機(jī)器人身上的11類MEMS和傳感器

　　隨著機(jī)器人熱不斷升溫，人們也加大了對(duì)智能機(jī)器人的研究與追求。智能機(jī)器人主要有交互機(jī)器人、傳感機(jī)器人和自主機(jī)器人3種。它們之所以被認(rèn)為具有智能，是因?yàn)樗鼈兡軐?duì)自身內(nèi)部以及周邊環(huán)境進(jìn)行感受并做出反應(yīng)。其中，對(duì)內(nèi)部、外部環(huán)境的信息感受是通過形形色色的傳感器來實(shí)現(xiàn)的。現(xiàn)在，從擬人功能出發(fā)的視覺、力覺、觸覺已進(jìn)入實(shí)用階段，機(jī)器人聽覺也有較大進(jìn)展，傳感器的智能化程度決定了機(jī)器人的智能化程度。

　　那么讓我們一起來看看有哪些傳感器吧！

　　傳感器分類

　　內(nèi)傳感器

　　機(jī)器介機(jī)電一體化的產(chǎn)品，內(nèi)傳感器和電機(jī)、軸等機(jī)械部件或機(jī)械結(jié)構(gòu)如手臂（Arm）、手腕（Wrist）等安裝在一起，完成位置、速度、力度的測量，實(shí)現(xiàn)伺服控制。

　　位置（位移）傳感器

　　直線移動(dòng)傳感器有電位計(jì)式傳感器和可調(diào)變壓器兩種。角位移傳感器有電位計(jì)式、可調(diào)變壓器（旋轉(zhuǎn)變壓器）及光電編碼器三種，其中光電編碼器有增量式編 碼器和絕對(duì)式編碼器。增量式編碼器一般用于零位不確定的位置伺服控制，絕對(duì)式編碼器能夠得到對(duì)應(yīng)于編碼器初始鎖定位置的驅(qū)動(dòng)軸瞬時(shí)角度值，當(dāng)設(shè)備受到壓力 時(shí)，只要讀出每個(gè)關(guān)節(jié)編碼器的讀數(shù)，就能夠?qū)λ欧刂频慕o定值進(jìn)行調(diào)整，以防止機(jī)器人啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生過劇烈的運(yùn)動(dòng)。機(jī)器人傳感器分類

　　速度和加速度傳感器

　　速度傳感器有測量平移和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)速度兩種，但大多數(shù)情況下，只限于測量旋轉(zhuǎn)速度。利用位移的導(dǎo)數(shù)，特別是光電方法讓光照射旋轉(zhuǎn)圓盤，檢測出旋轉(zhuǎn)頻率 和脈沖數(shù)目，以求出旋轉(zhuǎn)角度， 及利用圓盤制成有縫隙，通過二個(gè)光電二極管辨別出角速度，即轉(zhuǎn)速，這就是光電脈沖式轉(zhuǎn)速傳感器。此外還有測速發(fā)電機(jī)用于測速等。

　　應(yīng)變儀即伸縮測量儀，也是一種應(yīng)力傳感器，用于加速度測量。加速度傳感器用于測量工業(yè)機(jī)器人的動(dòng)態(tài)控制信號(hào)。一般有由速度測量進(jìn)行推演、已知質(zhì)量物體加速度所產(chǎn)生動(dòng)力，即應(yīng)用應(yīng)變儀測量此力進(jìn)行推演，還有就是下面所說的方法：

　　與被測加速度有關(guān)的力可由一個(gè)已知質(zhì)量產(chǎn)生。這種力可以為電磁力或電動(dòng)力，最終簡化為對(duì)電流的測量，這就是伺服返回傳感器，實(shí)際又能有多種振動(dòng)式加速度傳感器。

　　力覺傳感器

　　力覺傳感器用于測量兩物體之間作用力的三個(gè)分量和力矩的三個(gè)分量。機(jī)器人中理想的傳感器是粘接在依從部件的半導(dǎo)體應(yīng)力計(jì)。具體有金屬電阻型力覺傳感器、半導(dǎo)體型力覺傳感器、其它磁性壓力式和利用弦振動(dòng)原理制作的力覺傳感器。

　　還有轉(zhuǎn)矩傳感器（如用光電傳感器測量轉(zhuǎn)矩）、腕力傳感器（如國際斯坦福研究所的由6個(gè)小型差動(dòng)變壓器組成，能測量作用于腕部X、Y和Z三個(gè)方向的動(dòng)力及各軸動(dòng)轉(zhuǎn)矩）等。

　　由于機(jī)器人發(fā)展歷史較長，近年來普遍采用以交流永磁電動(dòng)機(jī)為主的交流伺服系統(tǒng)，對(duì)應(yīng)位置、速度等傳感器大量應(yīng)用的是：各種類型的光電編碼器、磁編碼器和旋轉(zhuǎn)變壓器。

　　外傳感器

　　以往一般工業(yè)機(jī)器人是沒有外部感覺能力的，而新一代機(jī)器人如多關(guān)節(jié)機(jī)器人，特別是移動(dòng)機(jī)器人、智能機(jī)器人則要求具有校正能力和反應(yīng)環(huán)境變化的能力，外傳感器就是實(shí)現(xiàn)這些能力的。

