機(jī)器人將變得越來越智慧。在工廠，工業(yè)型機(jī)器人須要感測到工人的存在，以避免對工人造成傷害。此外，它們還應(yīng)該能夠檢測到異常情況，例如可能造成損壞的劇烈震動。服務(wù)型機(jī)器人，無論是守衛(wèi)倉庫或做為遠(yuǎn)程工作人員的網(wǎng)真(Telepresence)裝置，都須要進(jìn)行自主導(dǎo)航。
工業(yè)機(jī)器人感知功力大增。拜制程技術(shù)躍進(jìn)所賜，微機(jī)電感測器(MEMS)的性能已較過去大幅提升，不少工業(yè)型機(jī)器人開發(fā)商開始整合各種MEMS感測器及感測融合演算法，強(qiáng)化機(jī)器人情境感知功能，以避免運(yùn)作時(shí)對操作人員造成意外傷害。
機(jī)器人將變得越來越智慧。在工廠，工業(yè)型機(jī)器人須要感測到工人的存在，以避免對工人造成傷害。此外，它們還應(yīng)該能夠檢測到異常情況，例如可能造成損壞的劇烈震動。服務(wù)型機(jī)器人，無論是守衛(wèi)倉庫或做為遠(yuǎn)程工作人員的網(wǎng)真(Telepresence)裝置，都須要進(jìn)行自主導(dǎo)航。就像人類用天生的感官一樣，機(jī)器人也須要借助感測器技術(shù)使它們變得更智慧、使用更安全，同時(shí)增加對人類的幫助。
低功耗/小尺寸優(yōu)勢盡顯MEMS感測器小兵立大功
微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)感測器是令人驚奇的小元件，大小僅為幾平方毫米(mm)，通常包含兩個晶片。一個是MEMS感測器晶片，通常提供運(yùn)動或壓力資訊，但它也可以用做磁性固態(tài)感測器。另一個晶片提供必要的訊號處理功能，可將來自感測器微弱的類比訊號轉(zhuǎn)換為有用資訊，并通過一些串列匯流排傳遞這些資訊。
這些感測器外形小巧、成本經(jīng)濟(jì)，是機(jī)器人的理想配件。它們既小巧又實(shí)惠，通常內(nèi)嵌在智慧手機(jī)和其他消費(fèi)電子游戲應(yīng)用中進(jìn)行銷售，目前全球出貨量已達(dá)數(shù)億個。此外，它們的耗電量很低，例如，當(dāng)采用2伏特(V)或3伏特電源時(shí)，一個加速度感測器的功耗通常不到10微安培(μA);功耗通常是頻率和理想操作點(diǎn)精度之間的一個平衡點(diǎn)。低功耗方案，如低于1μA，還可以通過專用感測器來實(shí)現(xiàn)，這些感測器可做為一個運(yùn)動觸發(fā)器(MovementTrigger)或篡改探測單元(TamperDetectionUnit)來運(yùn)行。它們提供的快速喚醒和關(guān)閉機(jī)制是影響功耗的最重要的參數(shù)。節(jié)能技術(shù)將根據(jù)應(yīng)用需求以及獲取資料點(diǎn)所需的頻率而不斷變化。
對于空間受限的應(yīng)用，機(jī)器人設(shè)計(jì)人員還可以選用內(nèi)置微控制器(MCU)和記憶體的加速度感測器，透過定制軟體構(gòu)建微小的運(yùn)作系統(tǒng)。由于這些感測器通常無需其他處理器便能連接其他感測器，因此經(jīng)常被稱為感測器集線器(SensorHub)。例如，飛思卡爾(Freescale)某款解決方案即整合3毫米×3毫米三軸加速度感測器，和內(nèi)建14KB快閃記憶體和隨機(jī)存取記憶體(RAM)的32位元MCU。由于機(jī)器人的末梢或手臂部分的空間非常狹小，因此當(dāng)機(jī)器人的末梢或手臂部分須要安放感測器時(shí)，類似的解決方案就非常有用。另一個應(yīng)用是設(shè)計(jì)精致小巧的可穿戴式機(jī)器人系統(tǒng)，甚至用于內(nèi)窺鏡檢查醫(yī)療應(yīng)用的可吞咽膠囊。
這類元件上的板載記憶體和微控制器也可用來實(shí)施感測器通訊協(xié)議，如IO-Link。這個日益普及的感測器網(wǎng)路協(xié)定需要約10KB的記憶體，因此，它可以整合在這個小巧的裝置中，實(shí)現(xiàn)全新感測器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)和規(guī)格。
SensorFusion應(yīng)用助力機(jī)器人協(xié)同運(yùn)作更智慧
在感測器系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，下一步是借助所有人類應(yīng)該擁有的「感官」，來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人性能目標(biāo)。這通常被稱為感測器融合(SensorFusion)，支援感測器系統(tǒng)利用各個感測器的優(yōu)勢生成更準(zhǔn)確的資料和更好的產(chǎn)品設(shè)計(jì)。
