傳感器在自主機(jī)器人中的作用

本文探討傳感器在工業(yè)機(jī)器人中的作用，以及它們?nèi)绾螏椭占头治鰯?shù)據(jù)以實(shí)現(xiàn)智能決策；并且重點(diǎn)介紹與傳感器相關(guān)的一些準(zhǔn)確性、功耗和成本挑戰(zhàn)。
多年來，機(jī)器人一直是科幻小說的主題。從早期無聲電影的開創(chuàng)性電影到美國作家艾薩克·阿西莫夫（Isaac Asimov）的思考機(jī)器人，機(jī)器人一直被描繪成人類形式的機(jī)器。這些虛構(gòu)的機(jī)器人擁有遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過我們自己的智慧，考慮到它們最初是在微電子、半導(dǎo)體甚至晶體管時(shí)代之前被想象出來的，這是一個(gè)了不起的想法。
制造業(yè)是最早了解機(jī)器人在現(xiàn)實(shí)世界中的用途的行業(yè)之一。然而，當(dāng)機(jī)器人最終開始進(jìn)入我們的生活時(shí)，它們與我們想象中的完全不同。它們不僅缺乏虛構(gòu)機(jī)器人的復(fù)雜性，而且看起來也不像人類。第一代機(jī)器人不具備智能，但旨在快速準(zhǔn)確地執(zhí)行有限的功能。通過使用機(jī)器來執(zhí)行困難和重復(fù)的任務(wù)，制造商可以提高工廠效率并提高產(chǎn)品質(zhì)量，對于這些任務(wù)，人形既不需要也沒有優(yōu)勢。
本文探討傳感器在工業(yè)機(jī)器人中的作用，以及它們?nèi)绾螏椭占头治鰯?shù)據(jù)以實(shí)現(xiàn)智能決策，并且重點(diǎn)介紹與傳感器相關(guān)的一些準(zhǔn)確性、功耗和成本挑戰(zhàn)。

自主機(jī)器人
自第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器問世以來，機(jī)器人領(lǐng)域不斷發(fā)展?？缍鄠€(gè)領(lǐng)域的一系列技術(shù)同時(shí)成熟，創(chuàng)造出稱為「自主移動(dòng)機(jī)器人（AMR）」的新一代設(shè)備，這些AMR的核心是現(xiàn)代微電子的處理能力。盡管如此，如果沒有其他技術(shù)領(lǐng)域的進(jìn)步，從無線連接到電池和馬達(dá)，它們就一無是處。
AMR沒有自我意識，也沒有使用真正的人工智能（AI）；但是，它們旨在了解周圍的環(huán)境。通過傳感器和其他來源收集這些信息，它們會(huì)做出反應(yīng)并調(diào)整行動(dòng)以完成所分配的任務(wù)；從在繁忙的工廠車間導(dǎo)航到處理敏感貨物，這些機(jī)器人可以通過采用機(jī)器學(xué)習(xí)的AI形式自主行動(dòng)。
正如科幻小說中想象的機(jī)器人新用途一樣，最新一代的AMR已在現(xiàn)實(shí)世界中廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)。人們對于將機(jī)器人部署到科學(xué)研究、救災(zāi)和太空等危險(xiǎn)環(huán)境中，加以執(zhí)行人類工作人員無法嘗試的危險(xiǎn)任務(wù)非常感興趣。盡管自主機(jī)器人在廣泛的應(yīng)用中具有潛力，但AMR已經(jīng)對工業(yè)市場產(chǎn)生了相當(dāng)大的影響。

