这些 MEMS 传感器技术正在让机器人更像人

      核心传感元器件是“工业基石”，是工业赖以生存和发展的基础，直接决定重大装备和主机产品的性能、质量（寿命、可靠性、适用工况）。传感器在航空航天领域、机器人领域、智能汽车领域等工业领域都有着广泛的应用。其技术发展总趋势呈现出明显的特点：

      ♦ 产品技术与智能化技术相互融合；

      ♦ 模块化、组合化、集成化技术得到高度重视；

      ♦ 高性能和环保成为行业发展的主题；

      ♦ 广泛采用新材料、新工艺。

      核心传感器的技术发展趋势呈现出智能化、无线化、微型化、集成化、多样化的特点。

      一、工业机器人

      机器人变得越来越智能。除操作程序之外，机器人的输入绝大部分来自所包含的传感器。就像我们自己的五官一样，传感器向机器人提供有关外部世界的信息。举例来说，在工厂，工业机器人需要感测到工人的存在，以避免对工人造成伤害。此外，它们还应该能够检测到异常情况，例如可能造成损坏的剧烈震动。人们已经为科学研究和工程实现设计出种类繁多的传感器，许多传感器可通过电子接口应用在机器人中。

      MEMS传感器是令人惊奇的小器件，大小仅为几平方毫米，通常包含两个芯片：传感器芯片和具有信号处理功能的芯片。传感器芯片通常用来提供运动或压力信息，也可以用作磁性固态传感器。具有信号处理功能的芯片能够将来自传感器的微弱的模拟信号转换为有用信息，并通过一些串行总线传递这些信息。

      MEMS传感器外形小巧、价格实惠，是工业机器人的理想配件。此外，它们的耗电量很低，当采用2V或3V电源时，一个加速度传感器的功耗通常不到10μA。低功耗方案（如低于1μA）还可以通过专用传感器来实现，这些传感器可作为一个运动触发器或篡改探测单元来运行。它们提供的快速唤醒和关闭机制是影响功耗的最重要的参数。

      用专业的术语来解释，传感器其实就是一种检测装置，感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。

      通俗来说，大致分为几步：“感应”信息，“收集”信息，然后“做出”反应。最受关注的人类5大感觉器官，如果用传感器相比拟的话，其归类如下：

      ♦ 视觉——光敏传感器；

      ♦ 听觉——声敏传感器；

      ♦ 嗅觉——气敏传感器；

      ♦ 味觉——化学传感器；

      ♦ 触觉——压敏、温敏、流体传感器。

      按照传感器的用武之地，即检测对象，可以简单将传感器简单分为内外两部分。

      （一）内部传感器

      内部传感器，又称为体内传感器，内传感器和电机、轴等机械部件或机械结构如手臂（Arm）、手腕（Wrist）等安装在一起，主要用于检测机器人各内部系统的状况，如各关节的位置、速度、加速度温度、电机速度、电机载荷、电池电压等，并将所测得的信息作为反馈信息送至控制器，形成闭环控制。

      1.位置（位移）传感器

      直线移动传感器有电位计式传感器和可调变压器两种。角位移传感器有电位计式、可调变压器（旋转变压器）及光电编码器三种，其中光电编码器有增量式编码器和绝对式编码器。增量式编码器一般用于零位不确定的位置伺服控制，绝对式编码器能够得到对应于编码器初始锁定位置的驱动轴瞬时角度值，当设备受到压力时，只要读出每个关节编码器的读数，就能够对伺服控制的给定值进行调整，以防止机器人启动时产生过剧烈的运动。

      2.速度和加速度传感器

      速度传感器有测量平移和旋转运动速度两种，但大多数情况下，只限于测量旋转速度。其利用位移的导数，特别是光电方法让光照射旋转圆盘，检测出旋转频率和脉冲数目，以求出旋转角度。

光栅盘式光电编码器原理

      应变仪即伸缩测量仪，也是一种应力传感器，用于加速度测量。加速度传感器用于测量工业机器人的动态控制信号。一般有由速度测量进行推演、已知质量物体加速度所产生动力，即应用应变仪测量此力进行推演。

      3.力觉传感器

      力觉传感器用于测量两物体之间作用力的3个分量和力矩的3个分量。工业机器人中理想的传感器是黏接在依从部件的半导体应力计。力觉传感器分为金属电阻型、半导体型、其他磁性压力式和利用弦振动原理制作的力觉传感器。

      此外，还有转矩传感器（如用光电传感器测量转矩）、腕力传感器（如国际斯坦福研究所的由6个小型差动变压器组成，能测量作用于腕部X、Y和Z三个方向的动力及各轴动转矩）等。