　　觸覺傳感器

　　微型開關(guān)是接觸傳感器最常用型式，另有隔離式雙態(tài)接觸傳感器（即雙穩(wěn)態(tài)開關(guān)半導(dǎo)體電路）、單模擬量傳感器、矩陣傳感器（壓電元件的矩陣傳感器、人工皮膚——變電導(dǎo)聚合物、光反射觸覺傳感器等）。

　　應(yīng)力傳感器

　　如多關(guān)節(jié)機(jī)器人進(jìn)行動(dòng)作時(shí)需要知道實(shí)際存在的接觸、接觸點(diǎn)的位置（定位）、接觸的特性即估計(jì)受到的力（表征）這三個(gè)條件，所以用上節(jié)已指出的應(yīng)變 儀，結(jié)合具體應(yīng)力檢測的基本假設(shè)，如求出工作臺(tái)面與物體間的作用力，具體有對(duì)環(huán)境裝設(shè)傳感器、對(duì)機(jī)器人腕部裝設(shè)測試儀器用傳動(dòng)裝置作為傳感器等方法。

　　接近度傳感器

　　由于機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度提高及對(duì)物體裝卸可能引起損壞等原因需要知道物體在機(jī)器人工作場地內(nèi)存在位置的先驗(yàn)信息以及適當(dāng)?shù)能壽E規(guī)劃，所以有必要應(yīng)用測量接近度的遙感方法。接近傳感器分為無源傳感器和有源傳感器，所以除自然信號(hào)源外，還可能需要人工信號(hào)的發(fā)送器和接收器。

　　超聲波接近度傳感器用于檢測物體的存在和測量距離。它不能用于測量小于30~50cm的距離，而測距范圍較大，它可用在移動(dòng)機(jī)器人上，也可用于大型機(jī)器人的夾手上。還可做成超聲導(dǎo)航系統(tǒng)。

　　紅外線接近度傳感器，其體積很小，只有幾立方厘米大，因此可以安裝在機(jī)器人夾手上。

　　聲覺傳感器

　　用于感受和解釋在氣體（非接觸感受）、液體或固體（接觸感受）中的聲波。聲波傳感器復(fù)雜程度可以從簡單的聲波存在檢測到復(fù)雜的聲波頻率分析， 直到對(duì)連續(xù)自然語言中單獨(dú)語音和詞匯的辨別。

　　接觸式或非接觸式溫度傳感器

　　近年在機(jī)器人中應(yīng)用較廣，除常用的熱電阻（熱敏電阻）、熱電偶等外，熱電電視攝像機(jī)測及感覺溫度圖像方面也取得進(jìn)展。

　　滑覺傳感器

　　用于檢測物體的滑動(dòng)。當(dāng)要求機(jī)器人抓住特性未知的物體時(shí)，必須確定最適當(dāng)?shù)奈樟χ?，所以要求檢測出握力不夠時(shí)所產(chǎn)生的物體滑動(dòng)信號(hào)。

　　目前有利用光學(xué)系統(tǒng)的滑覺傳感器和利用晶體接收器的滑覺傳感器，后者的檢測靈敏度與滑動(dòng)方向無關(guān)。

　　距離傳感器

　　用于智能移動(dòng)機(jī)器人的距離傳感器有：激光測距儀（兼可測角）、聲納傳感器等，近幾年得到發(fā)展。

　　視覺傳感器

　　這是應(yīng)用很廣泛的外傳感器，有鑒于它的內(nèi)容很豐富，而且機(jī)器視覺經(jīng)常獨(dú)立形成產(chǎn)品，與軟件技術(shù)關(guān)系很密切。

　　傳感器的具體應(yīng)用介紹

　　從上圖可以看出，傳感器的技術(shù)走向?yàn)閺臏囟?、壓力、光電，逐漸發(fā)展到麥克風(fēng)、IMU、陀螺儀，再到激光雷達(dá)、紅外、聲吶、3D攝像頭。傳感器的應(yīng)用范圍從各種工業(yè)機(jī)器人到民用各種功能機(jī)器人、無人機(jī)、自動(dòng)駕駛汽車。在未來，傳感器將有無限種可能。

　　以下是機(jī)器人網(wǎng)（jqr.com）搜集的一些熱門智能機(jī)器人用傳感器資料：

　　掃地機(jī)器人

　　掃地機(jī)器人又稱自動(dòng)打掃機(jī)、智能吸塵、機(jī)器人吸塵器等，是智能家用電器的一種，憑借一定的人工智能自動(dòng)在房間內(nèi)完成地板清理工作。智能掃地機(jī)器人完成自動(dòng)打掃，其中一個(gè)重要的功能就是要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)避障。

　　為了實(shí)現(xiàn)掃地機(jī)器人的避障功能，機(jī)器人身上會(huì)裝有很多傳感器，最常規(guī)的有紅外傳感器、超聲波測距、碰撞傳感器、攝像頭+圖像識(shí)別等。其中最常用、最經(jīng)濟(jì)的方案就是利用紅外光反射原理來避障。

