)始擁有自主移動(dòng)的能力，這也使得機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域從以往的工業(yè)領(lǐng)域，朝向商用、家用領(lǐng)域發(fā)展。

機(jī)器人行業(yè)是一個(gè)迅速崛起的行業(yè)，具有巨大的優(yōu)勢(shì)，但也存在許多潛在的陷阱，必須加以規(guī)避，才能成功駕馭這個(gè)瞬息萬(wàn)變且基本上未開(kāi)發(fā)的領(lǐng)域。其中需要采用的電子零部件相當(dāng)多樣，Rohm也針對(duì)機(jī)器人應(yīng)用推出多種相關(guān)的解決方案。

像是LiDAR和SLAM技術(shù)可使主移動(dòng)機(jī)器人（AMR）和無(wú)人機(jī)能夠有效地在動(dòng)態(tài)工業(yè)環(huán)境中導(dǎo)航。因此正確選擇高功率激光二極管，對(duì)于LiDAR/SLAM系統(tǒng)的精確性能至關(guān)重要。

Rohm用于AMR和機(jī)器人技術(shù)的高功率激光二極管解決方案符合現(xiàn)代LiDAR/SLAM的規(guī)范和限制。這些解決方案包括RLD90QZW5 905 nm、25 W不可見(jiàn)脈沖激光二極管，發(fā)射寬度為70 μm（等效LD的發(fā)射寬度為200 μm）。

在電源應(yīng)用中，Rohm不斷創(chuàng)新并領(lǐng)先于競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手發(fā)布突破性產(chǎn)品和解決方案，從開(kāi)創(chuàng)性的SiC功率模塊和分立器件，到下一代GaN和專(zhuān)有的高效功率技術(shù)。

此外，Rohm還有多種可應(yīng)用于機(jī)器人領(lǐng)域的特色產(chǎn)品，包括KX13x加速度計(jì)。Rohm的KX132-1211和KX134-1211三軸加速度計(jì)，是一款三軸16位加速器，可支持高達(dá)±16g (KX132)/±64g (KX134)，并集成了一個(gè)用戶可配置的3級(jí)ADP（高級(jí)數(shù)據(jù)路徑），它由一個(gè)低通濾波器、低通／高通濾波器和RMS計(jì)算引擎。其他特性包括2x2x0.9mm LGA 12引腳封裝、寬溫度范圍（-40℃至+105℃）、0.5μA待機(jī)電流和0.53-239μA工作電流。

Rohm的光學(xué)傳感器產(chǎn)品陣容相當(dāng)豐富，包括高靈敏度、高可靠性光電晶體管、紅外發(fā)光二極管和透射／反射型光遮斷器。另外還有環(huán)境光傳感器和接近傳感器RPR-0521RS，以及傳輸型光電遮斷器、反射型光電傳感器、紅外發(fā)光二極管、光電晶體管、環(huán)境光傳感器IC。

除了標(biāo)準(zhǔn)類(lèi)型的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器之外，Rohm還提供特定于應(yīng)用的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，這些驅(qū)動(dòng)器在一系列電壓、電流、引腳配置和封裝類(lèi)型上，具有出色的可靠性和效率，還包括保護(hù)電路以進(jìn)一步提高可靠性和性能。

機(jī)器人技術(shù)支持工業(yè)自動(dòng)化快速發(fā)展

工業(yè)自動(dòng)化需要仰賴傳感器、遠(yuǎn)程控制與機(jī)器人技術(shù)，結(jié)合AI與物聯(lián)網(wǎng)（IoT）技術(shù)將是工業(yè)自動(dòng)化的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)力，可以在互聯(lián)工廠中持續(xù)監(jiān)控和改進(jìn)效率和生產(chǎn)力。工業(yè)4.0期待工廠能夠大量生產(chǎn)更加個(gè)性化和差異化的產(chǎn)品，并能夠快速改變生產(chǎn)流程，而聯(lián)機(jī)能力是實(shí)現(xiàn)這一個(gè)目標(biāo)不可或缺的一部分，其中的關(guān)鍵應(yīng)用要求包括網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)、工業(yè)級(jí)安全標(biāo)準(zhǔn)、增強(qiáng)范圍、高性能數(shù)據(jù)處理、低功耗藍(lán)牙、Thread和Zigbee等通信協(xié)議。