      近年来工业机器人普遍采用以交流永磁电动机为主的交流伺服系统，对应位置、速度等传感器大量应用的是各种类型的光电编码器、磁编码器和旋转变压器。

      （二）外部传感器

      外部传感器，又称为外界传感器，用于具有校正能力和反应环境变化的能力的新一代机器人（如多关节机器人，特别是移动机器人、智能机器人等）上感知作业对象及外界环境等方面的信息。其是机器人与周围交互工作的信息通道。

      1.触觉传感器

      微型开关是接触传感器最常用型式，另有隔离式双态接触传感器（即双稳态开关半导体电路）、单模拟量传感器、矩阵传感器（压电元件的矩阵传感器、人工皮肤——变电导聚合物、光反射触觉传感器等）。

      2.接近度传感器

      由于机器人的运动速度提高及对物体装卸可能引起损坏等原因需要知道物体在机器人工作场地内存在位置的先验信息以及适当的轨迹规划，所以有必要应用测量接近度的遥感方法。接近传感器分为无源传感器和有源传感器，所以除自然信号源外，还可能需要人工信号的发送器和接收器。

      超声波接近度传感器用于检测物体的存在和测量距离。它不能用于测量小于30~50cm的距离，而测距范围较大，它可用在移动机器人上，也可用于大型机器人的夹手上。还可做成超声导航系统。

      红外线接近度传感器，其体积很小，只有几立方厘米大，因此可以安装在机器人夹手上。

红外发射管和接收管

      3.声波传感器

      用于感测和解释在气体（非接触感受）、液体或固体（接触感受）中的声波。声波传感器可以实现从简单的声波存在检测到复杂的声波频率分析，直到对连续自然语言中单独语音和词汇的辨别。

      接触式或非接触式温度传感器

      ♦ 滑觉传感器

      用于检测物体的滑动。当要求机器人抓住特性未知的物体时，必须确定最适当的握力值，所以要求检测出握力不够时所产生的物体滑动信号。

      目前有利用光学系统的滑觉传感器和利用晶体接收器的滑觉传感器，后者的检测灵敏度与滑动方向无关。

      ♦ 距离传感器

      用于智能移动机器人的距离传感器有红外测距传感器、激光测距仪（兼可测角）、声呐传感器等。

      红外测距传感器和超声波测距传感器

      ♦ ​​​​​​​视觉传感器

      根据运行方式，视觉传感器也可以分为被动式传感器和主动式传感器。被动式传感器是指本身不发出能量，靠捕获外界光线来获得信息的传感器，如CCD；主动式传感器就是那些有自主性的传感器了，它们能发出探测信号（如红外等）。

二维视觉传感器和三维视觉传感器

      （一）传感器精度

      对于智能机器人来说传感器需要有精度高，可靠性高，稳定性好。智能机器人在感知系统的帮助下，自主完成人类指定的工作，如果传感器的精度差，会直接影响机器人的作业质量，如果传感器不稳定或者可靠性不高，很容易导致智能机器人出现故障，轻者导致工作不能正常运行，严重者还会造成严重的事故，因此传感器的可靠性和稳定性是智能机器人对其最今本的要求。

Big Dog机器人对传感器的需求

      （二）抗干扰能力

      由于智能机器人的传感器往往工作在未知的环境中，因此要求传感器具有抗电磁干扰振动灰尘和油垢等恶劣环境下干扰能力。重量轻，体积小同样是机器人上传感器的要求，对于安装在机器人手臂等运动部件上的传感器，重量一定要轻，否则会加大运动部件的损坏，影响机器人的运动性能。对于工作空间受到某种限制的机器人，对体积和安装方向的要求也是必不可少的。

      （三）传感器的安装

      智能机器人的安全问题首先是它的自我保护，另外一方面则是机器人为保护人类安全不受侵犯采取的措施。人类在工作时，总是利用自己的感觉反馈，控制使用肌肉力量不超过骨骼和肌腱的承受能力。同样，机器人在工作过程中，采用力和力矩传感器来检测和控制各构件的受力情况，使各个构件均不超过其受力极限，从而保护构件不被破坏。为了防止机器人和周围物体的碰撞，需要采用各种触觉传感器和接近传感器来防止碰撞。智能机器人的服务对象是人类，为了保护人类免受其害，智能机器人需要传感器来限制自身的行为。

      传感器其实也相当于人类的神经末梢，所以可知，灵敏度与分布的密度有极大的关系。的确如此，因为对灵敏度的高要求，服务机器人必须携带更多的传感器，所以，就牵涉出了未来的重要设计趋势以及重大难题：机器人有限的内部空间和人类对机器人无限感官的期待之间的矛盾。

      在大量现有传感器的基础上，机器人传感技术的未来将向更小、更轻、性价比更高且更易于整合的方向发展。

      当前，智慧工厂主要包括三大架构，分别为物联网、海量资讯、创新服务架构，而这三大架构构筑成的物联网系统(Cyber Physical System)就成为现在智慧工厂的建置主体。

