新型传感器技术应用于现代机器人

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摘要
新一代机器人的核心是许多新的、小型化和低成本的传感技术的出现与融合，介绍了其中比较至关重要的几项关键传感器技术，包括磁性位置传感器、存在传感器、手势传感器、力矩传感器、环境传感器和电源管理传感器。以及这些技术在机器人中的应用。

控制和通信IC的发展在实现下一代的机器人中起到重要作用。然而，这些复杂的现代机器人的核心是许多新的、小型化和低成本的传感技术的出现与融合。对实现下一代机器人至关重要的几项关键传感器技术包括磁性位置传感器、存在传感器、手势传感器、力矩传感器、环境传感器和电源管理传感器。

磁性位置传感器   机器人革命中的幕后英雄

在当今消费、专业服务、社交，甚至是工业机器人中最为普遍的传感器技术之一是磁性角度位置传感器集成电路(IC)，参见图1。当前，消费、专业服务或社交机器人的每个关节几乎都用到2个或更多的磁性角度位置传感器IC。每个运动轴或关节旋转需要使用至少1个磁性角度位置传感器。当今的许多机器人都采用小而强大的无刷直流电机(BLDC)来移动机器人的关节和四肢。为了正确驱动电机，需要知道电机的当前位置。

图1 采用圆盘形磁体的磁性位置传感器

磁性角度位置传感器 IC 越来越广泛地用来为移动关节的电机控制器提供电机换向反馈，参见图2。此外，机器人关节的闭环电机控制也需要关节齿轮的角度位置反馈。因此在机器人关节的每个运动轴上需要2个磁性角度位置传感器。例如，当机器人的脚踝需要同时进行前后和转动2个轴方向的运动时，总共需要使用4个磁性位置传感器。由于每个关节的这种成倍需求，以及大多数机器人中所需要的关节数大大增加，磁性角度位置传感器为何如此大量地用于当今最新推出的机器人中就显而易见了。

图2 带有磁性位置传感器的机器人手臂

但是为什么选择磁性角度位置传感器IC?

与之前用于机器人关节中的竞争性的位置传感器技术相比，当今最新的磁性角度位置传感器(如艾迈斯半导体的AS5047P和 AS5600L)具备多项优势。新型磁性位置传感器 IC 提供高分辨率和重复精度。此外，由于制造采用了 CMOS 硅技术，与竞争性位置传感器技术(如光电编码器和旋转变压器)相比，它们所需的功率、重量和体积都非常小。磁性位置传感器 IC 可以在非常恶劣的环境中工作，包括极端温度和肮脏多尘的环境。有些磁性位置传感器(如艾迈斯半导体的全系列磁性位置传感器IC)甚至可以免受机器人工作环境中常见的杂散场干扰。最后，与低成本社交/玩具机器人的传统伺服电机组件中常见的电阻电位计不同的是，磁性位置传感器是非接触式的，没有运动的机械部件，所以不会磨损。正是由于所有这些内在优势，磁性角度位置传感器在当今的消费、专业服务和社交机器人，现在甚至在工业机器人中都被广泛采用。


存在传感器

现在，多项存在传感器技术正被集成到当今的机器人中，它们的数据会融合在一起，用于为机器人提供空间视觉感知以及物体检测和避让。2D和3D视觉立体摄像头在当今的新型消费和专业服务机器人中都很常见。然而，新型的先进传感器技术，如包括基于飞行时间的光检测和测距(LIDAR)传感器，也越来越多地部署到机器人当中。LIDAR为机器人提供其工作空间及周围环境的高分辨率3D测绘，以便它可以更好地执行任务并四处移动，参见图3。

图3 LIDAR 测绘

同样，超声波传感器也正被用于存在感测。与用于汽车倒车时的安全报警系统传感器相同，机器人中的超声波传感器用于检测附近的障碍物，以防撞到墙壁、物体、其他机器人和人。另外，它们可以在机器人执行主要功能任务时发挥作用。因此，超声波传感器在近场导航和避障中起着重要作用，最终提高了机器人的整体性能和安全性。

