對于下一代機(jī)器人的發(fā)展而言，控制和通訊IC扮演重要的角色。然而，許多全新、小型和低成本感測技術(shù)的出現(xiàn)及融合，才是這些現(xiàn)代及復(fù)雜機(jī)器人的心臟。

要實(shí)現(xiàn)下一代機(jī)器人，有數(shù)種關(guān)鍵傳感器技術(shù)發(fā)揮極重要的作用，包括磁位置傳感器、存在傳感器、手勢傳感器、力矩傳感器、環(huán)境傳感器及電源管理傳感器等。

磁位置傳感器促機(jī)器人革命

在當(dāng)今的消費(fèi)性、服務(wù)專業(yè)、社交，甚至工業(yè)機(jī)器人中最常見的傳感器技術(shù)之一，就是磁位置傳感器集成電路(IC)。 今天，幾乎消費(fèi)性、服務(wù)專業(yè)或社交機(jī)器人的每個關(guān)節(jié)都使用兩個或更多的磁位置傳感器IC。 每個移動軸或關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)都使用至少一個磁角位置傳感器。 今日許多機(jī)器人采用小型卻強(qiáng)大的無刷直流馬達(dá)(BLDC)來移動機(jī)器人的關(guān)節(jié)和四肢。 為了正確驅(qū)動馬達(dá)，就需要馬達(dá)位置回饋。

有愈來愈多的磁角位置傳感器IC被用來為關(guān)節(jié)馬達(dá)控制器提供馬達(dá)換向回饋(見圖1)。 此外，機(jī)器人關(guān)節(jié)的封閉回路馬達(dá)控制也需要齒輪角度位置回饋。 因此，機(jī)器人關(guān)節(jié)的每個運(yùn)動軸都需要兩個磁角位置傳感器。 例如，若機(jī)器人腳踝須以俯仰和滾動方式進(jìn)行軸向運(yùn)動，則總共須使用四個磁位置傳感器。 由于每一個關(guān)節(jié)都需要這種倍數(shù)的傳感器，且大部份機(jī)器人都有許多關(guān)節(jié)，因此，非常明顯地，現(xiàn)今新一代機(jī)器人已大量采用磁角位置傳感器。

圖1 具有磁位置測器的機(jī)器手臂

相較于過往被用在機(jī)器人關(guān)節(jié)中的其他位置傳感器技術(shù)，今日最新的磁角位置傳感器提供了許多好處。 這些新型磁角位置傳感器IC提供高分辨率和可重復(fù)的精確度。 另外，由于它們是以CMOS硅制程制造，因此與其他位置傳感器技術(shù)，例如光學(xué)編碼器和旋轉(zhuǎn)變壓器相較時，這些新型磁角位置傳感器IC需要極小的功率、重量和空間。 再者，磁位置傳感器IC可以在非常惡劣的環(huán)境中工作，包括極端溫度、骯臟和多塵的環(huán)境。 一些磁位置傳感器，甚至不受在機(jī)器人工作環(huán)境中常見磁雜散場的影響。 最后，由于它們是非接觸式，并且沒有移動的機(jī)械零件，因此不會磨損，不同于低成本社交/玩具機(jī)器人使用的傳統(tǒng)伺服馬達(dá)組件中常見的電阻電位計。 拜這些既有優(yōu)勢所賜，磁角位置傳感器被廣泛用于現(xiàn)今的消費(fèi)性、專業(yè)服務(wù)和社交機(jī)器人，現(xiàn)在甚至是用于工業(yè)機(jī)器人。

信息融合實(shí)現(xiàn)空間視覺感測

目前有數(shù)種存在傳感器技術(shù)正被整合至當(dāng)今的機(jī)器人中，且它們的信息被融合在一起，用于提供機(jī)器人的空間視覺感測，以及物體偵測和躲避障礙等。 二維和三維視覺立體相機(jī)在當(dāng)今許多新型消費(fèi)性和專業(yè)服務(wù)機(jī)器人中都很常見。 不過，一些新型先進(jìn)傳感器技術(shù)，例如包括光檢測和測距光達(dá)(Lidar)傳感器在內(nèi)的飛時測距(Time of Flight)傳感器等，也日漸被用于機(jī)器人中。 光達(dá)提供機(jī)器人運(yùn)行空間和周圍環(huán)境的高分辨率三維測繪(3D Mapping)，使其能更佳地執(zhí)行任務(wù)和移動(見圖2)。

圖2 光達(dá)測繪(Lidar Mapping)

超音波傳感器也被用于存在感測。 就像是用于倒車安全警報系統(tǒng)中一樣，機(jī)器人中的超音波傳感器也適用于偵測附近的障礙物，以防止機(jī)器人撞到墻壁、物體、其他機(jī)器人和人體。 另外，在機(jī)器人執(zhí)行其主要功能時，這些超音波傳感器也能發(fā)揮作用。 超音波傳感器在近場導(dǎo)航和障礙避免中扮演重要角色，可提升機(jī)器人的整體效能和安全性。