智能工廠及其他領(lǐng)域的機(jī)器人
AMR使熄燈或黑暗工廠成為可能—也就是說，工廠對人類活動(dòng)的需求非常小，以至于設(shè)施可以在黑暗中運(yùn)行。在這些黑暗工廠中，AMR是生產(chǎn)線不可或缺的一部分，用于在工廠周圍運(yùn)送原物料。AMR的獨(dú)立性使它們能夠透過計(jì)算復(fù)雜和動(dòng)態(tài)環(huán)境中的最佳路線來因應(yīng)最新要求。生產(chǎn)計(jì)劃的變化會(huì)自動(dòng)傳達(dá)給交付機(jī)器人車隊(duì)，確保正確的零件在正確的時(shí)間出現(xiàn)在正確的位置。
除了工廠之外，快遞業(yè)巨頭的發(fā)展也引起了人們的極大興趣。許多人將AMR視為在運(yùn)輸過程的最后階段進(jìn)行交付的理想解決方案，在該階段將包裹交付到客戶家門口。在此應(yīng)用程序中，AMR將在街道的人行道上行駛以到達(dá)目的地。設(shè)計(jì)師面臨的挑戰(zhàn)是創(chuàng)造能夠?qū)Τ鞘械貐^(qū)不可預(yù)知的交通做出安全反應(yīng)的機(jī)器人。
自主機(jī)器人甚至可以升空。無人駕駛飛行器（unmanned aerial vehicle；UAV），通常被稱為無人機(jī)，已經(jīng)出現(xiàn)了一段時(shí)間，但通常需要遠(yuǎn)程控制。然而最新一代的自主無人機(jī)正在各種應(yīng)用中提供「空中之眼」，它們能夠長時(shí)間在高空停留、有條不紊地搜索大片區(qū)域以及識別異常的能力，使得這些機(jī)器非常有效；例如許多精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)在運(yùn)作時(shí)采用自主無人機(jī)從上方監(jiān)測作物狀況，這些無人機(jī)配備紅外線和其他專業(yè)視覺系統(tǒng)，可以識別關(guān)注區(qū)域，甚至無需人工干預(yù)即可施用化肥或殺蟲劑。


圖1 : 許多精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)在運(yùn)作時(shí)采用自主無人機(jī)從上方監(jiān)測作物狀況，由于配備紅外線和其他專業(yè)視覺系統(tǒng)，可以識別關(guān)注區(qū)域。（source：LAPPconnect）

傳感器數(shù)組
在所有這些應(yīng)用中，機(jī)器人與環(huán)境的互動(dòng)對其成功至關(guān)重要；傳感器不僅僅是自主機(jī)器人的眼睛和耳朵，還發(fā)揮著多種關(guān)鍵作用。

本體感受器
在AMR可以在其環(huán)境中導(dǎo)航之前，它必須能夠檢測到自己的狀況。這些本體感受傳感器，包括陀螺儀傳感器、傾斜傳感器、加速度計(jì)和溫度計(jì)，使得機(jī)器人能夠監(jiān)測其姿態(tài)、運(yùn)動(dòng)和溫度。這些通常與壓力和重量傳感器結(jié)合使用，這些傳感器對于涉及物流的機(jī)器人尤其重要（例如確保貨物裝載不會(huì)造成不安全的條件）。
這些AMR中的大多數(shù)使用電池組作為其馬達(dá)的電源，目前選擇的技術(shù)是鋰離子（Li-ion）電池。鋰離子電池的能量容量和充電特性意味著它們在眾多產(chǎn)業(yè)中得到廣泛使用，但存在著安全問題。如果鋰離子電池?fù)p壞或充電不正確，結(jié)果可能會(huì)導(dǎo)致稱為「熱失控」的極其危險(xiǎn)的事件。準(zhǔn)確的溫度感應(yīng)對于電池管理系統(tǒng)至關(guān)重要，電池管理系統(tǒng)監(jiān)控這些電源組的狀況，進(jìn)而防止熱失控風(fēng)險(xiǎn)。
這些傳感器在機(jī)器人的維護(hù)中也發(fā)揮著有趣的作用。長期監(jiān)控機(jī)器人性能及其組件的能力可以提供對其狀況的寶貴見解，例如溫度的穩(wěn)定上升可能會(huì)提醒用戶馬達(dá)已磨損，而操作過程中傾斜角度的變化可能是由底盤損壞所引起的。收集和分析這些數(shù)據(jù)使?fàn)I運(yùn)商能夠進(jìn)行預(yù)先計(jì)劃的維護(hù)，最大限度地減少停機(jī)時(shí)間并保持全面服務(wù)。

