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借重MEMS传感器 机器人全面感知时代来临

发布时间:2019-05-20 16:00 来源:未知 编辑:admin

  工业机器人感知功力大增。拜制程技术跃进所赐,微机电感测器(MEMS)的性能已较过去大幅提升,不少工业型机器人开发商开始整合各种MEMS感测器及感测融合演算法,强化机器人情境感知功能,以避免运作时对操作人员造成意外伤害。

  机器人将变得越来越智慧。在工厂,工业型机器人须要感测到工人的存在,以避免对工人造成伤害。此外,它们还应该能够检测到异常情况,例如可能造成损坏的剧烈震动。服务型机器人,无论是守卫仓库或做为远程工作人员的网真(Telepresence)装置,都须要进行自主导航。就像人类用天生的感官一样,机器人也须要借助感测器技术使它们变得更智慧、使用更安全,同时增加对人类的帮助。

  微机电系统(MEMS)感测器是令人惊奇的小元件,大小仅为几平方毫米(mm),通常包含两个晶片。一个是MEMS感测器晶片,通常提供运动或压力资讯,但它也可以用做磁性固态感测器。另一个晶片提供必要的讯号处理功能,可将来自感测器微弱的类比讯号转换为有用资讯,并通过一些串列汇流排传递这些资讯(图1)。

  图1MEMS加速度感测器,可用于多种应用,如电子罗盘、方向定位、活动分析及运动检测等。

  这些感测器外形小巧、成本经济,是机器人的理想配件。它们既小巧又实惠,通常内嵌在智慧手机和其他消费电子游戏应用中进行销售,目前全球出货量已达数亿个。此外,它们的耗电量很低,例如,当采用2伏特(V)或3伏特电源时,一个加速度感测器的功耗通常不到10微安培(μA);功耗通常是频率和理想操作点精度之间的一个平衡点。低功耗方案,如低于1μA,还可以通过专用感测器来实现,这些感测器可做为一个运动触发器(MovementTrigger)或篡改探测单元(TamperDetectionUnit)来运行。它们提供的快速唤醒和关闭机制是影响功耗的最重要的参数。节能技术将根据应用需求以及获取资料点所需的频率而不断变化。

  对于空间受限的应用,机器人设计人员还可以选用内置微控制器(MCU)和记忆体的加速度感测器,透过定制软体构建微小的运作系统。由于这些感测器通常无需其他处理器便能连接其他感测器,因此经常被称为感测器集线器(SensorHub)。例如,飞思卡尔(Freescale)某款解决方案即整合3毫米×3毫米三轴加速度感测器,和内建14KB快闪记忆体和1.5KB随机存取记忆体(RAM)的32位元MCU。由于机器人的末梢或手臂部分的空间非常狭小,因此当机器人的末梢或手臂部分须要安放感测器时,类似的解决方案就非常有用。另一个应用是设计精致小巧的可穿戴式机器人系统,甚至用于内窥镜检查医疗应用的可吞咽胶囊。

  这类元件上的板载记忆体和微控制器也可用来实施感测器通讯协议,如IO-Link。这个日益普及的感测器网路协定需要约10KB的记忆体,因此,它可以整合在这个小巧的装置中,实现全新感测器节点的设计和规格。

  在感测器系统设计中,下一步是借助所有人类应该拥有的「感官」,来实现机器人性能目标。这通常被称为感测器融合(SensorFusion),支援感测器系统利用各个感测器的优势生成更准确的资料和更好的产品设计。

  例如,电子罗盘可指示南/北方向。虽然有人可能认为,读取地球磁场的磁感测器足以提供稳定的资讯,但事实并非如此。磁感测器的输出值将随感测器向上或向下倾斜而发生变化,因此须要添加线性运动感测器(加速度感测器)来感测倾斜运动,并采用某个三角函数演算法补偿磁感测器的读数。一个好的电子罗盘的设计将采用这两种感测器;而更好的系统将把这些感测器整合在同一个封装中,从而产生更小的感测器。

  又如,无法利用全球卫星定位系统(GPS)讯号的室内定位系统,系采用无线区域网路(Wi-Fi)基站三角测量法,在商场或机场内定位用户的智慧手机。该系统的精确度可通过添加极小的高度感测器得以增强。凭藉约30公分(1尺)的相对高度解析度,此感测器能够轻松地检测到智慧型手机在大楼内向楼上还是楼下移动。这个简单的资讯对于简化或验证复杂的三角测量演算法非常有用。此外,看守室外设置的监控机器人,还须要了解它是向山上还是山下运动,这对机器人的速度和功耗都有影响,也是计算其自主持续时间须要考虑的重要资料。

  采用高度计实施的另一个感测器融合功能是冲击检测。在仓库地面或医院大厅四处移动的自主机器人,其设计应避免撞到人或物体,但如果发生碰撞,机器人必须能够检测到碰撞。可对加速度感测器进行编程,使之根据「特定碰撞」标记检测震动,但这并非万无一失。在机器人周围添加耦合气动带的压力感测器后,此系统拥有两个不同的感测资讯源,可提高「碰撞事件」检测的精度。

  图像识别是另一项伟大技术,可帮助自主机器人导航并避开障碍物。当今的视觉系统可识别形状、物体甚至人脸,因此我们会希望一个移动中的机器人能创建其周围环境的即时三维(3D)地图,以确定任何可能的障碍。

  虽然只要能见度和光照条件足以使图像感测器捕捉足够的相关资料,照相机就能正常工作,但在室外条件下,视觉系统功能可能会受到雪、雾或其他天气条件的限制。雷达感测技术虽然不基于MEMS,但仍然是适当的感测器融合增补。将视频图像处理资讯与距离和速度雷达资料相结合,可帮助智慧导航演算法计算出更精确的资料,并更好地构建机器人周围环境的3D地图。

  雷达系统主要为自动应用而设计,也可轻松应用于其他系统。它们在77GHz频段上运行,并提供非常精确的距离和速度资讯,从几百米的距离到非常近的距离。传统的系统采用分立式射频电路和带有旋转天线D映射资讯。

  然而,借助150GHz过渡频率(fT)的超高速电晶体的高性能矽锗(SiGe)制程,分立式射频功能可以整合到晶片上。这能够实现经济高效的多频段射频晶片组解决方案的设计,支援多通道接线天线,不再需要旋转天线。高性能射频制程、设计专业知识,再加上数位波束赋形技术和讯号处理演算法,使雷达系统能够满足高容量汽车和机器人应用的尺寸和成本要求。

  上述内容为感测技术的实例,机器人设计人员可利用这些技术改进他们的系统设计。许多感测器专为要求高容量、高品质、低成本的消费类智慧手机或汽车应用而设计。借助适当的感测器融合演算法,这些低成本感测器将可实现全新的机器人设计。

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