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設(shè)備與工具傳感器和通信集成電路（IC）的進(jìn)步，在當(dāng)今最新一代機(jī)器人中發(fā)揮了重要作用。但是，正是小小部件，為機(jī)器人實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的動(dòng)作和執(zhí)行不同的任務(wù)發(fā)揮出重要的作用。然而，隨著大規(guī)模的生產(chǎn)，小型的和低成本的傳感技術(shù)出現(xiàn)并產(chǎn)生了融合。
我們現(xiàn)在梳理，在下一代機(jī)器人中，起主要作用的幾種關(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，力扭矩傳感器，環(huán)境傳感器和電源管理傳感器。
然而，磁性位置傳感器，卻是機(jī)器人革命中鮮為人知的英雄。
磁性角度位置傳感器集成電路（IC）是當(dāng)消費(fèi)機(jī)器人，服務(wù)機(jī)器人，社交和工業(yè)機(jī)器人中最廣泛使用的傳感器技術(shù)之一。參見圖1.0。如今，消費(fèi)機(jī)器人，服務(wù)機(jī)器人，社交和工業(yè)機(jī)器人中，幾乎每個(gè)關(guān)節(jié)都使用兩個(gè)或多個(gè)磁性角度位置傳感器IC。
對于每個(gè)運(yùn)動(dòng)軸或關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)，至少使用一個(gè)磁性角度位置傳感器。當(dāng)今許多機(jī)器人都使用小型但功能強(qiáng)大的無刷直流電動(dòng)機(jī)（BLDC）來移動(dòng)機(jī)器人的關(guān)節(jié)和四肢。為了正確驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，需要電動(dòng)機(jī)位置反饋。
圖1.0-帶有目標(biāo)定位磁鐵的磁性位置傳感器
越來越多地使用磁性角度位置傳感器IC向聯(lián)合電動(dòng)機(jī)控制器提供電動(dòng)機(jī)換向反饋。參見圖2.0。此外，還需要關(guān)節(jié)齒輪角度位置反饋來控制機(jī)器人關(guān)節(jié)的閉環(huán)電機(jī)。因此，對于機(jī)器人關(guān)節(jié)，在每個(gè)運(yùn)動(dòng)軸上都需要兩個(gè)磁性角度位置傳感器。
例如，在需要在俯仰和滾動(dòng)中都進(jìn)行軸向運(yùn)動(dòng)的機(jī)器人腳踝的情況下，總共使用四個(gè)磁性位置傳感器。通過每個(gè)關(guān)節(jié)具有這種類型的多重連接，以及對大多數(shù)機(jī)器人所需的大量關(guān)節(jié)的認(rèn)識，為什么磁性角位置傳感器在當(dāng)今最新的機(jī)器人產(chǎn)品中如此多產(chǎn)很快就變得顯而易見。
圖2.0 –帶有磁性位置傳感器的機(jī)械臂
為什么機(jī)器人要選擇磁性角度位置傳感器IC呢？
今天最新的磁性角度位置傳感器，例如ams（一家機(jī)器人公司）的AS5047P和AS5600L，具有比以前在機(jī)器人關(guān)節(jié)中采用的競爭性位置傳感器技術(shù)更多的優(yōu)勢。這些新型磁性角度位置傳感器IC具有高分辨率和可重復(fù)性。
另外，由于它們是用CMOS（互補(bǔ)對稱金屬氧化物半導(dǎo)體）硅制成的，所以與以往性位置傳感器技術(shù)（例如光學(xué)編碼器和分解器）相比，它們需要的功率，重量和空間都非常小。此外，磁性位置傳感器IC可以在非常嚴(yán)酷的環(huán)境中運(yùn)行，包括極端溫度以及骯臟多塵的環(huán)境。某些磁性位置傳感器（例如ams的整個(gè)磁性位置傳感器IC系列）甚至不受機(jī)器人工作環(huán)境中常見的雜散磁場的影響。
最后，由于它們是非接觸式的并且沒有移動(dòng)的機(jī)械部件，因此它們不會(huì)磨損，例如，不同于低成本社會(huì)/玩具機(jī)器人中使用的傳統(tǒng)伺服電機(jī)組件中常見的電阻式電位計(jì)。正是由于所有這些固有的優(yōu)勢，磁性角度位置傳感器才在當(dāng)今的消費(fèi)者，專業(yè)服務(wù)和社交機(jī)器人，甚至現(xiàn)在的工業(yè)機(jī)器人中得到普遍使用。
存在傳感器
當(dāng)今的機(jī)器人中已經(jīng)集成了多種臨場傳感器技術(shù)，并且它們的信息也被融合在一起，以提供機(jī)器人空間視覺傳感以及物體檢測和躲避。2D和3D立體視覺攝像頭普遍出現(xiàn)在當(dāng)今的許多新型消費(fèi)者和專業(yè)服務(wù)機(jī)器人中。