被動(dòng)和主動(dòng)傳感器
在檢測機(jī)器人必須在其中移動(dòng)或運(yùn)行的環(huán)境時(shí)，設(shè)計(jì)人員可以選擇主動(dòng)或被動(dòng)傳感器。被動(dòng)式傳感器檢測環(huán)境本身產(chǎn)生的能量，這包括電磁能的所有變化，包括可見光和紅外輻射，以及聲音或大氣壓力等物理?xiàng)l件，被動(dòng)傳感器收集這些信息，機(jī)器人將使用這些信息建構(gòu)周圍環(huán)境的模型。


 
圖2 : 在檢測機(jī)器人必須在其中移動(dòng)或運(yùn)行的環(huán)境時(shí)，設(shè)計(jì)人員可以選擇主動(dòng)或被動(dòng)傳感器。（source：Rave Robot）

AMR的被動(dòng)傳感器選項(xiàng)，包括防止機(jī)器人進(jìn)入不安全區(qū)域的溫度和壓力傳感器，以及視覺系統(tǒng)—通常是使用可見光或紅外線從外部環(huán)境擷取信息的攝影鏡頭組合。當(dāng)由最新的嵌入式計(jì)算機(jī)處理時(shí)，可以建立非常準(zhǔn)確的環(huán)境視覺模型，使得機(jī)器人能夠安全地繞過障礙物和危險(xiǎn)。
主動(dòng)式傳感器通過產(chǎn)生能量然后釋放到環(huán)境中來工作，傳感器收集有關(guān)這種能量如何與其周圍環(huán)境相互作用的信息。主動(dòng)式傳感器最常見的應(yīng)用是雷達(dá)，其中發(fā)射射頻（RF）輻射脈沖，并測量其反射，脈沖行進(jìn)到目標(biāo)并返回所花費(fèi)的時(shí)間提供對距離的準(zhǔn)確量測。
AMR使用一系列主動(dòng)式傳感器來進(jìn)一步增強(qiáng)其周圍環(huán)境的模型。光探測和測距（激光雷達(dá)）或雷射提供了雷達(dá)的替代方案，其中射頻傳輸被光取代以檢測物體。盡管基于光的傳感器可能會(huì)受到灰塵或霧氣等大氣條件的影響，但它們提供的分辨率高于雷達(dá)。

理解世界
無論采用哪種傳感器技術(shù)，機(jī)器人都將使用一種稱為同時(shí)定位和映射或SLAM 的方法。SLAM是一種自動(dòng)機(jī)器人和車輛用來構(gòu)建區(qū)域地圖，并同時(shí)定位其在其中位置的技術(shù)；SLAM技術(shù)利用一系列傳感器生成的信息，為機(jī)器人提供執(zhí)行路徑規(guī)劃和避障等任務(wù)所需的信息。
更為關(guān)鍵的是傳感器在公共安全中的作用。隨著AMR成為在街道和工廠中常見的景象，它們將承擔(dān)越來越重要的任務(wù)，這些任務(wù)必須在無人監(jiān)督的情況下執(zhí)行。在公共場所或其他可能與人互動(dòng)的區(qū)域部署機(jī)器人時(shí)，主動(dòng)和被動(dòng)傳感器都將發(fā)揮關(guān)鍵作用。

結(jié)論
傳感器不僅僅是讓機(jī)器人感知和理解周圍環(huán)境的眼睛和耳朵。雖然AMR沒有自我意識，但它們旨在響應(yīng)周圍的環(huán)境、調(diào)整自己的行為，并且完成分配的任務(wù)。
無論設(shè)計(jì)師是要?jiǎng)?chuàng)造在30分鐘內(nèi)送出披薩的機(jī)器人，還是最復(fù)雜的搜救機(jī)器，AMR中內(nèi)建的傳感器數(shù)組都將使它們能夠充分發(fā)揮潛力。它們對機(jī)器人的成功至關(guān)重要，因?yàn)樗鼈儼l(fā)揮著關(guān)鍵作用，例如檢測自身狀況、監(jiān)控電池健康狀況和維護(hù)。

 本文由貿(mào)澤電子（Mouser Electronics）提供