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新型传 感器会让下一代机器人更拟人化

新型传感器

新型传 感器会让下一代机器人更拟人化(新型传感器

控制和 通讯芯片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、力矩感测器、环境传 感器和电源管理传感器。

新型传感器

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积体电路芯片。当前消费、专业服 务或社交机器人的每个关节几乎都用到两个或更多的磁性角度位置传感器芯片。每个运 动轴或关节旋转需要使用至少一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 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。

磁性角 度位置传感器芯片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。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两个磁性角度位置感测器。例如当 机器人的脚踝需要同时进行前后和转动两个轴方向的运动时,总共需 要使用四个磁性位置感测器。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。

新型传感器

为什么 选择磁性角度位置感测器芯片

于之前 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具备多项优势。新型磁 性位置传感器芯片提供高分辨率和重复精度。此外由 于制造采用了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。此外磁 性位置传感器芯片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芯片)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 低成本玩具机器人的传统伺服电机零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 度位置感测器在当今的消费、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

现在数 项存在传感器技术正被集成到当今的机器人中,它们的 资料会融合在一起,用于为 机器人提供空间视觉感知以及物体检测和避让。二维和 三维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传感器,也越来 越多地部署到机器人当中。光检测 和测距为机器人提供其工作空间及周围环境的高分辨率三维测绘,以便它 可以更好地执行任务并四处移动。

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 角度锥体约为三十度。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感测器的干扰。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(二维、三维、摄像头、光检测和测距、超声波)资料融合在一起时,正如我 们现在开始在高端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 助提供使用者界面命令。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 慧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端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 传感器、温度和湿度感测器、压力感测器,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。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。

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 上这些新型感测器技术,下一代 机器人可以更轻松地用于支援各种各样的应用。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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