傳感器在自主機(jī)器人中的作用

文章出處：新聞資訊責(zé)任編輯：深圳市廣陵達(dá)科技有限公司發(fā)表時(shí)間：2024-11-21 15:45:40

多年來(lái)，機(jī)器人一直是科幻小說(shuō)的主題。從早期無(wú)聲電影的開(kāi)創(chuàng)性電影到美國(guó)作家艾薩克·阿西莫夫的思考機(jī)器人，機(jī)器人都被描繪成人類(lèi)形式的機(jī)器。這些虛構(gòu)的機(jī)器人擁有遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出我們的智能，考慮到它們是在微電子、半導(dǎo)體甚至晶體管時(shí)代之前就被想象出來(lái)的，這是一個(gè)了不起的想法。

制造業(yè)是最早了解機(jī)器人在現(xiàn)實(shí)世界中用途的行業(yè)之一。然而，當(dāng)機(jī)器人最終開(kāi)始進(jìn)入我們的生活時(shí)，它們與我們想象的完全不同。它們不僅缺乏虛構(gòu)機(jī)器人的復(fù)雜性，而且看起來(lái)也不像人類(lèi)。第一代機(jī)器人不具備智能，但其設(shè)計(jì)目的是快速、精確地執(zhí)行有限的功能。通過(guò)使用機(jī)器來(lái)執(zhí)行艱苦且重復(fù)的任務(wù)，制造商可以提高工廠(chǎng)效率并提高產(chǎn)品質(zhì)量。對(duì)于這些任務(wù)來(lái)說(shuō)，人類(lèi)形態(tài)既不需要也沒(méi)有優(yōu)勢(shì)。

本文探討了傳感器在工業(yè)機(jī)器人中的作用，以及它們?nèi)绾螏椭占头治鰯?shù)據(jù)以實(shí)現(xiàn)智能決策。我們將重點(diǎn)介紹與傳感器相關(guān)的一些精度、功耗和成本挑戰(zhàn)。

自主機(jī)器人

自第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器問(wèn)世以來(lái)，機(jī)器人領(lǐng)域不斷發(fā)展。跨多個(gè)領(lǐng)域的一系列技術(shù)同時(shí)成熟，創(chuàng)造出稱(chēng)為自主移動(dòng)機(jī)器人（AMR）的新一代設(shè)備。這些 AMR 的核心是現(xiàn)代微電子學(xué)的處理能力。盡管如此，如果沒(méi)有其他技術(shù)領(lǐng)域的進(jìn)步，從無(wú)線(xiàn)連接到電池和電機(jī)，它們就什么都不是。

AMR 沒(méi)有自我意識(shí)，也沒(méi)有采用真正的人工智能；然而，它們的設(shè)計(jì)目的是了解周?chē)沫h(huán)境。通過(guò)傳感器和其他輸入收集這些信息，他們做出響應(yīng)并調(diào)整自己的行動(dòng)以完成分配的任務(wù)。從在繁忙的工廠(chǎng)車(chē)間導(dǎo)航到處理敏感貨物，這些機(jī)器人可以通過(guò)采用一種稱(chēng)為機(jī)器學(xué)習(xí)的人工智能形式自主行動(dòng)。

正如科幻小說(shuō)想象的機(jī)器人新用途一樣，最新一代的 AMR 已在現(xiàn)實(shí)世界的各個(gè)行業(yè)中得到應(yīng)用。人們對(duì)將機(jī)器人部署到危險(xiǎn)環(huán)境中（例如科學(xué)研究、救災(zāi)和太空真空）以執(zhí)行人類(lèi)工人無(wú)法嘗試的危險(xiǎn)任務(wù)非常感興趣。盡管自主機(jī)器人在廣泛的應(yīng)用中具有潛力，但 AMR 已經(jīng)對(duì)工業(yè)市場(chǎng)產(chǎn)生了相當(dāng)大的影響。