例如，電子羅盤可指示南/北方向。雖然有人可能認(rèn)為，讀取地球磁場的磁感測器足以提供穩(wěn)定的資訊，但事實(shí)并非如此。磁感測器的輸出值將隨感測器向上或向下傾斜而發(fā)生變化，因此須要添加線性運(yùn)動感測器(加速度感測器)來感測傾斜運(yùn)動，并采用某個三角函數(shù)演算法補(bǔ)償磁感測器的讀數(shù)。一個好的電子羅盤的設(shè)計(jì)將采用這兩種感測器;而更好的系統(tǒng)將把這些感測器整合在同一個封裝中，從而產(chǎn)生更小的感測器。
又如，無法利用全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)訊號的室內(nèi)定位系統(tǒng)，系采用無線區(qū)域網(wǎng)路(Wi-Fi)基站三角測量法，在商場或機(jī)場內(nèi)定位用戶的智慧手機(jī)。該系統(tǒng)的精確度可通過添加極小的高度感測器得以增強(qiáng)。憑藉約30公分(1尺)的相對高度解析度，此感測器能夠輕松地檢測到智慧型手機(jī)在大樓內(nèi)向樓上還是樓下移動。這個簡單的資訊對于簡化或驗(yàn)證復(fù)雜的三角測量演算法非常有用。此外，看守室外設(shè)置的監(jiān)控機(jī)器人，還須要了解它是向山上還是山下運(yùn)動，這對機(jī)器人的速度和功耗都有影響，也是計(jì)算其自主持續(xù)時(shí)間須要考慮的重要資料。
采用高度計(jì)實(shí)施的另一個感測器融合功能是沖擊檢測。在倉庫地面或醫(yī)院大廳四處移動的自主機(jī)器人，其設(shè)計(jì)應(yīng)避免撞到人或物體，但如果發(fā)生碰撞，機(jī)器人必須能夠檢測到碰撞?？蓪铀俣雀袦y器進(jìn)行編程，使之根據(jù)「特定碰撞」標(biāo)記檢測震動，但這并非萬無一失。在機(jī)器人周圍添加耦合氣動帶的壓力感測器后，此系統(tǒng)擁有兩個不同的感測資訊源，可提高「碰撞事件」檢測的精度。
圖像識別是另一項(xiàng)偉大技術(shù)，可幫助自主機(jī)器人導(dǎo)航并避開障礙物。當(dāng)今的視覺系統(tǒng)可識別形狀、物體甚至人臉，因此我們會希望一個移動中的機(jī)器人能創(chuàng)建其周圍環(huán)境的即時(shí)三維(3D)地圖，以確定任何可能的障礙。
雖然只要能見度和光照條件足以使圖像感測器捕捉足夠的相關(guān)資料，照相機(jī)就能正常工作，但在室外條件下，視覺系統(tǒng)功能可能會受到雪、霧或其他天氣條件的限制。雷達(dá)感測技術(shù)雖然不基于MEMS，但仍然是適當(dāng)?shù)母袦y器融合增補(bǔ)。將視頻圖像處理資訊與距離和速度雷達(dá)資料相結(jié)合，可幫助智慧導(dǎo)航演算法計(jì)算出更精確的資料，并更好地構(gòu)建機(jī)器人周圍環(huán)境的3D地圖。
雷達(dá)系統(tǒng)主要為自動應(yīng)用而設(shè)計(jì)，也可輕松應(yīng)用于其他系統(tǒng)。它們在77GHz頻段上運(yùn)行，并提供非常精確的距離和速度資訊，從幾百米的距離到非常近的距離。傳統(tǒng)的系統(tǒng)采用分立式射頻電路和帶有旋轉(zhuǎn)天線的射頻模組，以提供3D映射資訊。
然而，借助150GHz過渡頻率(fT)的超高速電晶體的高性能矽鍺(SiGe)制程，分立式射頻功能可以整合到晶片上。這能夠?qū)崿F(xiàn)經(jīng)濟(jì)高效的多頻段射頻晶片組解決方案的設(shè)計(jì)，支援多通道接線天線，不再需要旋轉(zhuǎn)天線。高性能射頻制程、設(shè)計(jì)專業(yè)知識，再加上數(shù)位波束賦形技術(shù)和訊號處理演算法，使雷達(dá)系統(tǒng)能夠滿足高容量汽車和機(jī)器人應(yīng)用的尺寸和成本要求。
上述內(nèi)容為感測技術(shù)的實(shí)例，機(jī)器人設(shè)計(jì)人員可利用這些技術(shù)改進(jìn)他們的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。許多感測器專為要求高容量、高品質(zhì)、低成本的消費(fèi)類智慧手機(jī)或汽車應(yīng)用而設(shè)計(jì)。借助適當(dāng)?shù)母袦y器融合演算法，這些低成本感測器將可實(shí)現(xiàn)全新的機(jī)器人設(shè)計(jì)。