　　紅外光避障原理如下圖所示，LED發(fā)射紅外光，由障礙物反射到接收器。通過計(jì)算接收到光強(qiáng)度的大小，從而判斷障礙物的距離。

　　紅外光避障原理

　　無人機(jī)（消費(fèi)級(jí)）

　　消費(fèi)級(jí)無人機(jī)自出現(xiàn)以來就受到了大量消費(fèi)者的追捧，無人機(jī)作為一種通用設(shè)備，可以滿足很多娛樂需求。通過無人機(jī)航拍，人可以到達(dá)平時(shí)無法到達(dá)的位置，高空，海面，山洞等，更好地滿足了攝像愛好者的需求。無論是綜藝節(jié)目、影視作品都開始廣泛利用無人機(jī)；在國外甚至有公司使用無人機(jī)進(jìn)行送貨服務(wù)。

　　空氣流量傳感器

　　空氣流量傳感器，也稱空氣流量計(jì)，是電噴發(fā)動(dòng)機(jī)的重要傳感器之一。它將吸入的空氣流量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)送至電控單元（ECU），作為決定噴油的基本信號(hào)之一，是測定吸入發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣流量的傳感器?？梢杂糜谟行У乇O(jiān)測電力無人機(jī)燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)的微小空氣流速。

　　加速度計(jì)

　　加速度計(jì)是測量運(yùn)載體線加速度的儀表，其中，在測量飛機(jī)過載的加速度計(jì)是最早獲得應(yīng)用的飛機(jī)儀表之一。這種傳感器可以有多種方式感知運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，從而更好地獲取無人機(jī)的位置及運(yùn)行姿態(tài)。

　　慣性測量單元

　　慣性測量單元是測量物體三軸姿態(tài)角（或角速率）以及加速度的裝置。一般的，一個(gè)慣性測量單元包含了三個(gè)單軸的加速度計(jì)和三個(gè)單軸的陀螺，加速度計(jì)檢測物體在載體坐標(biāo)系統(tǒng)獨(dú)立三軸的加速度信號(hào)，而陀螺檢測載體相對(duì)于導(dǎo)航坐標(biāo)系的角速度信號(hào)，測量物體在三維空間中的角速度和加速度，并以此解算出物體的姿態(tài)。在導(dǎo)航中用著很重要的應(yīng)用價(jià)值。

　　計(jì)算機(jī)視覺（CV）

　　無人機(jī)執(zhí)行任務(wù)時(shí)所處的飛行環(huán)境復(fù)雜，大部分情況下沒有任何先驗(yàn)信息，此時(shí)基于實(shí)時(shí)地圖生成的視覺導(dǎo)航研究變得更為重要。計(jì)算機(jī)視覺即通過在硬件端配置攝像頭和傳感器，將這兩個(gè)設(shè)備同時(shí)連接到無人機(jī)上，再結(jié)合計(jì)算機(jī)模擬類似人眼和大腦的作用，可以讓無人機(jī)擁有 “視覺” 能力，即識(shí)別物體、判斷物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。（一般包含光傳感器、激光測距、RGBD傳感器）

　　協(xié)作機(jī)器人

　　六維力傳感器

　　六維力傳感器是智能機(jī)器人重要的傳感器，它能同時(shí)檢測三維空間（笛卡爾坐標(biāo)系）的全力信息，即三個(gè)力分量和三個(gè)力矩分量。六維力傳感器廣泛應(yīng)用于精密裝配，自動(dòng)磨削、輪廓跟蹤、雙手協(xié)調(diào)、零力示教等作業(yè)中，在航空、航天及機(jī)械加工，汽車等行業(yè)中有廣泛的應(yīng)用。

　　視覺傳感器

　　視覺傳感器是整個(gè)機(jī)器視覺系統(tǒng)信息的直接來源，主要由一個(gè)或者兩個(gè)圖形傳感器組成，有時(shí)還要配以光投射器及其他輔助設(shè)備。視覺傳感器的主要功能是獲取足夠的機(jī)器視覺系統(tǒng)要處理的最原始圖像。圖像傳感器可以使用激光掃描器、線陣和面陣CCD攝像機(jī)或者TV攝像機(jī)，也可以是最新出現(xiàn)的數(shù)字?jǐn)z像機(jī)等。

　　觸覺傳感器

　　接觸覺傳感器用以判斷機(jī)器人（主要指四肢）是否接觸到外界物體或測量被接觸物體的特征的傳感器。接觸覺傳感器有微動(dòng)開關(guān)、導(dǎo)電橡膠、含碳海綿、碳素纖維、氣動(dòng)復(fù)位式裝置等類型。

　　隨著機(jī)器人在世界范圍內(nèi)的蓬勃發(fā)展，傳感器也將迎來新的發(fā)展高峰，圖像識(shí)別、深度學(xué)習(xí)等新型技術(shù)也正在尋求與傳感器融合使用的新方式。傳感器領(lǐng)域潛力無限、前景無限。