由于自身的自动化水平较高，解决了现在制造业面对生产资源调度与制程弹性化与定制化的两大难题，因此实施智慧工厂相对比较容易。架构智慧工厂概念的三大技术，并非各自独立运作，而是交叉运用相互整合，让制造现场的所有设备均可发挥最大效益。在此系统中，物联网位居第一线，负责数据的采集与少量控制。物联网透过使用大量的MEMS，密集采集特定区域或物件的特定数据，再将数据回传至后端系统，所以物联网被视为继PC与因特网后，再一次改变世界的重要技术。

      在智慧工厂端，物联网成功应用了近年来已然成熟的 3D IC 技术，让感测器内可建入微机电(MEMS)。与流程工业相比，离散制造业首先在底层制造环节由于生产工艺的复杂性，如车、铣、刨、磨、铸、锻、铆、焊对生产设备的智能化要求很高，投资很大。特别是装备制造业、家电、汽车、机械、模具、航空航天、消费电子等产品大都要求产品智能化，设计智能。为了实现智能智慧工厂，企业的生产线和物流需要多种多样的传感器，利用传感器可以实现对数据采集、数据的处理和数据的传输，这些传感器必须能够与互联网或者云端进行信息互通，在此过程中如何更智能地去运行，对将来大数据和工厂自动化的融合至关重要。

工业应用通常会专注于产出高端产品而非高量生产，因此对传感器的需求偏向能在严苛工作环境下可靠、精准且小型的设备。随着机器之间(Machine-to-Machine，M2M)的连结协作越来越精密，传感器的任务也从被动监测，演化成主动探测预防型维护、资产控管与数据分析，协助增加生产效率。在智慧工厂生产流程的领域中，流程控管、流程安全、作业管理与资产利用等系统，皆需要使用传感器来测量、分析与控制系统设置。将多个传感科技与软体分析工具整合，推动生产效能、可靠性与安全的信息传播会变得更快、更准确。

      智慧工厂由四个非常关键的因素组成：一是个性化的需求，小批量生产，二是人机协作，三是信息系统，四是高效生产。

      个性化生产方面，即柔性制造，是通过智能传感器实现的。柔性制造首先就是要实现所有数字透明化，智能传感器可提供所有层次的信息。人机协作方面，安全保护是智能制造里面非常重要的一方面，人在整个自动化设备跟系统里面是非常重要的，所以保护人跟人机协作也是非常重要。这其中，有两个方面是比较关注，一个是静态的安全保护，就是在工厂里面，人在里面走动，而机器相对固定，处于静态的保护。另外一个就是动态安全保护，牵扯到人机协作，需要利用传感器实现导航以及人与机器人的融合应用。

      智慧工厂利用物联网技术加强信息管理和服务，掌握产销流程、提高生产过程的可控性、减少生产线上人工的干预、及时正确地采集生产线数据，以合理的安排生产计划与生产进度，并优化供应链。传感器应用非常广泛，工业生产各个环节都需要传感器进行监测，并把数据反馈给控制中心，以便对出现异常节点进行及时干预，保证工业生产正常进行。业界普遍认为，新一代的智能传感器是智能工业的“心脏”，它让产品生产流程持续运行，并让工作人员远离生产线和设备，保证人身安全和健康。在智慧工厂里，机器和设备将具有提升的自我优化和自主决策的能力。

      MEMS技术让智慧工厂中的传感器小型化、智能化，MEMS传感器将在智慧工厂时代大有可为。MEMS温度、湿度传感器可用于环境条件的检测，MEMS加速度计可以用来监测工业设备的振动和旋转速度。高精度的MEMS加速度计和陀螺仪可以为工业机器人的导航和转动提供精确的位置信息。

      除了上述提到的传感器，智慧工厂中常见的还有气压传感器、加速度传感器、湿度传感器以及指纹传感器等。它们的工作原理虽然各有不同，但最基本的原理都是上述提到的，即通过光波、声波、特殊材料甚至化学原理将待测量转化为电学量，只不过大多都根据特定的领域在一般原理的基础上做了升级和扩展。

      智慧工厂所需要的传感器跟传统的传感器相比，第一，需要有更灵活的接口，传感器不仅要能够在控制器层通信，而且能实现更高数据层的通信。附加的数据或软件系统接口让传感器可以执行新的分析任务及新的功能。这些能力可提高生产的灵活性、质量、效率和透明度，彻底地改变工业金字塔结构。第二，传感器需要有智能的功能。智能传感器提供的数据越紧凑、越实用，整个系统利用数据源的效率也将越高，分析结果也越准确。在内部对数据直接进行预处理、压缩和滤波的智能传感器将完美匹配工业4.0的要求。（转载自：智能传感器网）