傳感器在自主機器人中的作用

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

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(chuàng)性電影到美國作家艾薩克·阿西莫夫的思考機器人，機器人都被描繪成人類形式的機器。這些虛構(gòu)的機器人擁有遠遠超出我們的智能，考慮到它們是在微電子、半導(dǎo)體甚至晶體管時代之前就被想象出來的，這是一個了不起的想法。

制造業(yè)是最早了解機器人在現(xiàn)實世界中用途的行業(yè)之一。然而，當(dāng)機器人最終開始進入我們的生活時，它們與我們想象的完全不同。它們不僅缺乏虛構(gòu)機器人的復(fù)雜性，而且看起來也不像人類。第一代機器人不具備智能，但其設(shè)計目的是快速、精確地執(zhí)行有限的功能。通過使用機器來執(zhí)行艱苦且重復(fù)的任務(wù)，制造商可以提高工廠效率并提高產(chǎn)品質(zhì)量。對于這些任務(wù)來說，人類形態(tài)既不需要也沒有優(yōu)勢。

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

自主機器人

自第一臺工業(yè)機器問世以來，機器人領(lǐng)域不斷發(fā)展。跨多個領(lǐng)域的一系列技術(shù)同時成熟，創(chuàng)造出稱為自主移動機器人（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，如果沒有其他技術(shù)領(lǐng)域的進步，從無線連接到電池和電機，它們就什么都不是。

AMR 沒有自我意識，也沒有采用真正的人工智能；然而，它們的設(shè)計目的是了解周圍的環(huán)境。通過傳感器和其他輸入收集這些信息，他們做出響應(yīng)并調(diào)整自己的行動以完成分配的任務(wù)。從在繁忙的工廠車間導(dǎo)航到處理敏感貨物，這些機器人可以通過采用一種稱為機器學(xué)習(xí)的人工智能形式自主行動。

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

自主移動機器人（AMR）

智能工廠及其他領(lǐng)域的機器人

AMR 正在實現(xiàn)熄燈工廠（即黑暗工廠），即對人類活動的需求很小，以至于設(shè)施可以在黑暗中運行的工廠。在這些黑暗的工廠里，AMR 是生產(chǎn)線不可或缺的一部分，用于在工廠周圍運送原材料。 AMR 的獨立性使其能夠通過計算復(fù)雜動態(tài)環(huán)境中的最佳路線來響應(yīng)最新的要求。生產(chǎn)計劃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到達正確的位置。

除了工廠之外，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 視為運輸過程最后階段（將包裹運送到客戶家門口）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)航以到達目的地。設(shè)計師面臨的挑戰(zhàn)是創(chuàng)造能夠?qū)Τ鞘械貐^(qū)不可預(yù)測的交通安全做出反應(yīng)的機器人。

自主機器人甚至可以飛上天空。無人駕駛飛行器 (UAV)，通常稱為無人機，已經(jīng)出現(xiàn)在我們身邊一段時間了，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(yīng)用中提供“天空之眼”。它們能夠長時間停留在高空、有條不紊地搜索大片區(qū)域以及識別異?，F(xiàn)象，這使得這些機器非常高效。例如，許多精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)作業(yè)都使用自主無人機從上方監(jiān)測農(nóng)作物的狀況。這些無人機配備了紅外和其他專業(yè)視覺系統(tǒng)，可以識別關(guān)注區(qū)域，甚至可以在無需人工干預(yù)的情況下施肥或殺蟲劑。

傳感器陣列

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

本體感覺傳感器

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、加速度計和溫度計，使機器人能夠監(jiān)測其姿態(tài)、運動和溫度。這些傳感器通常與壓力和重量傳感器結(jié)合使用，這對于參與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 大多數(shù)使用電池組作為電動機的電源，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在眾多行業(yè)中得到廣泛使用，但存在安全問題。如果鋰離子電池損壞或充電不正確，可能會導(dǎo)致非常危險的事件，稱為熱失控。準(zhǔn)確的溫度傳感對于電池管理系統(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。

這些傳感器在機器人的維護中也發(fā)揮著有趣的作用。長期監(jiān)控機器人的性能及其組件的能力可以為其狀況提供有價值的見解。例如，溫度的穩(wěn)定上升可能會提醒用戶電機磨損，而操作過程中傾斜角度的變化可能是由于底盤損壞造成的。收集和分析這些數(shù)據(jù)使運營商能夠進行預(yù)先計劃的維護，最大限度地減少停機時間并維持全面服務(wù)。

無源和有源傳感器

在檢測機器人必須移動或運行的環(huán)境時，設(shè)計人員可以選擇主動或被動傳感器。無源傳感器檢測環(huán)境本身產(chǎn)生的能量。這包括電磁能的所有變化，包括可見光和紅外輻射，以及聲音或大氣壓力等物理條件。被動傳感器收集這些信息，機器人將利用這些信息創(chuàng)建周圍條件的模型。

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

主動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)該能量如何與其周圍環(huán)境相互作用的信息。有源傳感器最常見的應(yīng)用是雷達，其中發(fā)射射頻 (RF) 輻射脈沖并測量其反射。脈沖傳播到目標(biāo)并返回所需的時間提供了精確的距離測量。

AMR 使用一系列主動傳感器來進一步增強周圍環(huán)境的模型。光探測和測距（激光雷達）或激光提供了雷達的替代方案，其中射頻傳輸被光取代來檢測物體。盡管基于光的傳感器可能會受到灰塵或霧等大氣條件的影響，但它們提供比雷達更高的分辨率。

理解世界

無論采用哪種傳感器技術(shù)，機器人都會使用一種稱為同步定位和建圖（SLAM）的方法。 SLAM 是一種自動機器人和車輛用來構(gòu)建區(qū)域地圖并同時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中常見的景象，它們將被賦予越來越重要的任務(wù)，而這些任務(wù)必須在沒有監(jiān)督的情況下執(zhí)行。當(dāng)在公共空間或其他可能與人類互動的區(qū)域部署機器人時，主動和被動傳感器都將發(fā)揮關(guān)鍵作用。

結(jié)論

傳感器不僅僅是讓機器人感知和理解周圍環(huán)境的眼睛和耳朵。雖然 AMR 沒有自我意識，但它們的設(shè)計目的是響應(yīng)周圍的環(huán)境、調(diào)整自己的行動并完成分配的任務(wù)。無論設(shè)計人員是在創(chuàng)建 30 分鐘內(nèi)送披薩的機器人，還是最復(fù)雜的搜索救援機器，AMR 中集成的傳感器陣列都將使它們充分發(fā)揮潛力。它們對于機器人的成功至關(guān)重要，因為它們起著檢測自身狀況、監(jiān)控電池健康狀況和維護等關(guān)鍵作用。