传感器在自主机器人中的作用

本文探讨传感器在工业机器人中的作用，以及它们如何帮助收集和分析数据以实现智能决策；并且重点介绍与传感器相关的一些准确性、功耗和成本挑战。
多年来，机器人一直是科幻小说的主题。从早期无声电影的开创性电影到美国作家艾萨克·阿西莫夫（Isaac Asimov）的思考机器人，机器人一直被描绘成人类形式的机器。这些虚构的机器人拥有远远超过我们自己的智慧，考虑到它们最初是在微电子、半导体甚至晶体管时代之前被想象出来的，这是一个了不起的想法。
制造业是最早了解机器人在现实世界中的用途的行业之一。然而，当机器人最终开始进入我们的生活时，它们与我们想象中的完全不同。它们不仅缺乏虚构机器人的复杂性，而且看起来也不像人类。第一代机器人不具备智能，但旨在快速准确地执行有限的功能。通过使用机器来执行困难和重复的任务，制造商可以提高工厂效率并提高产品质量，对于这些任务，人形既不需要也没有优势。
本文探讨传感器在工业机器人中的作用，以及它们如何帮助收集和分析数据以实现智能决策，并且重点介绍与传感器相关的一些准确性、功耗和成本挑战。

自主机器人
自第一台工业机器问世以来，机器人领域不断发展。跨多个领域的一系列技术同时成熟，创造出称为「自主移动机器人（AMR）」的新一代设备，这些AMR的核心是现代微电子的处理能力。尽管如此，如果没有其他技术领域的进步，从无线连接到电池和马达，它们就一无是处。
AMR没有自我意识，也没有使用真正的人工智能（AI）；但是，它们旨在了解周围的环境。通过传感器和其他来源收集这些信息，它们会做出反应并调整行动以完成所分配的任务；从在繁忙的工厂车间导航到处理敏感货物，这些机器人可以通过采用机器学习的AI形式自主行动。
正如科幻小说中想象的机器人新用途一样，最新一代的AMR已在现实世界中广泛应用于各行各业。人们对于将机器人部署到科学研究、救灾和太空等危险环境中，加以执行人类工作人员无法尝试的危险任务非常感兴趣。尽管自主机器人在广泛的应用中具有潜力，但AMR已经对工业市场产生了相当大的影响。

智能工厂及其他领域的机器人
AMR使熄灯或黑暗工厂成为可能—也就是说，工厂对人类活动的需求非常小，以至于设施可以在黑暗中运行。在这些黑暗工厂中，AMR是生产线不可或缺的一部分，用于在工厂周围运送原物料。AMR的独立性使它们能够透过计算复杂和动态环境中的最佳路线来因应最新要求。生产计划的变化会自动传达给交付机器人车队，确保正确的零件在正确的时间出现在正确的位置。
除了工厂之外，快递业巨头的发展也引起了人们的极大兴趣。许多人将AMR视为在运输过程的最后阶段进行交付的理想解决方案，在该阶段将包裹交付到客户家门口。在此应用程序中，AMR将在街道的人行道上行驶以到达目的地。设计师面临的挑战是创造能够对城市地区不可预知的交通做出安全反应的机器人。
自主机器人甚至可以升空。无人驾驶飞行器（unmanned aerial vehicle；UAV），通常被称为无人机，已经出现了一段时间，但通常需要远程控制。然而最新一代的自主无人机正在各种应用中提供「空中之眼」，它们能够长时间在高空停留、有条不紊地搜索大片区域以及识别异常的能力，使得这些机器非常有效；例如许多精准农业在运作时采用自主无人机从上方监测作物状况，这些无人机配备红外线和其他专业视觉系统，可以识别关注区域，甚至无需人工干预即可施用化肥或杀虫剂。


