【導讀】本文以傳感技術為實例，機器人設計人員可利用這些技術改進他們的系統設計。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。借助適當的傳感器融合算法，這些低成本傳感器可讓機器人越來越智能。
在工廠，工業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，無論是守衛倉庫或作為遠程工作人員的網真裝置，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。
圖：MEMS傳感器
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10μA；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1μA，還可以通過專用傳感器來實現，這些傳感器可作為一個運動觸發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。節能技術將根據應用需求獲取數據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。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XtrinsicMMA9550L提供3x3-mm三軸加速度傳感器和帶有14KB閃存和1.5KBRAM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XtrinsicMMA9550L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，甚至用于內窺鏡檢查醫療應用的可吞咽機器人膠囊。
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議，如IO-Link。這個日益普及的傳感器網絡協議需要約10KB的內存，因此，它可以集成在這個小巧的裝置中，實現全新傳感器節點的設計和規格。
協同作用
在傳感器系統設計中，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，支持傳感器系統利用各個傳感器的優勢生成更準確的數據和更好的產品設計。
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算法補償磁傳感器的讀數。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XtrinsicFXOS8700CQ在3x3x1.2-mm的封裝中集成了帶有傾斜補償的地磁場測量，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中。
又如：無法利用GPS信號的室內定位系統采用WiFi基站三角測量法，在商場或機場內定位用戶的智能手機。該系統的精度可通過添加極小的高度傳感器（如飛思卡爾XtrinsicMPL3115）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時間需要考慮的重要數據。
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，但如果發生碰撞，機器人必須能夠檢測到碰撞。可對加速度傳感器進行編程，使之根據特定“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。當今的視覺系統可識別形狀、物體、甚至人臉。一種移動中的機器人希望創建其周圍環境的實時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據，照相機就能正常工作。但在室外條件下，視覺系統功能可能會受到雪、霧或其它天氣條件的限制。雷達傳感技術雖然不基于MEMS，但仍然是適當的傳感器融合增補。將視頻圖像處理信息與距離和速度雷達數據相結合，可幫助智能導航算法計算出更精確的數據，并更好地構建機器人周圍環境的3D地圖。
雷達系統主要為自動應用而設計，也可輕松應用于其它系統。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。傳統的系統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150GHz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、設計專業知識，再加上數字波束賦形技術和信號處理算法，使雷達系統能夠滿足高容量汽車和機器人應用的尺寸和成本要求。
