機器人身上的11類MEMS和傳感器

　　隨著機器人熱不斷升溫，人們也加大了對智能機器人的研究與追求。智能機器人主要有交互機器人、傳感機器人和自主機器人3種。它們之所以被認為具有智能，是因為它們能對自身內部以及周邊環境進行感受并做出反應。其中，對內部、外部環境的信息感受是通過形形色色的傳感器來實現的。現在，從擬人功能出發的視覺、力覺、觸覺已進入實用階段，機器人聽覺也有較大進展，傳感器的智能化程度決定了機器人的智能化程度。

　　那么讓我們一起來看看有哪些傳感器吧！

　　傳感器分類

　　內傳感器

　　機器介機電一體化的產品，內傳感器和電機、軸等機械部件或機械結構如手臂（Arm）、手腕（Wrist）等安裝在一起，完成位置、速度、力度的測量，實現伺服控制。

　　位置（位移）傳感器

　　直線移動傳感器有電位計式傳感器和可調變壓器兩種。角位移傳感器有電位計式、可調變壓器（旋轉變壓器）及光電編碼器三種，其中光電編碼器有增量式編 碼器和絕對式編碼器。增量式編碼器一般用于零位不確定的位置伺服控制，絕對式編碼器能夠得到對應于編碼器初始鎖定位置的驅動軸瞬時角度值，當設備受到壓力 時，只要讀出每個關節編碼器的讀數，就能夠對伺服控制的給定值進行調整，以防止機器人啟動時產生過劇烈的運動。機器人傳感器分類

　　速度和加速度傳感器

　　速度傳感器有測量平移和旋轉運動速度兩種，但大多數情況下，只限于測量旋轉速度。利用位移的導數，特別是光電方法讓光照射旋轉圓盤，檢測出旋轉頻率 和脈沖數目，以求出旋轉角度， 及利用圓盤制成有縫隙，通過二個光電二極管辨別出角速度，即轉速，這就是光電脈沖式轉速傳感器。此外還有測速發電機用于測速等。

　　應變儀即伸縮測量儀，也是一種應力傳感器，用于加速度測量。加速度傳感器用于測量工業機器人的動態控制信號。一般有由速度測量進行推演、已知質量物體加速度所產生動力，即應用應變儀測量此力進行推演，還有就是下面所說的方法：

　　與被測加速度有關的力可由一個已知質量產生。這種力可以為電磁力或電動力，最終簡化為對電流的測量，這就是伺服返回傳感器，實際又能有多種振動式加速度傳感器。

　　力覺傳感器

　　力覺傳感器用于測量兩物體之間作用力的三個分量和力矩的三個分量。機器人中理想的傳感器是粘接在依從部件的半導體應力計。具體有金屬電阻型力覺傳感器、半導體型力覺傳感器、其它磁性壓力式和利用弦振動原理制作的力覺傳感器。

　　還有轉矩傳感器（如用光電傳感器測量轉矩）、腕力傳感器（如國際斯坦福研究所的由6個小型差動變壓器組成，能測量作用于腕部X、Y和Z三個方向的動力及各軸動轉矩）等。

　　由于機器人發展歷史較長，近年來普遍采用以交流永磁電動機為主的交流伺服系統，對應位置、速度等傳感器大量應用的是：各種類型的光電編碼器、磁編碼器和旋轉變壓器。

　　外傳感器

　　以往一般工業機器人是沒有外部感覺能力的，而新一代機器人如多關節機器人，特別是移動機器人、智能機器人則要求具有校正能力和反應環境變化的能力，外傳感器就是實現這些能力的。

　　觸覺傳感器

　　微型開關是接觸傳感器最常用型式，另有隔離式雙態接觸傳感器（即雙穩態開關半導體電路）、單模擬量傳感器、矩陣傳感器（壓電元件的矩陣傳感器、人工皮膚——變電導聚合物、光反射觸覺傳感器等）。

　　應力傳感器

　　如多關節機器人進行動作時需要知道實際存在的接觸、接觸點的位置（定位）、接觸的特性即估計受到的力（表征）這三個條件，所以用上節已指出的應變 儀，結合具體應力檢測的基本假設，如求出工作臺面與物體間的作用力，具體有對環境裝設傳感器、對機器人腕部裝設測試儀器用傳動裝置作為傳感器等方法。

　　接近度傳感器

　　由于機器人的運動速度提高及對物體裝卸可能引起損壞等原因需要知道物體在機器人工作場地內存在位置的先驗信息以及適當的軌跡規劃，所以有必要應用測量接近度的遙感方法。接近傳感器分為無源傳感器和有源傳感器，所以除自然信號源外，還可能需要人工信號的發送器和接收器。

　　超聲波接近度傳感器用于檢測物體的存在和測量距離。它不能用于測量小于30~50cm的距離，而測距范圍較大，它可用在移動機器人上，也可用于大型機器人的夾手上。還可做成超聲導航系統。

　　紅外線接近度傳感器，其體積很小，只有幾立方厘米大，因此可以安裝在機器人夾手上。

　　聲覺傳感器

　　用于感受和解釋在氣體（非接觸感受）、液體或固體（接觸感受）中的聲波。聲波傳感器復雜程度可以從簡單的聲波存在檢測到復雜的聲波頻率分析， 直到對連續自然語言中單獨語音和詞匯的辨別。