自主移動(dòng)機(jī)器人（AMR）

智能工廠(chǎng)及其他領(lǐng)域的機(jī)器人

AMR 正在實(shí)現(xiàn)熄燈工廠(chǎng)（即黑暗工廠(chǎng)），即對(duì)人類(lèi)活動(dòng)的需求很小，以至于設(shè)施可以在黑暗中運(yùn)行的工廠(chǎng)。在這些黑暗的工廠(chǎng)里，AMR 是生產(chǎn)線(xiàn)不可或缺的一部分，用于在工廠(chǎng)周?chē)\(yùn)送原材料。 AMR 的獨(dú)立性使其能夠通過(guò)計(jì)算復(fù)雜動(dòng)態(tài)環(huán)境中的最佳路線(xiàn)來(lái)響應(yīng)最新的要求。生產(chǎn)計(jì)劃的變化會(huì)自動(dòng)傳達(dá)給交付機(jī)器人車(chē)隊(duì)，確保正確的零件在正確的時(shí)間到達(dá)正確的位置。

除了工廠(chǎng)之外，快遞行業(yè)巨頭的發(fā)展也引起了人們極大的興趣。許多人將 AMR 視為運(yùn)輸過(guò)程最后階段（將包裹運(yùn)送到客戶(hù)家門(mén)口）的理想解決方案。在此應(yīng)用程序中，AMR 將在我們街道的人行道上導(dǎo)航以到達(dá)目的地。設(shè)計(jì)師面臨的挑戰(zhàn)是創(chuàng)造能夠?qū)Τ鞘械貐^(qū)不可預(yù)測(cè)的交通安全做出反應(yīng)的機(jī)器人。

自主機(jī)器人甚至可以飛上天空。無(wú)人駕駛飛行器 (UAV)，通常稱(chēng)為無(wú)人機(jī)，已經(jīng)出現(xiàn)在我們身邊一段時(shí)間了，但通常需要遠(yuǎn)程控制。然而，最新一代的自主無(wú)人機(jī)正在各種應(yīng)用中提供“天空之眼”。它們能夠長(zhǎng)時(shí)間停留在高空、有條不紊地搜索大片區(qū)域以及識(shí)別異常現(xiàn)象，這使得這些機(jī)器非常高效。例如，許多精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)作業(yè)都使用自主無(wú)人機(jī)從上方監(jiān)測(cè)農(nóng)作物的狀況。這些無(wú)人機(jī)配備了紅外和其他專(zhuān)業(yè)視覺(jué)系統(tǒng)，可以識(shí)別關(guān)注區(qū)域，甚至可以在無(wú)需人工干預(yù)的情況下施肥或殺蟲(chóng)劑。

傳感器陣列

在所有這些應(yīng)用中，機(jī)器人與環(huán)境的交互對(duì)其成功至關(guān)重要。傳感器不僅僅是自主機(jī)器人的眼睛和耳朵，還發(fā)揮著幾個(gè)關(guān)鍵作用。

本體感覺(jué)傳感器

在 AMR 能夠在其環(huán)境中導(dǎo)航之前，它必須能夠檢測(cè)自身的狀況。這些本體感受傳感器包括陀螺儀傳感器、傾斜傳感器、加速度計(jì)和溫度計(jì)，使機(jī)器人能夠監(jiān)測(cè)其姿態(tài)、運(yùn)動(dòng)和溫度。這些傳感器通常與壓力和重量傳感器結(jié)合使用，這對(duì)于參與物流的機(jī)器人尤其重要（例如，確保貨物裝載不會(huì)造成不安全的條件）。

這些 AMR 大多數(shù)使用電池組作為電動(dòng)機(jī)的電源，目前選擇的技術(shù)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?cè)诒姸嘈袠I(yè)中得到廣泛使用，但存在安全問(wèn)題。如果鋰離子電池?fù)p壞或充電不正確，可能會(huì)導(dǎo)致非常危險(xiǎn)的事件，稱(chēng)為熱失控。準(zhǔn)確的溫度傳感對(duì)于電池管理系統(tǒng)至關(guān)重要，電池管理系統(tǒng)可以監(jiān)控這些電源組的狀況以防止熱失控風(fēng)險(xiǎn)。

這些傳感器在機(jī)器人的維護(hù)中也發(fā)揮著有趣的作用。長(zhǎng)期監(jiān)控機(jī)器人的性能及其組件的能力可以為其狀況提供有價(jià)值的見(jiàn)解。例如，溫度的穩(wěn)定上升可能會(huì)提醒用戶(hù)電機(jī)磨損，而操作過(guò)程中傾斜角度的變化可能是由于底盤(pán)損壞造成的。收集和分析這些數(shù)據(jù)使運(yùn)營(yíng)商能夠進(jìn)行預(yù)先計(jì)劃的維護(hù)，最大限度地減少停機(jī)時(shí)間并維持全面服務(wù)。

