在機器人身上應用的各種傳感器...

2024/05/15

傳感器是基于人體感覺器官的功能而設計的。機器人技術(shù)中的傳感器，是指用于計算機器人狀態(tài)和所處環(huán)境的機械函數(shù)。機器人可以接收到關于其周圍環(huán)境的廣泛數(shù)據(jù)，如位置、大小、方向、速度、距離、溫度、重量、力等。這些信息使機器人能夠在與環(huán)境交互時有效地工作，從而執(zhí)行復雜的工作。

機器人傳感器的工作源于能量轉(zhuǎn)換的原理，也被稱為轉(zhuǎn)導。不同的機器人需要不同的傳感器來獲得控制手段，并在其環(huán)境中靈活響應。

機器人傳感器有很多不同的類型，具體如下：

光傳感器

光傳感器用于探測光，它通常會產(chǎn)生電壓差。機器人光傳感器有兩種類型：光伏電池和光電阻。光伏電池用于將太陽輻射能量轉(zhuǎn)化為電能。當然，這些傳感器通常被用于太陽能機器人的生產(chǎn)。光電阻是用來通過改變光強度調(diào)整電阻，當光線越亮時，電阻就會減小。這些光傳感器通常不貴，所以在機器人上被廣泛應用。

聲音傳感器

聲音傳感器檢測到聲音，并將其轉(zhuǎn)換為電信號。通過應用這種類型的傳感器，機器人可以在聲音中導航，甚至可以創(chuàng)建一種由聲音控制的機器人，去識別和響應特定的聲音或一系列的聲音，以執(zhí)行特定的任務。

溫度傳感器

溫度傳感器用于檢測環(huán)境中的溫度變化。該傳感器主要利用電壓差原理得到溫度變化，從而產(chǎn)生環(huán)境的等效溫度值。有不同類型的溫度傳感器IC（集成電路），包括LM34、TMP37、TMP35、TMP36、LM35等。這些傳感器可以用于在冰川或沙漠等極端天氣條件下工作的機器人。

接觸傳感器

接觸傳感器也被稱為觸覺傳感器。它們的主要功能是檢測機器人中機械手和末端執(zhí)行器關節(jié)的速度、位置、加速度、扭矩或力的變化。這些傳感器需要物理接觸來有效地指導機器人做出相應的行動，這些傳感器在不同的開關中執(zhí)行，如限位開關、按鈕開關和觸覺緩沖開關。接觸傳感器在避障機器人中應用廣泛，一旦檢測到任何障礙物時，它就會向機器人發(fā)送信號，這樣機器人就可以執(zhí)行各種動作，如倒退、轉(zhuǎn)彎或直接停止。

壓力傳感器

壓力傳感器是一種監(jiān)測和調(diào)節(jié)壓力的傳感器，通常采用壓電技術(shù)，因為壓電元件會產(chǎn)生與所受應力成比例的電荷，這種應力通常由壓力引起。壓力傳感器在汽車中用于檢測輪胎壓力或發(fā)動機中的燃燒壓力，也用于工廠調(diào)節(jié)機器中的蒸汽，以及飛機上測量高度和大氣情況。

靜態(tài)力傳感器

這是一種因重力產(chǎn)生的力，是任意兩個物體之間的摩擦力。由于重力，這個力總是存在的。通過測量這個力，可以確定機器人傾斜的程度。這在機器人平衡或確定機器人是在上坡還是在平坦表面上行駛時至關重要。

動態(tài)力傳感器

這是指讓一個物體移動所需的加速度。它是作用在物體上的力，使其改變位置、大小或方向。這個力也依賴于時間。在機器人中，動態(tài)力是由于機械裝置的運動而產(chǎn)生的。通過加速度計測量這個力，可以知道機器人移動的速度/速率。

接近傳感器

在機器人技術(shù)中，接近傳感器用于檢測靠近機器人的物體，并測量機器人與特定物體之間的距離，而無需進行物理接觸。這是可能的，因為傳感器使用磁場來感應物體。接近傳感器分為光敏電阻、紅外收發(fā)器和超聲波傳感器。

