【導(dǎo)讀】本文以傳感技術(shù)為實(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)。許多傳感器專為要求高容量、高質(zhì)量、低成本的消費(fèi)類智能手機(jī)或汽車應(yīng)用而設(shè)計(jì)。借助適當(dāng)?shù)膫鞲衅魅诤纤惴ǎ@些低成本傳感器可讓機(jī)器人越來越智能。
在工廠，工業(yè)機(jī)器人需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)機(jī)器人，無論是守衛(wèi)倉庫或作為遠(yuǎn)程工作人員的網(wǎng)真裝置，都需要進(jìn)行自主導(dǎo)航。就像我們用天生的感官一樣，機(jī)器人也需要借助傳感器技術(shù)使它們變得更智能、使用更安全，同時(shí)增加對人類的用途。
圖：MEMS傳感器
MEMS傳感器是令人驚奇的小器件，大小僅為幾平方毫米，通常包含兩個芯片。一個是傳感器芯片，通常來說MEMS器件提供運(yùn)動或壓力信息，但它也可以用作磁性固態(tài)傳感器。另一個芯片提供必要的信號處理功能，可將來自傳感器的微弱的模擬信號轉(zhuǎn)換為有用信息，并通過一些串行總線傳遞這些信息。
這些傳感器外形小巧、價(jià)格實(shí)惠，是機(jī)器人的理想配件。它們既小巧又實(shí)惠，通常內(nèi)嵌在智能手機(jī)和其它消費(fèi)電子游戲應(yīng)用中進(jìn)行銷售，目前已售出了數(shù)億個。此外，它們的耗電量很低。例如，當(dāng)采用2V或3V電源時(shí)，一個加速度傳感器的功耗通常不到10μA；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，還可以通過專用傳感器來實(shí)現(xiàn)，這些傳感器可作為一個運(yùn)動觸發(fā)器或篡改探測單元來運(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)用需求獲取數(shù)據(jù)點(diǎn)所需的頻率而不斷變化。
對于空間受限應(yīng)用，機(jī)器人設(shè)計(jì)人員還可以選用內(nèi)置了微控制器和內(nèi)存的加速度傳感器，通過定制軟件構(gòu)建微小的系統(tǒng)。由于這些傳感器通常無需其它處理器便能連接其它傳感器，因此經(jīng)常被稱為傳感器集線器。例如，飛思卡爾XtrinsicMMA9550L提供3x3-mm三軸加速度傳感器和帶有14KB閃存和1.5KBRAM的32位微控制器。當(dāng)機(jī)器人的末梢或手臂部分需要安放傳感器時(shí)，飛思卡爾XtrinsicMMA9550L和其它類似器件就非常有用，因?yàn)闄C(jī)器人的末梢或手臂部分的空間非常狹小。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)用的可吞咽機(jī)器人膠囊。
這類器件上的板載內(nèi)存和微控制器也可用來實(shí)施傳感器通信協(xié)議，如IO-Link。這個日益普及的傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議需要約10KB的內(nèi)存，因此，它可以集成在這個小巧的裝置中，實(shí)現(xiàn)全新傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)和規(guī)格。
協(xié)同作用
在傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，下一步是借助您能夠并且應(yīng)該擁有的所有“感官”，來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人性能目標(biāo)。這通常被稱為傳感器融合，支持傳感器系統(tǒng)利用各個傳感器的優(yōu)勢生成更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)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，讀取地球磁場的磁傳感器足以提供穩(wěn)定的信息，但事實(shí)并非如此。磁傳感器的輸出值將隨傳感器向上或向下傾斜而發(fā)生變化，因此需要添加線性運(yùn)動傳感器（加速度傳感器）來感測傾斜運(yùn)動，并采用某個三角函數(shù)算法補(bǔ)償磁傳感器的讀數(shù)。一個好的電子羅盤的設(shè)計(jì)將采用這兩種傳感器。而更好的系統(tǒng)將把這些傳感器集成在同一個封裝中，從而產(chǎn)生更小的傳感器。例如，飛思卡爾XtrinsicFXOS8700CQ在3x3x1.2-mm的封裝中集成了帶有傾斜補(bǔ)償?shù)牡卮艌鰷y量，提供了一種簡單的方法將x/y方向集成到任何機(jī)器人系統(tǒng)中。
又如：無法利用GPS信號的室內(nèi)定位系統(tǒng)采用WiFi基站三角測量法，在商場或機(jī)場內(nèi)定位用戶的智能手機(jī)。該系統(tǒng)的精度可通過添加極小的高度傳感器（如飛思卡爾XtrinsicMPL3115）得以增強(qiáng)。憑借約30厘米（1英尺）的相對高度分辨率，此傳感器能夠輕松地檢測到手機(jī)在大樓內(nèi)向樓上還是樓下移動。這個簡單的信息對于簡化或驗(yàn)證復(fù)雜的三角測量算法非常有用。看守室外設(shè)施的監(jiān)控機(jī)器人還需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)間需要考慮的重要數(shù)據(jù)。
采用高度計(jì)實(shí)施的另一個傳感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)器人的設(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。可對加速度傳感器進(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)器人周圍添加了耦合了氣動帶的壓力傳感器后，此系統(tǒng)擁有兩個不同的傳感信息源，可提高“碰撞事件”檢測的精度。
更加融合
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。一種移動中的機(jī)器人希望創(chuàng)建其周圍環(huán)境的實(shí)時(shí)3D地圖，以確定任何可能的障礙。
只要能見度和光照條件足以使圖像傳感器捕捉足夠的相關(guān)數(shù)據(jù)，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、霧或其它天氣條件的限制。雷達(dá)傳感技術(shù)雖然不基于MEMS，但仍然是適當(dāng)?shù)膫鞲衅魅诤显鲅a(bǔ)。將視頻圖像處理信息與距離和速度雷達(dá)數(shù)據(jù)相結(jié)合，可幫助智能導(dǎo)航算法計(jì)算出更精確的數(shù)據(jù)，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)用于其它系統(tǒng)。它們在77-GHz頻段上運(yùn)行，并提供非常精確的距離和速度信息，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)天線的射頻模塊，以提供3D映像信息。
然而，借助150GHz過渡頻率（fT）的超高速晶體管的高性能硅鍺（SiGe）工藝，分立式射頻功能可以整合到芯片上。這能夠?qū)崿F(xiàn)經(jīng)濟(jì)高效的多頻段射頻芯片組解決方案的設(shè)計(jì)，支持多信道接線天線，不再需要旋轉(zhuǎn)天線。高性能射頻工藝、設(shè)計(jì)專業(yè)知識，再加上數(shù)字波束賦形技術(shù)和信號處理算法，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。
