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感測器在自主機器人中的作用
[作者 David Pike]   2023年05月21日 星期日 瀏覽人次: [3182]

本文探討感測器在工業機器人中的作用,以及它們如何幫助收集和分析數據以實現智能決策;並且重點介紹與感測器相關的一些準確性、功耗和成本挑戰。


多年來,機器人一直是科幻小說的主題。從早期無聲電影的開創性電影到美國作家艾薩克·阿西莫夫(Isaac Asimov)的思考機器人,機器人一直被描繪成人類形式的機器。這些虛構的機器人擁有遠遠超過我們自己的智慧,考慮到它們最初是在微電子、半導體甚至電晶體時代之前被想像出來的,這是一個了不起的想法。


製造業是最早了解機器人在現實世界中的用途的行業之一。然而,當機器人最終開始進入我們的生活時,它們與我們想像中的完全不同。它們不僅缺乏虛構機器人的複雜性,而且看起來也不像人類。第一代機器人不具備智慧,但旨在快速準確地執行有限的功能。通過使用機器來執行困難和重複的任務,製造商可以提高工廠效率並提高產品品質,對於這些任務,人形既不需要也沒有優勢。


本文探討感測器在工業機器人中的作用,以及它們如何幫助收集和分析數據以實現智能決策,並且重點介紹與感測器相關的一些準確性、功耗和成本挑戰。


自主機器人

自第一台工業機器問世以來,機器人領域不斷發展。跨多個領域的一系列技術同時成熟,創造出稱為「自主移動機器人(AMR)」的新一代設備,這些AMR的核心是現代微電子的處理能力。儘管如此,如果沒有其他技術領域的進步,從無線連接到電池和馬達,它們就一無是處。


AMR沒有自我意識,也沒有使用真正的人工智慧(AI);但是,它們旨在了解周圍的環境。通過感測器和其他來源收集這些資訊,它們會做出反應並調整行動以完成所分配的任務;從在繁忙的工廠車間導航到處理敏感貨物,這些機器人可以通過採用機器學習的AI形式自主行動。


正如科幻小說中想像的機器人新用途一樣,最新一代的AMR已在現實世界中廣泛應用於各行各業。人們對於將機器人部署到科學研究、救災和太空等危險環境中,加以執行人類工作人員無法嘗試的危險任務非常感興趣。儘管自主機器人在廣泛的應用中具有潛力,但AMR已經對工業市場產生了相當大的影響。


智慧工廠及其他領域的機器人

AMR使熄燈或黑暗工廠成為可能—也就是說,工廠對人類活動的需求非常小,以至於設施可以在黑暗中運行。在這些黑暗工廠中,AMR是生產線不可或缺的一部分,用於在工廠周圍運送原物料。AMR的獨立性使它們能夠透過計算複雜和動態環境中的最佳路線來因應最新要求。生產計畫的變化會自動傳達給交付機器人車隊,確保正確的零件在正確的時間出現在正確的位置。


除了工廠之外,快遞業巨頭的發展也引起了人們的極大興趣。許多人將AMR視為在運輸過程的最後階段進行交付的理想解決方案,在該階段將包裹交付到客戶家門口。在此應用程序中,AMR將在街道的人行道上行駛以到達目的地。設計師面臨的挑戰是創造能夠對城市地區不可預知的交通做出安全反應的機器人。


自主機器人甚至可以升空。無人駕駛飛行器(unmanned aerial vehicle;UAV),通常被稱為無人機,已經出現了一段時間,但通常需要遠程控制。然而最新一代的自主無人機正在各種應用中提供「空中之眼」,它們能夠長時間在高空停留、有條不紊地搜索大片區域以及識別異常的能力,使得這些機器非常有效;例如許多精準農業在運作時採用自主無人機從上方監測作物狀況,這些無人機配備紅外線和其他專業視覺系統,可以識別關注區域,甚至無需人工干預即可施用化肥或殺蟲劑。



圖1 : 許多精準農業在運作時採用自主無人機從上方監測作物狀況,由於配備紅外線和其他專業視覺系統,可以識別關注區域。(source:LAPPconnect)
圖1 : 許多精準農業在運作時採用自主無人機從上方監測作物狀況,由於配備紅外線和其他專業視覺系統,可以識別關注區域。(source:LAPPconnect)

