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1、新型传感器技术应用于当代机器人新型传感器技术应用于当代机器人MarkJ.Donovan艾迈斯半导体导语：控制和通讯IC的开展在实现下一代的机器人中起到重要作用。然而，这些复杂的当代机器人的核心是很多新的、小型化和低本钱的传感技术的出现与交融。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、环境传感器和电源治理传感器。控制和通讯IC的开展在实现下一代的中起到重要作用。然而，这些复杂的当代机器人的核心是很多新的、小型化和低本钱的传感技术的出现与交融。对实现下一代机器人至关重要的几项关键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、
2、环境传感器和电源治理传感器。磁性位置传感器机器人革命中的幕后英雄在当今消费、专业效劳、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1.0。当前，消费、专业效劳或者社交机器人的每个关节几乎都用到两个或者更多的磁性角度位置传感器IC。每个运动轴或者关节旋转需要使用至少一个磁性角度位置传感器。当今的很多机器人都采用小而强大的无刷直流电机(BLDC)来挪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1.0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挪动关节的电机控制器提供电机换向反应。参见图2.0。此外，机器
3、人关节的闭环电机控制也需要关节齿轮的角度位置反应。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传感器。例如，当机器人的脚踝需要同时进展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2.0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?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如艾迈斯半导体的AS5047P和AS5600L具备多项上风。新型磁性位置传感器IC提供高分辨率和重复
4、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。此外，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，与低本钱社交/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上风，磁性角度位置传感器在当今的消费、专业效劳和社交机器人，如今甚至在工业机器人中都被广泛采用。存在传感器如今，数项存在传感器技
5、术正被集成到当今的机器人中，它们的数据会交融在一起，用于为机器人提供空间视觉感悟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效劳机器人中都很常见。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四周环境的高分辨率3D测绘，以便它可以更好地执行任务并四处挪动。参见图3.0。图3.0LIDAR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平安报警系统传感器一样，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
6、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，最终进步了机器人的整体性能和平安性。但是，超声波传感器的作用间隔有限，大约为一厘米到几米，而最大角度锥体约为30度。它们的本钱相对较低，并在近间隔范围内具有较高的精度，但随着间隔和测量角度的增加，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一样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和超声波数据交融在一起时，正如我们如今开场在高端消费/专业效劳机器人和工业机器人中所看到的，这些机器
7、人可以出色地实现对四周环境空间感悟，挪动并执行更复杂的任务，而且不会令自己、人或者其四周环境受到损害。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纵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者手部动作来执行某些任务。这些手势传感器为家中或者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纵员可以与协作式工业、医疗或者军事机器人沟通，并控制机器人，使其按照操纵员的手臂运动方式和手势来执行和/或者模拟某些任务。
8、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展手术，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平安报警。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，其控制平安软件可以使手臂停顿运动并缩回其位置。力矩传感器也与存在传感器以及其他平安监测传感器如环境传感器共同协作，以提供总体平安区域监测功能。环境传感器各种环境传感器也正在
9、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平安有效地工作，还能让机器人周边的人们发觉到不平安的环境条件。电源治理传感器电源治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者耗电时不会过热。参见图4.0。电源治理传感器还用于机器人关节电机的稳压与功率和热治理。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。用于机器人电源治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，以及电池治理设备中的电流传感器。图4.0电源治理对自动化机器人至关重要得益于所有这些新型创新的传感器技术的集成和交融，当今最新的机器人可以更独立和平安地运行。此外，由于计算才能、软件功能和人工智能的大幅进步，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、贸易和制造环境中更独立、更协作和更平安地运行与工作。