然而，超音波傳感器的感測范圍有其限制，大約是1公分到數(shù)公尺的距離，以及最大約30度的錐體范圍內(nèi)。 它們的成本相對較低，且在近距離范圍內(nèi)的精度較高，但是隨著測距范圍和測量角度的增加，精度會隨之下降。 它們也容易受到溫度和壓力變化的影響，以及來自其他使用同樣頻率超音波傳感器的機(jī)器人的干擾。 不過當(dāng)與其他存在傳感器組合使用時，它們能提供有用和可靠的位置信息。

當(dāng)所有存在傳感器(2D/3D相機(jī)、光達(dá)和超音波)的數(shù)據(jù)融合在一起之后，正如我們開始在高階消費(fèi)性/專業(yè)服務(wù)機(jī)器人及工業(yè)機(jī)器人上看到的，這些機(jī)器人擁有杰出的空間察覺能力，且能在不傷害自己、 人類及環(huán)境的情況下移動并執(zhí)行更復(fù)雜的任務(wù)。

手勢傳感器助人機(jī)互動

有愈來愈多的手勢傳感器被整合至現(xiàn)今最復(fù)雜的機(jī)器人中，以提供用戶接口指令。 手勢傳感器技術(shù)包括機(jī)器人操作員穿戴的光學(xué)傳感器和控制臂帶傳感器等。

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運(yùn)動，并且執(zhí)行基于特定手勢或手部動作的特定任務(wù)。 這些類型的傳感器在家庭或醫(yī)院中為溝通能力受限的身障者開啟了許多機(jī)會，在智能工廠中也提供許多協(xié)助。

使用臂帶控制傳感器，佩戴者可以與協(xié)作、工業(yè)、醫(yī)療或軍事機(jī)器人溝通并進(jìn)行控制，使機(jī)器人能根據(jù)操作者的移動方式和手臂姿勢來執(zhí)行及仿真特定任務(wù)。 例如，雙臂各穿戴一個臂帶傳感器的外科醫(yī)生，可以控制遠(yuǎn)程醫(yī)療機(jī)器人手臂來執(zhí)行手術(shù)，而這雙手臂可能遠(yuǎn)在地球的另一側(cè)。

力矩傳感器提供監(jiān)測功能

力矩傳感器也愈來愈多地被用在今日的下一代機(jī)器人中。 力矩傳感器不僅被用于機(jī)器人的末端操縱裝置和夾具，而且還用于機(jī)器人的其他部分，例如軀干、手臂、腿和頭部等。 這些特殊的力矩傳感器被用于監(jiān)測肢體快速運(yùn)動、偵測障礙物并向機(jī)器人的中央處理器提供安全警示。 例如，當(dāng)機(jī)器手臂中的力矩傳感器感測到機(jī)器手臂因碰撞到物體而出現(xiàn)突然及意外的外力時，其控制安全軟件能使手臂停止動作并縮回其位置。

力矩傳感器也能與存在傳感器，以及其他安全監(jiān)控傳感器，例如環(huán)境傳感器共同運(yùn)作，為整體安全區(qū)域提供監(jiān)控功能。

環(huán)境傳感器護(hù)工作安全

各種環(huán)境傳感器也正在找尋它們進(jìn)入工業(yè)和消費(fèi)性機(jī)器人的方式，包括能偵測攸關(guān)空氣質(zhì)量的揮發(fā)性有機(jī)化合物(Volatile Organic Compounds, VOCs)的環(huán)境傳感器、溫度和濕度傳感器、壓力傳感器， 甚至是能偵測照明有無的傳感器。 這些傳感器不僅有助于確保機(jī)器人能夠持續(xù)有效且安全地運(yùn)行，還能讓機(jī)器人工作范圍內(nèi)的人員察覺到不安全的環(huán)境情況。

電源管理傳感器提高效率

電源管理傳感器也被整合至現(xiàn)今的自動機(jī)器人中，以幫助延長機(jī)器人在兩次充電間的工作時間，并確保目前自動機(jī)器人中最常采用的鋰離子電池在充電或放電時不會過熱。 電源管理傳感器也用于穩(wěn)壓，以及機(jī)器人關(guān)節(jié)馬達(dá)的電源和散熱管理。 所有的機(jī)載電子零件，像是微處理器、傳感器和致動器等，都需要低噪聲漣波電源和穩(wěn)壓，以確保其能高效率且正確地運(yùn)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數(shù)、精確可靠用于穩(wěn)壓器的過熱監(jiān)控傳感器，以及電池管理裝置的電流傳感器。

拜這些創(chuàng)新傳感器技術(shù)的整合和融合所賜，今日最新的機(jī)器人可以更獨(dú)立及安全地運(yùn)作。 此外，運(yùn)算能力、軟件和人工智能的大幅進(jìn)展，以及與這些新型傳感器技術(shù)的搭配，使得下一代機(jī)器人可以更容易地被用來支持各種應(yīng)用。 再者，比起前一代機(jī)器人，它們可以更精確、更迅速地完成任務(wù)。 最后，它們可以在更多樣的家庭、商業(yè)和制造環(huán)境中更獨(dú)立地工作，且更安全地與人類協(xié)作。

(本文作者為奧地利微電子資深產(chǎn)品營銷經(jīng)理)