但是，包括激光檢測和測距（LIDAR）傳感器在內(nèi)的飛行時(shí)間傳感器等新的先進(jìn)傳感器技術(shù)也越來越多地部署在機(jī)器人中。LIDAR提供了機(jī)器人正在操作的空間和周圍環(huán)境的高分辨率3D映射，以便它可以更好地執(zhí)行任務(wù)并向內(nèi)移動(dòng)。請參見圖3.0。
圖3.0-激光雷達(dá)映射
類似地，超聲傳感器被用于存在感測。與后備汽車中用于安全警報(bào)系統(tǒng)的同類產(chǎn)品一樣，機(jī)器人中的超聲波傳感器用于檢測附近的障礙物并防止它們撞到墻壁，物體，其他機(jī)器人和人類中。
此外，他們可以在執(zhí)行主要功能任務(wù)的機(jī)器人中扮演角色。因此，超聲波傳感器在近場導(dǎo)航和避障方面發(fā)揮著重要作用，最終提供了整體上改善的機(jī)器人性能和安全性。
但是，超聲波傳感器的范圍有限，從大約一厘米到幾米不等，并且最大方向錐大約為30°。它們的成本相對較低，并且在近距離范圍內(nèi)具有良好的精度，但是其精度會(huì)隨著范圍和測量角度的增加而下降。
它們還容易受到溫度和壓力變化的影響，并且容易受到其他近距離機(jī)器人的干擾，這些機(jī)器人使用調(diào)諧到相同頻率的超聲波傳感器。但是，當(dāng)與其他存在傳感器結(jié)合使用時(shí)，它們可以提供有用且可靠的位置信息。
當(dāng)所有這些存在傳感器（2D / 3D攝像機(jī)，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)者/專業(yè)服務(wù)機(jī)器人和工業(yè)機(jī)器人中所看到的那樣，這些機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)空間感知，并在不傷害自己，人員或周圍環(huán)境的情況下移動(dòng)并執(zhí)行更復(fù)雜的任務(wù)。
人機(jī)交互中使用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，以幫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)器人操作員佩戴的控制臂帶傳感器。
使用基于光學(xué)的手勢傳感器，可以訓(xùn)練機(jī)器人識別特定的手部動(dòng)作并基于特定的手勢或手部動(dòng)作執(zhí)行某些任務(wù)。這些類型的手勢傳感器在家庭或醫(yī)院為殘疾人和有限的通信能力以及智能工廠提供了許多機(jī)會(huì)。
使用臂帶控制傳感器，佩戴者可以根據(jù)操作員如何移動(dòng)和打手勢自己的手臂來通信和控制協(xié)作，工業(yè)，醫(yī)療或軍事機(jī)器人，以執(zhí)行和/或模仿某些任務(wù)。例如，外科醫(yī)生在每條手臂上都戴上臂章傳感器，可以控制一對遠(yuǎn)程醫(yī)療機(jī)器人手臂進(jìn)行手術(shù)，可能遠(yuǎn)至地球的另一側(cè)。
存在傳感器和運(yùn)動(dòng)傳感器之間有什么區(qū)別？
不僅系統(tǒng)集成商，而且房屋的業(yè)主也常常想知道–存在、移動(dòng)和占用探測器的區(qū)別是什么？不幸的是，這些術(shù)語經(jīng)常以不正確的方式使用，我們需要弄明白運(yùn)動(dòng)”和“存在”傳感器之間的主要區(qū)別。
兩個(gè)傳感器均來自同一系列的設(shè)備。但是，由于（或應(yīng)歸功于）技術(shù)的發(fā)展，兩種傳感器都開始以單獨(dú)的方式進(jìn)行開發(fā)，創(chuàng)建了兩種創(chuàng)建電報(bào)并在總線上發(fā)送電報(bào)的新方式。因此，了解差異最重要：
運(yùn)動(dòng)傳感器：檢測步行運(yùn)動(dòng)
運(yùn)動(dòng)檢測器感知選定檢測區(qū)域中的步行運(yùn)動(dòng)并做出相應(yīng)響應(yīng)：一旦環(huán)境光水平降至預(yù)選的閾值以下，則在檢測到運(yùn)動(dòng)時(shí)，燈將被打開。在設(shè)定的時(shí)間后，燈會(huì)再次關(guān)閉。
運(yùn)動(dòng)傳感器的推薦用途包括檢測室外或繁忙的室內(nèi)區(qū)域（如走廊或走廊）中的移動(dòng)物體。
由于靈敏度較低，因此價(jià)格較低，因此與其他檢測器相比，運(yùn)動(dòng)傳感器的使用頻率更高，因此在新的和現(xiàn)有的安裝中更容易找到運(yùn)動(dòng)傳感器。