图1 : 许多精准农业在运作时采用自主无人机从上方监测作物状况，由于配备红外线和其他专业视觉系统，可以识别关注区域。（source：LAPPconnect）

传感器数组
在所有这些应用中，机器人与环境的互动对其成功至关重要；传感器不仅仅是自主机器人的眼睛和耳朵，还发挥着多种关键作用。

本体感受器
在AMR可以在其环境中导航之前，它必须能够检测到自己的状况。这些本体感受传感器，包括陀螺仪传感器、倾斜传感器、加速度计和温度计，使得机器人能够监测其姿态、运动和温度。这些通常与压力和重量传感器结合使用，这些传感器对于涉及物流的机器人尤其重要（例如确保货物装载不会造成不安全的条件）。
这些AMR中的大多数使用电池组作为其马达的电源，目前选择的技术是锂离子（Li-ion）电池。锂离子电池的能量容量和充电特性意味着它们在众多产业中得到广泛使用，但存在着安全问题。如果锂离子电池损坏或充电不正确，结果可能会导致称为「热失控」的极其危险的事件。准确的温度感应对于电池管理系统至关重要，电池管理系统监控这些电源组的状况，进而防止热失控风险。
这些传感器在机器人的维护中也发挥着有趣的作用。长期监控机器人性能及其组件的能力可以提供对其状况的宝贵见解，例如温度的稳定上升可能会提醒用户马达已磨损，而操作过程中倾斜角度的变化可能是由底盘损坏所引起的。收集和分析这些数据使营运商能够进行预先计划的维护，最大限度地减少停机时间并保持全面服务。

被动和主动传感器
在检测机器人必须在其中移动或运行的环境时，设计人员可以选择主动或被动传感器。被动式传感器检测环境本身产生的能量，这包括电磁能的所有变化，包括可见光和红外辐射，以及声音或大气压力等物理条件，被动传感器收集这些信息，机器人将使用这些信息建构周围环境的模型。


 
图2 : 在检测机器人必须在其中移动或运行的环境时，设计人员可以选择主动或被动传感器。（source：Rave Robot）

AMR的被动传感器选项，包括防止机器人进入不安全区域的温度和压力传感器，以及视觉系统—通常是使用可见光或红外线从外部环境撷取信息的摄影镜头组合。当由最新的嵌入式计算机处理时，可以建立非常准确的环境视觉模型，使得机器人能够安全地绕过障碍物和危险。
主动式传感器通过产生能量然后释放到环境中来工作，传感器收集有关这种能量如何与其周围环境相互作用的信息。主动式传感器最常见的应用是雷达，其中发射射频（RF）辐射脉冲，并测量其反射，脉冲行进到目标并返回所花费的时间提供对距离的准确量测。
AMR使用一系列主动式传感器来进一步增强其周围环境的模型。光探测和测距（激光雷达）或雷射提供了雷达的替代方案，其中射频传输被光取代以检测物体。尽管基于光的传感器可能会受到灰尘或雾气等大气条件的影响，但它们提供的分辨率高于雷达。

理解世界
无论采用哪种传感器技术，机器人都将使用一种称为同时定位和映射或SLAM 的方法。SLAM是一种自动机器人和车辆用来构建区域地图，并同时定位其在其中位置的技术；SLAM技术利用一系列传感器生成的信息，为机器人提供执行路径规划和避障等任务所需的信息。
更为关键的是传感器在公共安全中的作用。随着AMR成为在街道和工厂中常见的景象，它们将承担越来越重要的任务，这些任务必须在无人监督的情况下执行。在公共场所或其他可能与人互动的区域部署机器人时，主动和被动传感器都将发挥关键作用。

结论
传感器不仅仅是让机器人感知和理解周围环境的眼睛和耳朵。虽然AMR没有自我意识，但它们旨在响应周围的环境、调整自己的行为，并且完成分配的任务。
无论设计师是要创造在30分钟内送出披萨的机器人，还是最复杂的搜救机器，AMR中内建的传感器数组都将使它们能够充分发挥潜力。它们对机器人的成功至关重要，因为它们发挥着关键作用，例如检测自身状况、监控电池健康状况和维护。

 本文由贸泽电子（Mouser Electronics）提供