　　接觸式或非接觸式溫度傳感器

　　近年在機器人中應用較廣，除常用的熱電阻（熱敏電阻）、熱電偶等外，熱電電視攝像機測及感覺溫度圖像方面也取得進展。

　　滑覺傳感器

　　用于檢測物體的滑動。當要求機器人抓住特性未知的物體時，必須確定最適當的握力值，所以要求檢測出握力不夠時所產生的物體滑動信號。

　　目前有利用光學系統的滑覺傳感器和利用晶體接收器的滑覺傳感器，后者的檢測靈敏度與滑動方向無關。

　　距離傳感器

　　用于智能移動機器人的距離傳感器有：激光測距儀（兼可測角）、聲納傳感器等，近幾年得到發展。

　　視覺傳感器

　　這是應用很廣泛的外傳感器，有鑒于它的內容很豐富，而且機器視覺經常獨立形成產品，與軟件技術關系很密切。

　　傳感器的具體應用介紹

　　從上圖可以看出，傳感器的技術走向為從溫度、壓力、光電，逐漸發展到麥克風、IMU、陀螺儀，再到激光雷達、紅外、聲吶、3D攝像頭。傳感器的應用范圍從各種工業機器人到民用各種功能機器人、無人機、自動駕駛汽車。在未來，傳感器將有無限種可能。

　　以下是機器人網（jqr.com）搜集的一些熱門智能機器人用傳感器資料：

　　掃地機器人

　　掃地機器人又稱自動打掃機、智能吸塵、機器人吸塵器等，是智能家用電器的一種，憑借一定的人工智能自動在房間內完成地板清理工作。智能掃地機器人完成自動打掃，其中一個重要的功能就是要實現自動避障。

　　為了實現掃地機器人的避障功能，機器人身上會裝有很多傳感器，最常規的有紅外傳感器、超聲波測距、碰撞傳感器、攝像頭+圖像識別等。其中最常用、最經濟的方案就是利用紅外光反射原理來避障。

　　紅外光避障原理如下圖所示，LED發射紅外光，由障礙物反射到接收器。通過計算接收到光強度的大小，從而判斷障礙物的距離。

　　紅外光避障原理

　　無人機（消費級）

　　消費級無人機自出現以來就受到了大量消費者的追捧，無人機作為一種通用設備，可以滿足很多娛樂需求。通過無人機航拍，人可以到達平時無法到達的位置，高空，海面，山洞等，更好地滿足了攝像愛好者的需求。無論是綜藝節目、影視作品都開始廣泛利用無人機；在國外甚至有公司使用無人機進行送貨服務。

　　空氣流量傳感器

　　空氣流量傳感器，也稱空氣流量計，是電噴發動機的重要傳感器之一。它將吸入的空氣流量轉換成電信號送至電控單元（ECU），作為決定噴油的基本信號之一，是測定吸入發動機的空氣流量的傳感器。可以用于有效地監測電力無人機燃氣發動機的微小空氣流速。

　　加速度計

　　加速度計是測量運載體線加速度的儀表，其中，在測量飛機過載的加速度計是最早獲得應用的飛機儀表之一。這種傳感器可以有多種方式感知運動姿態，從而更好地獲取無人機的位置及運行姿態。

　　慣性測量單元

　　慣性測量單元是測量物體三軸姿態角（或角速率）以及加速度的裝置。一般的，一個慣性測量單元包含了三個單軸的加速度計和三個單軸的陀螺，加速度計檢測物體在載體坐標系統獨立三軸的加速度信號，而陀螺檢測載體相對于導航坐標系的角速度信號，測量物體在三維空間中的角速度和加速度，并以此解算出物體的姿態。在導航中用著很重要的應用價值。

　　計算機視覺（CV）

　　無人機執行任務時所處的飛行環境復雜，大部分情況下沒有任何先驗信息，此時基于實時地圖生成的視覺導航研究變得更為重要。計算機視覺即通過在硬件端配置攝像頭和傳感器，將這兩個設備同時連接到無人機上，再結合計算機模擬類似人眼和大腦的作用，可以讓無人機擁有 “視覺” 能力，即識別物體、判斷物體的運動狀態。（一般包含光傳感器、激光測距、RGBD傳感器）

　　協作機器人

　　六維力傳感器

　　六維力傳感器是智能機器人重要的傳感器，它能同時檢測三維空間（笛卡爾坐標系）的全力信息，即三個力分量和三個力矩分量。六維力傳感器廣泛應用于精密裝配，自動磨削、輪廓跟蹤、雙手協調、零力示教等作業中，在航空、航天及機械加工，汽車等行業中有廣泛的應用。

　　視覺傳感器

　　視覺傳感器是整個機器視覺系統信息的直接來源，主要由一個或者兩個圖形傳感器組成，有時還要配以光投射器及其他輔助設備。視覺傳感器的主要功能是獲取足夠的機器視覺系統要處理的最原始圖像。圖像傳感器可以使用激光掃描器、線陣和面陣CCD攝像機或者TV攝像機，也可以是最新出現的數字攝像機等。

　　觸覺傳感器

　　接觸覺傳感器用以判斷機器人（主要指四肢）是否接觸到外界物體或測量被接觸物體的特征的傳感器。接觸覺傳感器有微動開關、導電橡膠、含碳海綿、碳素纖維、氣動復位式裝置等類型。

　　隨著機器人在世界范圍內的蓬勃發展，傳感器也將迎來新的發展高峰，圖像識別、深度學習等新型技術也正在尋求與傳感器融合使用的新方式。傳感器領域潛力無限、前景無限。