傾斜傳感器

這種傳感器在機器人中用于測量相對于水平面的傾斜角度，用于檢測傾斜度或方向。它們功耗低、體積小、易于使用且價格低廉。這些傳感器類型用于服務機器人，機器人用腿或輪子移動時，每秒鐘要測量幾次傾斜度，以確保保持恒定的位置。

加速度傳感器

加速度傳感器用于測量加速度和傾斜度。加速度計是一種用于測量靜態(tài)或動態(tài)加速度的裝置。傳感器提供基于特定時間單一或多個方向的加速度讀數(shù)。加速度計有多種配置，因此要考慮帶寬、靈敏度、軸數(shù)（1-3）和輸出信號類型（模擬或數(shù)字），選擇適合機器人的配置非常重要。

陀螺儀

陀螺儀是測量旋轉(zhuǎn)速度的裝置。在機器人中，它們在穩(wěn)定駕駛機器人或測量航向或傾斜度方面特別有用。這是通過對速率測量值進行積分以獲得總角位移測量值來實現(xiàn)的。因此，陀螺儀可用于機器人的平衡，并可以通過編程知道機器人是否翻倒。三種常用的陀螺儀是單軸陀螺儀、三軸陀螺儀和IMU。

慣性測量單元（IMU）

這是一種測量和顯示加速度、角速度、方向和其他重力的電子裝置。它由3個加速度計、3個陀螺儀和3個磁力計組成（取決于航向要求）。IMU用于操縱現(xiàn)代交通工具，如飛機、導彈、無人駕駛飛行器、衛(wèi)星等。在導航系統(tǒng)中，IMU提供的數(shù)據(jù)被輸入處理器，計算出高度、位置和速度。

電壓傳感器

電壓傳感器是一種可以固定在機器或電子設備上無線裝置。它們提供持續(xù)監(jiān)控，尋找可能表明問題的電壓數(shù)據(jù)。極高或極低的電壓會危及財產(chǎn)或表明可能存在問題。當閾值被突破時，警報會迅速傳送到中央計算機系統(tǒng)。

電流傳感器

這個裝置監(jiān)測流經(jīng)導線的電流，并產(chǎn)生與該電流相對應的信號。這個產(chǎn)生的信號可以是數(shù)字輸出或模擬電壓。然后，該信號可用于控制設備，可以存儲在數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)中供進一步分析，或在電流表中顯示測量的電流。

紅外(IR)收發(fā)器

紅外(IR)收發(fā)器或傳感器測量并檢測其環(huán)境中的紅外輻射。紅外傳感器可以是有源的，也可以是無源的。有源紅外傳感器通過發(fā)光二極管(LED)和接收器發(fā)射和檢測紅外輻射，通常用于機器人障礙物監(jiān)測。無源紅外(PIR)傳感器僅檢測紅外輻射，而不從LED發(fā)射紅外光，主要用于運動的檢測。

超聲波傳感器

超聲波傳感器是一種通過發(fā)射超聲波來測量特定對象的距離并將反射的聲音轉(zhuǎn)換為電信號的設備。超聲波傳感器向物體發(fā)射聲波，并通過檢測反射波來確定其距離，因此主要用作接近傳感器，用于機器人障礙物監(jiān)測系統(tǒng)和防碰撞安全系統(tǒng)。

距離傳感器

距離傳感器用于確定一個物體與另一個物體之間的距離，而不需要任何物理接觸。距離傳感器的工作原理是發(fā)射一個信號，然后測量信號返回時的差值。根據(jù)技術(shù)的不同，該信號可以是紅外線、LED或超聲波，這就是距離傳感器通常與超聲波傳感器相關聯(lián)的原因。

超聲波距離傳感器

超聲波距離傳感器是一種使用高頻聲波測量物體距離的工具。超聲波傳感器的工作原理是發(fā)射比人類能聽到的頻率高得多的聲波，然后等待聲音被反射。測量超聲波發(fā)送和中繼之間的時間間隔，并根據(jù)聲速進行計算，這就是傳感器確定目標距離的方式。