但是，超声波传感器的作用距离有限，大约为一厘米到几米，而最大角度锥体约为30°。它们的成本相对较低，并在近距离范围内具有较高的精度，但随着距离和测量角度的增加，其精度会下降。它们也易受温度和压力变化的影响，还会受到使用调谐在相同频率的其他机器人的超声波传感器的干扰。尽管如此，当与其他存在传感器结合使用时，它们还是可以提供实用可靠的位置信息。

当所有这些存在传感器(2D/3D摄像头、LIDAR和超声波)数据融合在一起时，正如我们现在开始在高端消费/专业服务机器人和工业机器人中所看到的，这些机器人能够出色地实现对周围环境空间感知，移动并执行更复杂的任务，而且不会令自己、人或其周围环境受到损害。


用于人机交互的手势传感器

手势传感器也越来越多地集成到当今一些最复杂的机器人中，用来辅助提供用户界面命令。手势传感器技术包括光学传感器和机器人操作员佩戴的臂带式控制传感器。

利用光电手势传感器，可以训练机器人识别特定的手部动作，并按照特定的手势或手部动作来执行某些任务。这些手势传感器为家中或医院里的残疾人和沟通障碍人士，以及智能工厂提供了很多便利。

佩戴了臂带式控制传感器的操作员可以与协作式工业、医疗或军事机器人沟通，并控制机器人，使其按照操作员的手臂运动方式和手势来执行和/或模仿某些任务。例如，双臂均佩戴臂带式传感器的外科医生可以控制远程医疗机器人的双臂进行手术，而它也许远在地球的另一端。

力矩传感器

力矩传感器也越来越多地用于下一代机器人中。力矩传感器不仅用于机器人的末端执行器和夹持器，而且还用于机器人的其他部位，例如躯干、臂部、腿部和头部。这些特殊的力矩传感器用来监测肢体的快速运动、检测障碍物并为机器人的中央处理器提供安全报警。例如，当机器人手臂中的力矩传感器检测到由于手臂撞击到物体而引起的突发和意外的力时，其控制安全软件可以使手臂停止运动并缩回其位置。

力矩传感器也与存在传感器以及其他安全监测传感器(如环境传感器)共同协作，以提供总体安全区域监测功能。


环境传感器

各种环境传感器也正在进入工业和消费机器人领域。环境传感器包括检测与空气质量有关的 VOC(挥发性有机化合物)传感器、温度和湿度传感器、压力传感器，甚至可检测光照存在的传感器。这些传感器不仅能帮助确保机器人一直安全有效地工作，还能让机器人周边的人们察觉到不安全的环境条件。


电源管理传感器

电源管理传感器也集成到当今的自动化机器人中，用来帮助延长机器人的工作时间，并确保锂电池(当今自动化机器人中最常见的电池)充电或耗电时不会过热。参见图4。电源管理传感器还用于机器人关节电机的稳压与功率和热管理。所有板载机器人器件(如微处理器、传感器和执行器)都需要低纹波电源和稳压，以确保它们高效、正确地工作。

图4 电源管理——对自动化机器人至关重要

用于机器人电源管理的最新传感器解决方案包括用于电池放电和充电的库仑计算的传感器、用于稳压器的精准可靠的过温监测传感器，以及电池管理设备中的电流传感器。

得益于所有这些新型创新的传感器技术的集成和融合，当今最新的机器人可以更独立和安全地运行。此外，由于计算能力、软件功能和人工智能的大幅提高，并配合上这些新型传感器技术，下一代机器人可以更轻松地用于支持各种各样的应用。而且，它们可以比原先的机器人更精准、更快速地执行任务。最后，它们可以在更广泛的家庭、商业和制造环境中更独立、更协作和更安全地运行与工作。

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jackc9

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