傳感器在機(jī)器人領(lǐng)域的應(yīng)用研究

張沖

（河南科技大學(xué)，河南洛陽，471000）

0 引言

目前，機(jī)器人正逐漸成為人類生產(chǎn)生活中的重要工具，機(jī)器人的高效、精準(zhǔn)和智能，離不開傳感器的全方位支持，正是因?yàn)橛辛藗鞲衅?，機(jī)器人才能夠感知和理解周圍的環(huán)境，才能夠與外部世界進(jìn)行有效互動，并自主完成各種復(fù)雜任務(wù)。但是，隨著對機(jī)器人性能要求的不斷提高，對傳感器的要求也隨之增多，這既帶來巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)，也帶來無限的創(chuàng)新機(jī)會。本文將對傳感器在機(jī)器人領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行深入探討，分析其在不同場景中的關(guān)鍵作用，同時(shí)探索其未來的發(fā)展趨勢，希望為廣大讀者帶來參考和啟示。

1 傳感器簡介

1.1 傳感器的定義和構(gòu)成

國家標(biāo)準(zhǔn)《傳感器通用術(shù)語》（GB/T 7665-2005）[1]對傳感器的定義是：能感受被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。

敏感元件是指傳感器中能直接感受（或響應(yīng)）被測量的部分，轉(zhuǎn)換元件指傳感器中能將敏感元件感受（或響應(yīng)）的被測量轉(zhuǎn)換成適于傳輸或測量的電信號部分。由于傳感器輸出信號一般都很微弱，因此傳感器輸出的信號一般需要進(jìn)行信號調(diào)理與轉(zhuǎn)換、放大、運(yùn)算與調(diào)制，之后才能進(jìn)行顯示和參與控制[2]。

1.2 機(jī)器人領(lǐng)域傳感器的分類

機(jī)器人上傳感器是指機(jī)器人將對內(nèi)外環(huán)境感知的物理量變換為電量輸出的裝置，一般分為內(nèi)部傳感器和外部傳感器[3]。

內(nèi)部傳感器包括速度傳感器、加速度傳感器、位置傳感器和振動傳感器等，用來感知和監(jiān)測機(jī)器人自身的狀態(tài)參數(shù)，以調(diào)整并控制機(jī)器人的運(yùn)動[3]，如機(jī)器人的運(yùn)行速度、所處位置信息檢測等。

外部傳感器包括距離傳感器、力覺傳感器、聽覺傳感器、溫度傳感器、物體識別傳感器和氣壓傳感器等，用來檢測機(jī)器人周邊環(huán)境、目標(biāo)的狀態(tài)特征等，使機(jī)器人根據(jù)不同的環(huán)境信息進(jìn)行自動校正和自適應(yīng)調(diào)整，如機(jī)器人躲避障礙、規(guī)劃路線等[3]。

2 基于機(jī)器人導(dǎo)航認(rèn)識傳感器在機(jī)器人領(lǐng)域的重要性

自主導(dǎo)航是機(jī)器人的重要功能，機(jī)器人主要依賴傳感器、環(huán)境感知技術(shù)、定位技術(shù)和地圖構(gòu)建技術(shù)等多種技術(shù)來實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航，可見，傳感器是機(jī)器人導(dǎo)航中非常重要的一環(huán)。

2.1 傳感器增強(qiáng)機(jī)器人的能力

傳感器為機(jī)器人提供了一系列的功能，如導(dǎo)航、避障、圖文識別和抓取物體等。首先，傳感器幫助機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了自主導(dǎo)航，借助于傳感器收集的數(shù)據(jù)，機(jī)器人可以知道自己在環(huán)境中的位置，并能夠規(guī)劃出通往目標(biāo)的路徑[4]。此外，傳感器還允許機(jī)器人識別和避免路徑中的障礙物，確保其在移動過程中的安全。在抓取和操作物體的任務(wù)中，傳感器則提供了物體的形狀、大小和位置等信息，從而指導(dǎo)機(jī)器人準(zhǔn)確地抓取和使用物體。機(jī)器人的環(huán)境感知、姿態(tài)控制以及與人的安全互動等功能也都離不開傳感器的支持。

2.2 傳感器在機(jī)器人導(dǎo)航中的應(yīng)用實(shí)驗(yàn)

本文設(shè)計(jì)并實(shí)施了激光雷達(dá)在機(jī)器人導(dǎo)航中使用與否的對照實(shí)驗(yàn)，對使用和不使用激光雷達(dá)的機(jī)器人在導(dǎo)航任務(wù)中的表現(xiàn)進(jìn)行比較，驗(yàn)證激光雷達(dá)在機(jī)器人導(dǎo)航中的作用。

