胤旭機電網(wǎng)最新報道 >> 借力MEMS傳感器 機器人全面進入感知時代 : 在傳感器系統(tǒng)設計中，借助擁有的所有感官，來實現(xiàn)機器人性能目標。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)勢生成更準確的數(shù)據(jù)和更好的產品設計。 機器人變……

在傳感器系統(tǒng)設計中，借助擁有的所有“感官”，來實現(xiàn)機器人性能目標。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)勢生成更準確的數(shù)據(jù)和更好的產品設計。
　　機器人變得越來越智能。在工廠，工業(yè)機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。服務機器人，無論是守衛(wèi)倉庫或作為遠程工作人員的網(wǎng)真裝置，都需要進行自主導航。就像我們用天生的感官一樣，機器人也需要借助傳感器技術使它們變得更智能、使用更安全，同時增加對人類的用途。
　　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、價格實惠，是機器人的理想配件。它們既小巧又實惠，通常內嵌在智能手機和其它消費電子游戲應用中進行銷售，目前已售出了數(shù)億個。此外，它們的耗電量很低。例如，當采用2v或3v電源時，一個加速度傳感器的功耗通常不到10 μa;功耗通常是頻率和理想操作點精度之間的一個平衡點。低功耗方案，如低于1 μa，還可以通過專用傳感器來實現(xiàn)，這些傳感器可作為一個運動觸發(fā)器或篡改探測單元來運行。它們提供的快速喚醒和關閉機制是影響功耗的最重要的參數(shù)。節(jié)能技術將根據(jù)應用需求獲取數(shù)據(jù)點所需的頻率而不斷變化。
　　對于空間受限應用，機器人設計人員還可以選用內置了微控制器和內存的加速度傳感器，通過定制軟件構建微小的系統(tǒng)(見圖2)。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，因此經常被稱為傳感器集線器。例如，飛思卡爾xtrinsic mma9550l提供3 x 3-mm三軸加速度傳感器和帶有14kb閃存和1.5kb ram的32位微控制器。當機器人的末梢或手臂部分需要安放傳感器時，飛思卡爾xtrinsic mma9550l和其它類似器件就非常有用，因為機器人的末梢或手臂部分的空間非常狹小。另一個應用是設計精致小巧的可穿戴式機器人系統(tǒng)，甚至用于內窺鏡檢查醫(yī)療應用的可吞咽機器人膠囊。

　　kinetis kl02就屬于這種芯片，它精致小巧，被視為是“可吞咽的”。
　　這類器件上的板載內存和微控制器也可用來實施傳感器通信協(xié)議，如io-link。 這個日益普及的傳感器網(wǎng)絡協(xié)議需要約10kb的內存，因此，它可以集成在這個小巧的裝置中，實現(xiàn)全新傳感器節(jié)點的設計和規(guī)格。
　　協(xié)同作用
　　在傳感器系統(tǒng)設計中，下一步是借助您能夠并且應該擁有的所有“感官”，來實現(xiàn)機器人性能目標。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)勢生成更準確的數(shù)據(jù)和更好的產品設計。
　　例如，電子羅盤可指示南/北方向。雖然有人可能認為，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動傳感器(加速度傳感器)來感測傾斜運動，并采用某個三角函數(shù)算法補償磁傳感器的讀數(shù)。一個好的電子羅盤的設計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，從而產生更小的傳感器。例如，飛思卡爾xtrinsic fxos8700cq在3 x 3 x 1.2-mm的封裝中集成了帶有傾斜補償?shù)牡卮艌鰷y量，提供了一種簡單的方法將x/y方向集成到任何機器人系統(tǒng)中。
　　又如：無法利用gps信號的室內定位系統(tǒng)采用wifi基站三角測量法，在商場或機場內定位用戶的智能手機。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xtrinsic mpl3115)得以增強。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在大樓內向樓上還是樓下移動。這個簡單的信息對于簡化或驗證復雜的三角測量算法非常有用。 看守室外設施的監(jiān)控機器人還需要了解它是向山上還是山下運動，這對機器人的速度和功耗都有影響，也是計算其自主持續(xù)時間需要考慮的重要數(shù)據(jù)。
　　采用高度計實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器人的設計應避免撞到人或物體，但如果發(fā)生碰撞，機器人必須能夠檢測到碰撞?？蓪铀俣葌鞲衅鬟M行編程，使之根據(jù)特定“碰撞”標記檢測震動，但這并非萬無一失。在機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
　　圖像識別是另一項偉大技術，可幫助自主機器人導航并避開障礙物。當今的視覺系統(tǒng)可識別形狀、物體、甚至人臉。一種移動中的機器人希望創(chuàng)建其周圍環(huán)境的實時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數(shù)據(jù)，照相機就能正常工作。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。雷達傳感技術雖然不基于mems，但仍然是適當?shù)膫鞲衅魅诤显鲅a。 將視頻圖像處理信息與距離和速度雷達數(shù)據(jù)相結合，可幫助智能導航算法計算出更精確的數(shù)據(jù)，并更好地構建機器人周圍環(huán)境的3d地圖。
　　雷達系統(tǒng)主要為自動應用而設計，也可輕松應用于其它系統(tǒng)。它們在77-ghz頻段上運行，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天線的射頻模塊，以提供3d映像信息。
　　然而，借助150 ghz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。這能夠實現(xiàn)經濟高效的多頻段射頻芯片組解決方案的設計，支持多信道接線天線，不再需要旋轉天線。高性能射頻工藝、設計專業(yè)知識，再加上數(shù)字波束賦形技術和信號處理算法，使雷達系統(tǒng)能夠滿足高容量汽車和機器人應用的尺寸和成本要求。
　　上述內容為傳感技術的實例，機器人設計人員可利用這些技術改進他們的系統(tǒng)設計。許多傳感器專為要求高容量、高質量、低成本的消費類智能手機或汽車應用而設計。借助適當?shù)膫鞲衅魅诤纤惴?，這些低成本傳感器可實現(xiàn)全新的機器人設計。