感測器陣列

在所有這些應用中,機器人與環境的互動對其成功至關重要;感測器不僅僅是自主機器人的眼睛和耳朵,還發揮著多種關鍵作用。


本體感受器

在AMR可以在其環境中導航之前,它必須能夠檢測到自己的狀況。這些本體感受感測器,包括陀螺儀感測器、傾斜感測器、加速度計和溫度計,使得機器人能夠監測其姿態、運動和溫度。這些通常與壓力和重量感測器結合使用,這些感測器對於涉及物流的機器人尤其重要(例如確保貨物裝載不會造成不安全的條件)。


這些AMR中的大多數使用電池組作為其馬達的電源,目前選擇的技術是鋰離子(Li-ion)電池。鋰離子電池的能量容量和充電特性意味著它們在眾多產業中得到廣泛使用,但存在著安全問題。如果鋰離子電池損壞或充電不正確,結果可能會導致稱為「熱失控」的極其危險的事件。準確的溫度感應對於電池管理系統至關重要,電池管理系統監控這些電源組的狀況,進而防止熱失控風險。


這些感測器在機器人的維護中也發揮著有趣的作用。長期監控機器人性能及其組件的能力可以提供對其狀況的寶貴見解,例如溫度的穩定上升可能會提醒用戶馬達已磨損,而操作過程中傾斜角度的變化可能是由底盤損壞所引起的。收集和分析這些數據使營運商能夠進行預先計劃的維護,最大限度地減少停機時間並保持全面服務。


被動和主動感測器

在檢測機器人必須在其中移動或運行的環境時,設計人員可以選擇主動或被動感測器。被動式感測器檢測環境本身產生的能量,這包括電磁能的所有變化,包括可見光和紅外輻射,以及聲音或大氣壓力等物理條件,被動感測器收集這些資訊,機器人將使用這些資訊建構周圍環境的模型。



圖2 : 在檢測機器人必須在其中移動或運行的環境時,設計人員可以選擇主動或被動感測器。(source:Rave Robot)
圖2 : 在檢測機器人必須在其中移動或運行的環境時,設計人員可以選擇主動或被動感測器。(source:Rave Robot)

AMR的被動感測器選項,包括防止機器人進入不安全區域的溫度和壓力感測器,以及視覺系統—通常是使用可見光或紅外線從外部環境擷取資訊的攝影鏡頭組合。當由最新的嵌入式電腦處理時,可以建立非常準確的環境視覺模型,使得機器人能夠安全地繞過障礙物和危險。


主動式感測器通過產生能量然後釋放到環境中來工作,感測器收集有關這種能量如何與其周圍環境相互作用的資訊。主動式感測器最常見的應用是雷達,其中發射射頻(RF)輻射脈衝,並測量其反射,脈衝行進到目標並返回所花費的時間提供對距離的準確量測。


AMR使用一系列主動式感測器來進一步增強其周圍環境的模型。光探測和測距(激光雷達)或雷射提供了雷達的替代方案,其中射頻傳輸被光取代以檢測物體。儘管基於光的感測器可能會受到灰塵或霧氣等大氣條件的影響,但它們提供的解析度高於雷達。


理解世界

無論採用哪種感測器技術,機器人都將使用一種稱為同時定位和映射或SLAM 的方法。SLAM是一種自動機器人和車輛用來構建區域地圖,並同時定位其在其中位置的技術;SLAM技術利用一系列感測器生成的資訊,為機器人提供執行路徑規劃和避障等任務所需的資訊。


更為關鍵的是感測器在公共安全中的作用。隨著AMR成為在街道和工廠中常見的景象,它們將承擔越來越重要的任務,這些任務必須在無人監督的情況下執行。在公共場所或其他可能與人互動的區域部署機器人時,主動和被動感測器都將發揮關鍵作用。


結論

感測器不僅僅是讓機器人感知和理解周圍環境的眼睛和耳朵。雖然AMR沒有自我意識,但它們旨在響應周圍的環境、調整自己的行為,並且完成分配的任務。


無論設計師是要創造在30分鐘內送出披薩的機器人,還是最複雜的搜救機器,AMR中內建的感測器陣列都將使它們能夠充分發揮潛力。它們對機器人的成功至關重要,因為它們發揮著關鍵作用,例如檢測自身狀況、監控電池健康狀況和維護。


? 本文由貿澤電子(Mouser Electronics)提供


**刊頭圖(source: metamorworks/Stock.adobe.com)


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