2.2.1 實(shí)驗(yàn)步驟

（1）實(shí)驗(yàn)設(shè)置

使用一臺具備激光雷達(dá)的移動機(jī)器人A和一臺沒有激光雷達(dá)的移動機(jī)器人B；在實(shí)驗(yàn)環(huán)境中設(shè)置一條充滿障礙物的路徑，包括墻壁、家具等；使用相同的導(dǎo)航算法和控制策略。

（2）數(shù)據(jù)采集

啟動機(jī)器人A和B，使其開始在路徑上移動，并記錄其位置數(shù)據(jù)。機(jī)器人A使用激光雷達(dá)傳感器獲取周圍環(huán)境的距離和形狀信息，并構(gòu)建環(huán)境地圖；機(jī)器人B沒有激光雷達(dá)傳感器，無法獲取詳細(xì)的環(huán)境信息。

（3）結(jié)果分析

對比機(jī)器人A 和B 在任務(wù)中的導(dǎo)航能力，分析引起能力差異的原因；從環(huán)境感知、路徑規(guī)劃和避障等方面分析激光雷達(dá)在機(jī)器人A 導(dǎo)航中的作用。

2.2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

（1）完成路徑所需時(shí)間：機(jī)器人A使用激光雷達(dá)，完成路徑耗時(shí)5分鐘；機(jī)器人B沒有激光雷達(dá)，耗時(shí)15分鐘。

（2）路徑規(guī)劃的準(zhǔn)確性：機(jī)器人A能夠準(zhǔn)確地遵循路徑規(guī)劃，到達(dá)預(yù)定目標(biāo)；機(jī)器人B由于沒有詳細(xì)的環(huán)境信息，偶爾會偏離路徑或碰到障礙物。

（3）避障能力：機(jī)器人A通過激光雷達(dá)，能夠選擇安全路徑，成功避開障礙物，且在遇到狹窄通道和復(fù)雜環(huán)境時(shí)表現(xiàn)良好；機(jī)器人B沒有激光雷達(dá)，避障能力較差，容易碰撞到障礙物。

2.2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

激光雷達(dá)在機(jī)器人導(dǎo)航中發(fā)揮了重要作用，通過提供詳細(xì)的環(huán)境感知信息，使機(jī)器人能夠更準(zhǔn)確地定位、構(gòu)建地圖、規(guī)劃路徑以及避開障礙物，從而提高導(dǎo)航性能和安全性。

3 傳感器在機(jī)器人領(lǐng)域應(yīng)用實(shí)例

機(jī)器人的種類很多，分巡檢、搬運(yùn)、醫(yī)療、清潔和特種機(jī)器人等，傳感器在機(jī)器人領(lǐng)域的應(yīng)用非常廣泛，包括定位與導(dǎo)航、環(huán)境感知、物體檢測與識別、觸覺反饋、姿態(tài)控制等5 個方面。每臺機(jī)器人一般都要配備環(huán)境感知和導(dǎo)航定位傳感器，有些機(jī)器人會全部配備5 個方面的傳感器，這些配套的多個多類傳感器的協(xié)同運(yùn)用和傳感融合非常重要。

3.1 定位與導(dǎo)航方面

Waymo 是Google 旗下的自動駕駛汽車公司，Waymo公司利用激光雷達(dá)、攝像頭等多種傳感器來獲取周圍環(huán)境數(shù)據(jù)，并使用這些數(shù)據(jù)進(jìn)行高精度定位與導(dǎo)航。激光雷達(dá)可以測量車輛周圍物體的位置及其與車輛的距離，攝像頭可以識別交通標(biāo)志和標(biāo)線，而雷達(dá)可以探測障礙物。Waymo 的自動駕駛汽車通過實(shí)時(shí)分析這些傳感器數(shù)據(jù)，結(jié)合地圖和路徑規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)了精確定位與導(dǎo)航。

3.2 環(huán)境感知方面

木蟻機(jī)器人（Mooe Robot）是中國知名的無人駕駛叉車公司，公司利用激光雷達(dá)和視覺傳感器等多種傳感器來感知倉庫內(nèi)的環(huán)境。激光雷達(dá)可以提供有關(guān)周圍障礙物的距離和形狀信息，視覺傳感器可以識別貨物、貨架和其他機(jī)器人。通過綜合分析這些傳感器數(shù)據(jù)，木蟻機(jī)器人的無人叉車可以規(guī)劃最佳路徑，避免碰撞或與其他機(jī)器人進(jìn)行協(xié)作。