無(wú)源和有源傳感器

在檢測(cè)機(jī)器人必須移動(dòng)或運(yùn)行的環(huán)境時(shí)，設(shè)計(jì)人員可以選擇主動(dòng)或被動(dòng)傳感器。無(wú)源傳感器檢測(cè)環(huán)境本身產(chǎn)生的能量。這包括電磁能的所有變化，包括可見(jiàn)光和紅外輻射，以及聲音或大氣壓力等物理?xiàng)l件。被動(dòng)傳感器收集這些信息，機(jī)器人將利用這些信息創(chuàng)建周?chē)鷹l件的模型。

AMR 的無(wú)源傳感器選項(xiàng)包括溫度和壓力傳感器（可防止機(jī)器人進(jìn)入不安全區(qū)域）和視覺(jué)系統(tǒng)（通常是使用可見(jiàn)光或紅外光從外部環(huán)境捕獲信息的攝像頭組合）。當(dāng)由最新的嵌入式計(jì)算機(jī)處理時(shí)，可以創(chuàng)建非常準(zhǔn)確的環(huán)境視覺(jué)模型，使機(jī)器人能夠安全地繞過(guò)障礙物和危險(xiǎn)。

主動(dòng)傳感器的工作原理是產(chǎn)生能量，然后將能量排放到環(huán)境中。傳感器收集有關(guān)該能量如何與其周?chē)h(huán)境相互作用的信息。有源傳感器最常見(jiàn)的應(yīng)用是雷達(dá)，其中發(fā)射射頻 (RF) 輻射脈沖并測(cè)量其反射。脈沖傳播到目標(biāo)并返回所需的時(shí)間提供了精確的距離測(cè)量。

AMR 使用一系列主動(dòng)傳感器來(lái)進(jìn)一步增強(qiáng)周?chē)h(huán)境的模型。光探測(cè)和測(cè)距（激光雷達(dá)）或激光提供了雷達(dá)的替代方案，其中射頻傳輸被光取代來(lái)檢測(cè)物體。盡管基于光的傳感器可能會(huì)受到灰塵或霧等大氣條件的影響，但它們提供比雷達(dá)更高的分辨率。

理解世界

無(wú)論采用哪種傳感器技術(shù)，機(jī)器人都會(huì)使用一種稱(chēng)為同步定位和建圖（SLAM）的方法。 SLAM 是一種自動(dòng)機(jī)器人和車(chē)輛用來(lái)構(gòu)建區(qū)域地圖并同時(shí)定位其在其中的位置的技術(shù)。 SLAM 技術(shù)利用一系列傳感器生成的信息，為機(jī)器人提供執(zhí)行路徑規(guī)劃和避障等任務(wù)所需的信息。

更重要的是傳感器在公共安全中的作用。隨著 AMR 成為我們街道和工廠(chǎng)中常見(jiàn)的景象，它們將被賦予越來(lái)越重要的任務(wù)，而這些任務(wù)必須在沒(méi)有監(jiān)督的情況下執(zhí)行。當(dāng)在公共空間或其他可能與人類(lèi)互動(dòng)的區(qū)域部署機(jī)器人時(shí)，主動(dòng)和被動(dòng)傳感器都將發(fā)揮關(guān)鍵作用。

結(jié)論

傳感器不僅僅是讓機(jī)器人感知和理解周?chē)h(huán)境的眼睛和耳朵。雖然 AMR 沒(méi)有自我意識(shí)，但它們的設(shè)計(jì)目的是響應(yīng)周?chē)沫h(huán)境、調(diào)整自己的行動(dòng)并完成分配的任務(wù)。無(wú)論設(shè)計(jì)人員是在創(chuàng)建 30 分鐘內(nèi)送披薩的機(jī)器人，還是最復(fù)雜的搜索救援機(jī)器，AMR 中集成的傳感器陣列都將使它們充分發(fā)揮潛力。它們對(duì)于機(jī)器人的成功至關(guān)重要，因?yàn)樗鼈兤鹬鴻z測(cè)自身狀況、監(jiān)控電池健康狀況和維護(hù)等關(guān)鍵作用。