存在傳感器：檢測最小的運(yùn)動(dòng)
與將檢測手臂運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)傳感器相比，存在傳感器將檢測手指的運(yùn)動(dòng)。它們采用極高的分辨率，精度和傳感器技術(shù)，可以響應(yīng)微小的運(yùn)動(dòng)。
在久坐的區(qū)域，例如辦公室和教室，尤其需要高保真度，在這些區(qū)域中，長時(shí)間不發(fā)生大的運(yùn)動(dòng)，但是仍然需要照明。另外，存在傳感器有可能克服更長的距離，這意味著它們可以輕松地放置在較高的天花板上，例如在體育館和倉庫中，并且仍然能夠檢測到地面上的運(yùn)動(dòng)。由于它們檢測到最小的運(yùn)動(dòng)，因此存在傳感器也稱為占用傳感器。
運(yùn)動(dòng)傳感器和存在傳感器
兩種傳感器都有一個(gè)非常重要的共同點(diǎn)：能源效率
根據(jù)您的需要和要求，借助此信息，現(xiàn)在可以更輕松地在運(yùn)動(dòng)傳感器和存在傳感器之間進(jìn)行選擇。但是，完全不受您的選擇影響的是，這兩種傳感器都可以為照明以及其他應(yīng)用實(shí)現(xiàn)更高的能源效率。
由于不必通過人為交互來進(jìn)行切換，因此僅在房間被占用時(shí)或在進(jìn)行移動(dòng)時(shí)才打開燈。不必?fù)?dān)心遺忘的燈光，能源將自動(dòng)更有效地利用。
力扭矩傳感器
力扭矩傳感器也越來越多地用于當(dāng)今的下一代機(jī)器人中。力扭矩傳感器不僅用于機(jī)器人的末端執(zhí)行器和抓爪，而且現(xiàn)在還用于機(jī)器人的其他部分，例如，軀干，手臂，腿部和頭部。這些特殊的力扭矩傳感器用于監(jiān)視肢體速度運(yùn)動(dòng)，檢測障礙物并向機(jī)器人的中央處理器提供安全警報(bào)。
例如，當(dāng)機(jī)器人手臂中的力扭矩傳感器檢測到由于手臂撞擊物體而產(chǎn)生的突然而意外的力時(shí)，其控制安全軟件可能會(huì)導(dǎo)致手臂停止運(yùn)動(dòng)并縮回其位置。
力扭矩傳感器還與存在傳感器以及其他安全監(jiān)視傳感器（例如環(huán)境傳感器）配合使用，以提供總體安全區(qū)域監(jiān)視功能。
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?？梢詸z測有關(guān)空氣質(zhì)量的VOC（揮發(fā)性有機(jī)化合物）的環(huán)境傳感器，溫度和濕度傳感器，壓力傳感器，甚至可以檢測照明的傳感器。這些傳感器不僅有助于確保機(jī)器人可以繼續(xù)有效且安全地運(yùn)行，而且還可以使機(jī)器人本地人員意識到不安全的環(huán)境狀況。
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)機(jī)器人中，以幫助延長機(jī)器人在兩次充電之間的工作時(shí)間，并確保鋰離子電池（當(dāng)今自動(dòng)機(jī)器人中最常見的電池）在使用時(shí)不會(huì)過熱充電或耗盡。參見圖4.0。
電源管理傳感器還用于電壓調(diào)節(jié)以及機(jī)器人關(guān)節(jié)電機(jī)的電源和熱管理領(lǐng)域。所有機(jī)載機(jī)器人電子設(shè)備，例如微處理器，傳感器和執(zhí)行器，都需要低噪聲紋波電源和調(diào)節(jié)器，以確保它們高效且正確地工作。
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)數(shù)，用于電壓調(diào)節(jié)器的精確可靠的過熱監(jiān)控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-在自動(dòng)機(jī)器人中至關(guān)重要
由于所有這些新傳感器技術(shù)的集成和融合，當(dāng)今的最新機(jī)器人可以更加獨(dú)立和安全地運(yùn)行。此外，由于在計(jì)算能力，軟件和人工智能方面的顯著改進(jìn)，并且與這些新的傳感器技術(shù)協(xié)同工作，這種下一代機(jī)器人可以更輕松地適應(yīng)各種應(yīng)用需求。
而且，他們可以比前任更準(zhǔn)確，更快地執(zhí)行任務(wù)。最后，他們可以在更廣泛的家庭，企業(yè)和制造環(huán)境中與人類進(jìn)行更獨(dú)立，協(xié)作和安全的操作和工作。
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