3.3 物體檢測與識別方面

ABB 公司利用視覺傳感器和深度相機(jī)等傳感器來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人對物體的檢測與識別，這些傳感器可以捕捉環(huán)境中物體的外觀和位置信息，利用機(jī)器學(xué)習(xí)和計(jì)算機(jī)視覺算法，ABB 公司的機(jī)器人可以對物體進(jìn)行識別和分類，并根據(jù)需要執(zhí)行相應(yīng)的任務(wù)，比如自動裝配和質(zhì)量檢查等。常用的視覺和環(huán)境感知傳感器為攝像頭、雷達(dá)（毫米波、激光、超聲波等）、紅外傳感器、全球定位系統(tǒng)（GPS）、慣性測量單元（IMU）等，其中攝像頭包括普通單目攝像頭與雙目深度攝像頭。

3.4 觸覺反饋方面

軟銀機(jī)器人（SoftBank Robotics）公司的機(jī)器人配備了觸覺傳感器陣列，可以感知人體接觸和力度，這種觸覺反饋能夠讓機(jī)器人更好地與人類進(jìn)行交互，提供更加人性化的服務(wù)和支持。例如，在抓取物體時(shí)，機(jī)器人可以感知到物體的形狀和硬度，并相應(yīng)地調(diào)整抓取力度，以實(shí)現(xiàn)更精確的操作。

3.5 姿態(tài)控制方面

波士頓動力（Boston Dynamics）公司開發(fā)的機(jī)器人Atlas 配備了先進(jìn)的慣性導(dǎo)航傳感器，包括加速度計(jì)、陀螺儀和磁羅盤等，這些傳感器可以測量機(jī)器人的加速度、角速度和方向，從而實(shí)現(xiàn)對機(jī)器人姿態(tài)的精確控制。通過對傳感器數(shù)據(jù)的分析和反饋，Atlas 能夠?qū)崿F(xiàn)高度穩(wěn)定的姿態(tài)控制，執(zhí)行各種復(fù)雜的運(yùn)動任務(wù)，如跳躍、行走和爬行等。

4 國內(nèi)機(jī)器人領(lǐng)域傳感器面臨的挑戰(zhàn)

目前，國內(nèi)傳感器在機(jī)器人應(yīng)用中面臨一些難點(diǎn)，常見的挑戰(zhàn)及可能的解決方法如下:

4.1 精度和穩(wěn)定性

許多傳感器需要高精度高穩(wěn)定性來提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。然而，在惡劣環(huán)境下，如溫、濕度變化或電磁干擾等，傳感器的性能可能會受到影響。解決方法包括：優(yōu)化傳感器設(shè)計(jì)，提高抗干擾能力；使用溫度和濕度補(bǔ)償技術(shù)來校正傳感器輸出；引入機(jī)器學(xué)習(xí)算法來預(yù)測和糾正傳感器數(shù)據(jù)誤差。

4.2 多模態(tài)融合

在機(jī)器人應(yīng)用中，通常需要使用多個多類傳感器來獲取不同類型的數(shù)據(jù)，然而，將多個多類傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行有效融合和集成是一個挑戰(zhàn)。解決方法包括：開發(fā)適應(yīng)性強(qiáng)的融合算法，將不同傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，提高感知的全面性和準(zhǔn)確性；設(shè)計(jì)合理的數(shù)據(jù)處理流程，包括數(shù)據(jù)預(yù)處理、特征提取和決策推理等步驟，以最大程度地利用各傳感器的信息[5]。

4.3 功耗和尺寸

對于移動機(jī)器人來說，功耗和尺寸是關(guān)鍵的考慮因素。傳統(tǒng)的高性能傳感器往往功耗較高，尺寸較大，不適合嵌入式應(yīng)用。解決方法包括：開發(fā)低功耗的傳感器芯片和集成電路，減少傳感器功耗和尺寸；探索新型的納米材料和微納技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)傳感器小型化和低功耗化。

4.4 數(shù)據(jù)處理和算法開發(fā)

傳感器產(chǎn)生的原始數(shù)據(jù)通常需要進(jìn)行復(fù)雜的處理和分析才能提取有用的信息，這對于資源受限的嵌入式系統(tǒng)是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。解決方法包括：開發(fā)高效的數(shù)據(jù)處理算法，如數(shù)據(jù)壓縮、降噪和特征提取等；將部分?jǐn)?shù)據(jù)處理任務(wù)卸載到云端進(jìn)行，通過云計(jì)算提供更強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力。

