在工廠，工業(yè)機器人需要感測到工人的存在，以避免對工人造成傷害。此外，它們還應該能夠檢測到異常情況，例如可能造成損壞的劇烈震動。服務機器人，無論是守衛(wèi)倉庫或作為遠程工作人員的網真裝置，都需要進行自主導航。就像我們用天生的感官一樣，機器人也需要借助傳感器技術使它們變得更智能、使用更安全，同時增加對人類的用途。

 

圖：MEMS傳感器

 

MEMS傳感器是令人驚奇的小器件，大小僅為幾平方毫米，通常包含兩個芯片。一個是傳感器芯片，通常來說MEMS器件提供運動或壓力信息，但它也可以用作磁性固態(tài)傳感器。另一個芯片提供必要的信號處理功能，可將來自傳感器的微弱的模擬信號轉換為有用信息，并通過一些串行總線傳遞這些信息。

 

這些傳感器外形小巧、價格實惠，是機器人的理想配件。它們既小巧又實惠，通常內嵌在智能手機和其它消費電子游戲應用中進行銷售，目前已售出了數億個。此外，它們的耗電量很低。例如，當采用2V或3V電源時，一個加速度傳感器的功耗通常不到10μA；功耗通常是頻率和理想操作點精度之間的一個平衡點。低功耗方案，如低于1μA，還可以通過專用傳感器來實現，這些傳感器可作為一個運動觸發(fā)器或篡改探測單元來運行。它們提供的快速喚醒和關閉機制是影響功耗的最重要的參數。節(jié)能技術將根據應用需求獲取數據點所需的頻率而不斷變化。

 

對于空間受限應用，機器人設計人員還可以選用內置了微控制器和內存的加速度傳感器，通過定制軟件構建微小的系統。由于這些傳感器通常無需其它處理器便能連接其它傳感器，因此經常被稱為傳感器集線器。例如，飛思卡爾XtrinsicMMA9550L提供3x3-mm三軸加速度傳感器和帶有14KB閃存和1.5KBRAM的32位微控制器。當機器人的末梢或手臂部分需要安放傳感器時，飛思卡爾XtrinsicMMA9550L和其它類似器件就非常有用，因為機器人的末梢或手臂部分的空間非常狹小。另一個應用是設計精致小巧的可穿戴式機器人系統，甚至用于內窺鏡檢查醫(yī)療應用的可吞咽機器人膠囊。

 

這類器件上的板載內存和微控制器也可用來實施傳感器通信協議，如IO-Link。這個日益普及的傳感器網絡協議需要約10KB的內存，因此，它可以集成在這個小巧的裝置中，實現全新傳感器節(jié)點的設計和規(guī)格。

 

 

在傳感器系統設計中，下一步是借助您能夠并且應該擁有的所有“感官”，來實現機器人性能目標。這通常被稱為傳感器融合，支持傳感器系統利用各個傳感器的優(yōu)勢生成更準確的數據和更好的產品設計。

 

例如，電子羅盤可指示南/北方向。雖然有人可能認為，讀取地球磁場的磁傳感器足以提供穩(wěn)定的信息，但事實并非如此。磁傳感器的輸出值將隨傳感器向上或向下傾斜而發(fā)生變化，因此需要添加線性運動傳感器（加速度傳感器）來感測傾斜運動，并采用某個三角函數算法補償磁傳感器的讀數。一個好的電子羅盤的設計將采用這兩種傳感器。而更好的系統將把這些傳感器集成在同一個封裝中，從而產生更小的傳感器。例如，飛思卡爾XtrinsicFXOS8700CQ在3x3x1.2-mm的封裝中集成了帶有傾斜補償的地磁場測量，提供了一種簡單的方法將x/y方向集成到任何機器人系統中。

 

又如：無法利用GPS信號的室內定位系統采用WiFi基站三角測量法，在商場或機場內定位用戶的智能手機。該系統的精度可通過添加極小的高度傳感器（如飛思卡爾XtrinsicMPL3115）得以增強。憑借約30厘米（1英尺）的相對高度分辨率，此傳感器能夠輕松地檢測到手機在大樓內向樓上還是樓下移動。這個簡單的信息對于簡化或驗證復雜的三角測量算法非常有用?？词厥彝庠O施的監(jiān)控機器人還需要了解它是向山上還是山下運動，這對機器人的速度和功耗都有影響，也是計算其自主持續(xù)時間需要考慮的重要數據。

 

采用高度計實施的另一個傳感器融合功能是沖擊檢測。在倉庫地面或醫(yī)院大廳四處移動的自主機器人的設計應避免撞到人或物體，但如果發(fā)生碰撞，機器人必須能夠檢測到碰撞?？蓪铀俣葌鞲衅鬟M行編程，使之根據特定“碰撞”標記檢測震動，但這并非萬無一失。在機器人周圍添加了耦合了氣動帶的壓力傳感器后，此系統擁有兩個不同的傳感信息源，可提高“碰撞事件”檢測的精度。

 

 

圖像識別是另一項偉大技術，可幫助自主機器人導航并避開障礙物。當今的視覺系統可識別形狀、物體、甚至人臉。一種移動中的機器人希望創(chuàng)建其周圍環(huán)境的實時3D地圖，以確定任何可能的障礙。

 

只要能見度和光照條件足以使圖像傳感器捕捉足夠的相關數據，照相機就能正常工作。但在室外條件下，視覺系統功能可能會受到雪、霧或其它天氣條件的限制。雷達傳感技術雖然不基于MEMS，但仍然是適當的傳感器融合增補。將視頻圖像處理信息與距離和速度雷達數據相結合，可幫助智能導航算法計算出更精確的數據，并更好地構建機器人周圍環(huán)境的3D地圖。

 

雷達系統主要為自動應用而設計，也可輕松應用于其它系統。它們在77-GHz頻段上運行，并提供非常精確的距離和速度信息，從幾百米的距離到非常近的距離。傳統的系統采用分立式射頻電路和帶有旋轉天線的射頻模塊，以提供3D映像信息。

 

然而，借助150GHz過渡頻率（fT）的超高速晶體管的高性能硅鍺（SiGe）工藝，分立式射頻功能可以整合到芯片上。這能夠實現經濟高效的多頻段射頻芯片組解決方案的設計，支持多信道接線天線，不再需要旋轉天線。高性能射頻工藝、設計專業(yè)知識，再加上數字波束賦形技術和信號處理算法，使雷達系統能夠滿足高容量汽車和機器人應用的尺寸和成本要求。