在工業(yè)4.0應(yīng)用中，傳感器是獲取系統(tǒng)信息的重要關(guān)鍵，對(duì)系統(tǒng)和流程了解的信息越多，這些系統(tǒng)和流程的運(yùn)行效率就越高，從而也就越有競(jìng)爭(zhēng)力。今天的微型、經(jīng)濟(jì)高效的無(wú)線傳感器正在幫助制造商適應(yīng)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的新時(shí)代。這些采用傳感器的系統(tǒng)都有助于做出明智的及時(shí)決策，從而優(yōu)化整個(gè)制造供應(yīng)鏈，使用藍(lán)牙和其他網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的傳感器由于尺寸小和功率需求低，可以安裝在任何地方。

此外，使用世界上最流行的藍(lán)牙無(wú)線技術(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確定位，是當(dāng)前的新技術(shù)。藍(lán)牙測(cè)向是基于到達(dá)角（AoA）和離開(kāi)角（AoD）這兩個(gè)關(guān)鍵概念，利用了天線在接收（AoA）或發(fā)射（AoD）射頻信號(hào)時(shí)發(fā)生的角度相移，通過(guò)在通信鏈路任一側(cè)使用天線陣列，可以確定相移數(shù)據(jù)，并據(jù)此計(jì)算位置。Nordic的nRF5340、nRF52833、nRF52820、nRF52811 SoC是支持藍(lán)牙測(cè)向的理想方案。

滿足自主移動(dòng)機(jī)器人需求的解決方案

機(jī)器視覺(jué)是讓機(jī)器看得見(jiàn)的關(guān)鍵解決方案，其解決方案便是圖像傳感器。安森美（onsemi）擁有從VGA到45 MP的大多數(shù)圖像傳感器產(chǎn)品，可為機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用提供合適的傳感器。

以AR0234CS圖像傳感器為例，這是一款1/2.6英寸、2Mp CMOS數(shù)字圖像傳感器，具有1920 (H) x 1200 (V)的有源像素陣列。它采用了全新的創(chuàng)新全局快門(mén)像素設(shè)計(jì)，針對(duì)以每秒120幀的全分辨率，可準(zhǔn)確快速地捕捉移動(dòng)場(chǎng)景進(jìn)行優(yōu)化，該傳感器在低光和明亮場(chǎng)景中都能產(chǎn)生清晰、低噪聲的圖像。

AMR是一種移動(dòng)機(jī)器人，可以在結(jié)構(gòu)化或非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中自主移動(dòng)，無(wú)需持續(xù)的人工指導(dǎo)或干預(yù)。他們配備了傳感器和機(jī)載計(jì)算機(jī)，使他們能夠感知周?chē)h(huán)境并根據(jù)這些信息做出決定。AMR可以執(zhí)行廣泛的任務(wù)，例如物流、庫(kù)存管理、質(zhì)量控制，或參與醫(yī)療應(yīng)用。

AMR可以自主執(zhí)行質(zhì)量控制檢查，減少人工干預(yù)的需要。他們可以使用攝像頭、激光雷達(dá)和超聲波傳感器等傳感器來(lái)檢測(cè)產(chǎn)品中的缺陷或異常。安森美提供一系列成像傳感器、模擬前端（AFE）IC和電源管理IC，可使AMR捕捉高質(zhì)量圖像并執(zhí)行精確測(cè)量。

AMR也可以配備傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)環(huán)境條件，例如溫度、濕度和空氣質(zhì)量。他們可以自主收集這些數(shù)據(jù)并將其傳輸?shù)街醒霐?shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行分析。安森美提供一系列傳感器，例如溫度傳感器、濕度傳感器和氣體傳感器，可使AMR準(zhǔn)確可靠地監(jiān)測(cè)環(huán)境條件。

AMR也越來(lái)越多地用于醫(yī)療保健行業(yè)的各種任務(wù)，例如運(yùn)送醫(yī)療用品、運(yùn)送患者和協(xié)助手術(shù)。這些機(jī)器人依賴于各種傳感器、執(zhí)行器和其他電子零部件才能正常運(yùn)行，安森美是AMR行業(yè)此類(lèi)零部件的領(lǐng)先供應(yīng)商之一。

結(jié)語(yǔ)

機(jī)器人的智能感知能力，能夠使機(jī)器人進(jìn)行安全的移動(dòng)和進(jìn)行全面的導(dǎo)航控制，其中需要部署多套傳感器技術(shù)，并結(jié)合AI算法與其所有相關(guān)應(yīng)用、軟件和固件，才能使機(jī)器人實(shí)現(xiàn)真正的智能，并能夠與人類(lèi)協(xié)同工作。本文所介紹的各家廠商的機(jī)器人應(yīng)用解決方案，限于篇幅僅能做簡(jiǎn)單介紹，若想進(jìn)一步了解這些產(chǎn)品的特色，請(qǐng)與艾睿電子聯(lián)絡(luò)，以取得更詳細(xì)的信息。

審核編輯：湯梓紅