5 機(jī)器人領(lǐng)域傳感器的發(fā)展方向展望

未來，機(jī)器人需要更加敏銳的感知能力和控制能力來完成更加復(fù)雜和精細(xì)的任務(wù)，所以對傳感器的要求將會越來越高。未來幾年，預(yù)計(jì)機(jī)器人領(lǐng)域傳感器會有以下幾個發(fā)展方向：

5.1 集成化

過去，每個傳感器基本只具備單一功能，隨著機(jī)器人對于傳感器多元化需求的不斷增加，其集成化趨勢也愈發(fā)凸顯,集成化的傳感器可以同時(shí)感知不同環(huán)境信息，獲取和傳輸多種數(shù)據(jù)，能夠展現(xiàn)出更高的作用和價(jià)值。

同時(shí)，隨著傳感器的集成和新材料的應(yīng)用，制造商可以制造更小的傳感器，其性能可以與毫米級和微波級的電子元器件一樣高，并且隨著硅用量的減少，成本將大幅降低。集成化后，傳感器的能耗將大幅降低，并為機(jī)器人釋放更多空間，機(jī)器人的功能將更加強(qiáng)大。

5.2 智能化

當(dāng)前，在人工智能的催動下，智慧醫(yī)療、智能交通、智能家居、智能安防等概念紛紛走向落地，機(jī)器人也愈發(fā)智能化，在此背景下，作為機(jī)器人的重要組成部件，傳感器智能化也將是大勢所趨。

傳感器的智能化，主要表現(xiàn)在自主感知、自主決策、快速響應(yīng)等方面能力的升級和增強(qiáng)，同時(shí)與人之間也建立流暢的交互。智能傳感器能夠與機(jī)器人業(yè)態(tài)相融合，為各領(lǐng)域的機(jī)器人智能化應(yīng)用提供堅(jiān)實(shí)支撐，現(xiàn)階段，我國已經(jīng)初步形成智能傳感器產(chǎn)品體系，未來有待進(jìn)一步發(fā)展。

5.3 高精度

隨著機(jī)器人應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，未來的傳感器將更加精細(xì)化和高精度化，能夠?qū)崿F(xiàn)微小動作的感知和反應(yīng)。例如，在工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域，需要高精度的位置傳感器和速度傳感器來實(shí)現(xiàn)高精度的加工和裝配任務(wù)；在醫(yī)療機(jī)器人領(lǐng)域，需要更精準(zhǔn)、更可靠的傳感器來完成如血管疏通、胃腸手術(shù)等高精度手術(shù)。

5.4 柔性化

柔性傳感器是指采用柔性材料制成的傳感器，具有良好的柔韌性、延展性，可以自由彎曲甚至折疊[6]。柔性傳感器采用了柔性基板，通常采用聚酰亞胺、聚酯、聚二甲基硅氧烷等材料制成，由于靈活性和柔韌性，柔性傳感器可以根據(jù)機(jī)器人應(yīng)用場景任意布置，能夠非常方便地對復(fù)雜的被測量進(jìn)行檢測。

在機(jī)器人領(lǐng)域，柔性傳感器主要用作觸覺傳感器（如電子皮膚）、壓力傳感器、氣體傳感器和濕度傳感器等。電子皮膚的基本特征是將各種電子元器件集成在柔性基板之上從而形成皮膚狀的電路板，像皮膚一樣具有很高的柔韌性和彈性[6]。電子皮膚能賦予機(jī)器人類似人類皮膚的敏感性，以及觸覺、視覺、聽覺和嗅覺等感知能力，可廣泛應(yīng)用于手術(shù)機(jī)器人領(lǐng)域，醫(yī)生佩戴電子皮膚可使手術(shù)機(jī)器人獲取實(shí)時(shí)信息，讓手術(shù)更精準(zhǔn)。目前，我國的機(jī)器人柔性傳感器仍處于早期開發(fā)階段，未來，柔性傳感器將擁有更多創(chuàng)新應(yīng)用。

6 結(jié)束語

傳感器是機(jī)器人的重要部件，能幫助機(jī)器人實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航、圖文識別、避障和交互等。隨著機(jī)器人的發(fā)展，傳感器也面臨巨大的挑戰(zhàn)和技術(shù)創(chuàng)新，如精度和穩(wěn)定性、多模態(tài)融合、功耗和尺寸、數(shù)據(jù)處理和算法開發(fā)等，傳感器的未來發(fā)展方向是集成化、智能化、高精度和柔性化。只要我們持續(xù)投入研發(fā)，相信在不遠(yuǎn)的未來，傳感器將為機(jī)器人領(lǐng)域帶來革命性的變化。