紅外距離傳感器

紅外(IR)距離傳感器通過發(fā)射紅外波，基于反射光束的角度，采用三角測量原理測量距離。紅外LED發(fā)射透鏡投射光束，位置敏感光電探測器(PSD)顯示反射光束。

激光測距傳感器

激光測距傳感器使用來自激光器的光波而不是無線電波或聲波來測量目標物體的距離。傳感器上的發(fā)射器向目標物體發(fā)射激光，然后目標物體反射激光脈沖。然后利用光速和發(fā)送/接收信號之間的時間的相關性來計算距離。

立體攝像頭

立體攝像頭是一種將嘈雜的視頻信號過濾成系統(tǒng)數(shù)據(jù)集的技術(shù)和方法，這些數(shù)據(jù)集被處理成可應用的符號抽象或?qū)ο蟆Ｔ诟鼜V泛的機器視覺和計算機視覺領域中，立體攝像頭是其中的一種應用方法。它的應用需要使用兩個具有確定的物理關系的攝像頭（即攝像頭可以看到的公共視場，以及它們在物理空間中的焦點之間的距離）。該系統(tǒng)可用于通過三角測量來感知物體的距離。立體圖像處理技術(shù)用于機器人控制和感測、移動機器人導航和外星球陸地漫游器。簡而言之，攝像頭使機器人能夠?qū)崟r感知環(huán)境，從而在流程自動化中實現(xiàn)視覺導航機器人應用。

導航/定位傳感器

這些傳感器有助于精確確定物體在空間中的位置。定位中使用的技術(shù)范圍從米級精度的全球覆蓋，到亞毫米級精度的工作區(qū)覆蓋。導航傳感器提供了確定期望位置和當前位置的能力，并對方向、速度和路線進行校正，以到達世界上任何地方的期望位置。在機器人中，導航和定位是自主移動機器人的主要任務。除了GPS，其他常見的導航方式還有視覺導航和仿生導航。

全球定位系統(tǒng)(GPS)

GPS是一種基于空間的無線電導航系統(tǒng)。它由發(fā)射導航信號的衛(wèi)星和用于控制和監(jiān)測的衛(wèi)星控制站和地面站網(wǎng)絡組成。它不需要用戶傳輸任何數(shù)據(jù)，獨立運行，無需任何互聯(lián)網(wǎng)或電話接收。在機器人中，GPS用于幫助機器人進行長距離定位和導航。機器人比較其GPS數(shù)據(jù)和目標的GPS數(shù)據(jù)，以獲得兩者之間的相對位置，這有助于引導后續(xù)的運動方向。這意味著這種機器人是自動駕駛的車輛，不需要操作員來完成任務和導航。

數(shù)字磁羅盤

這是一種導航設備，能夠顯示相對于地球表面的參考方向，可以作為機器人導航周圍環(huán)境的有價值的傳感器。它與地球磁場對齊，包括一個通常標記北極的磁化指針和一個在軸上自由移動的磁化針或磁化棒。從數(shù)字上來說，指南針根據(jù)地球磁場為機器人導航提供測量結(jié)果。主要的機器人應用包括移動機器人的運動控制和航向檢測。因此，這是自主機器人系統(tǒng)如何導航的重要原則的一部分。

傳感器融合

將來自各種雷達、激光雷達和攝像頭的數(shù)據(jù)結(jié)合起來，以創(chuàng)建車輛周圍區(qū)域的單一模型或圖像的能力被稱為傳感器融合。由于平衡了各種傳感器的強度，所得到的模型更加精確。通過傳感器融合獲得的數(shù)據(jù)可以被車輛系統(tǒng)用來實現(xiàn)更智能的行為。利用軟件算法，傳感器融合結(jié)合來自不同類型傳感器的數(shù)據(jù)，以產(chǎn)生最完整和最準確的環(huán)境模型。