【導讀】賦予機器人對于環(huán)境的感知與移動能力，使得機器人能夠更安全、更具機動性，若再結(jié)合人工智能（Artificial Intelligence, AI）技術(shù)，將能使機器人更聰明、更具實用性，使得機器人的未來發(fā)展極具想象空間。本文將為您探討機器人感知與AI技術(shù)的發(fā)展，以及眾多廠商所推出的相關(guān)解決方案。
通過傳感器使機器人能夠感知世界
機器人感知技術(shù)使機器人能夠“看到”、“聽到”這個世界，通過AI技術(shù)，則可使機器人對于所感知的環(huán)境，做出相對應(yīng)的舉動，機器人感知對于機器人在現(xiàn)實環(huán)境中做出決策、計劃和操作至關(guān)重要，其中的相關(guān)應(yīng)用都會涉及到感官數(shù)據(jù)和人工智能／機器學習（AI/ML）技術(shù)。此類應(yīng)用的示例包括障礙物檢測、對象檢測與識別、3D環(huán)境表示、手勢和語音識別、場景理解、道路檢測、車輛檢測、行人檢測、目標跟蹤、人體檢測、環(huán)境變化檢測、活動識別、語義位置分類、對象建模等。
如今，大多數(shù)機器人感知系統(tǒng)都使用機器學習（ML）技術(shù)，從經(jīng)典方法到深度學習方法。無論考慮哪種ML方法，來自傳感器的數(shù)據(jù)都是機器人感知的關(guān)鍵要素。數(shù)據(jù)可以來自單個或多個傳感器，通常安裝在機器人上，但也可以來自基礎(chǔ)設(shè)施或另一個機器人（例如，安裝在附近飛行的無人機上的攝像頭）。
為了對移動機器人進行安全和全面的導航控制，需要部署多套傳感器技術(shù)，包括視覺（ToF）、雷達無線鏈路、慣性測量單元（IMU）形式的完整定位、陀螺儀及其所有相關(guān)應(yīng)用程序、軟件和固件。
機器人的傳感器提供的信息可用于推斷有關(guān)世界、機器人，以及機器人在世界中位置的信息。傳感器可以提供簡單的信息（例如，吸塵機器人上的簡單碰撞傳感器）或豐富、高度復雜的數(shù)據(jù)（例如，RGB-D相機，它提供彩色圖像，以及每個像素的深度估計）。在理想情況下，傳感過程可以使用物理定律（例如，光如何從物體表面反射）或有時使用簡單的幾何學（例如，立體視覺依賴于使用簡單的三角測量來確定到物體的距離）來建模。
提供機器人開發(fā)的完整解決方案
機器人的感知功能主要應(yīng)用于定位和導航，由于環(huán)境不同，所使用的傳感器也不同。像是在室內(nèi)的場景下，大多數(shù)室內(nèi)用機器人面對的地面大多是規(guī)則且平坦的，但是對于戶外用機器人來說，地形往往很不規(guī)則，此外，戶外用機器人也必須應(yīng)對天氣條件，以及光強和光譜的變化。因此，所需使用的傳感器也將有所不同。
要讓機器人能夠“看到”東西，便不得不提3D飛行時間（ToF）技術(shù)。3D ToF是一種無掃描儀LIDAR（光檢測和測距）技術(shù)，通過發(fā)射納秒級的高功率光脈沖來捕獲相關(guān)場景的深度信息（通常是短距離內(nèi)）。
ADI公司在3D ToF技術(shù)上已經(jīng)投入多年，可提供直接實現(xiàn)和提升先進ToF系統(tǒng)和攝像頭功能的行業(yè)領(lǐng)先產(chǎn)品和解決方案，包括高分辨率CMOS成像芯片（100萬像素）、深度計算和處理、激光驅(qū)動器、電源管理，以及開發(fā)工具和軟件／固件，幫助快速實現(xiàn)ToF解決方案。
ADI的3D ToF產(chǎn)品相當完整，包括ADSD3100這款1 MP CMOS，支持ToF的背光傳感器；ADDI9036則是帶可編程時序和V驅(qū)動器的CCD TOF信號處理器。此外，ADI還提供3D ToF開發(fā)平臺，這款模塊化的ToF解決方案基于行業(yè)標準的96Boards平臺構(gòu)建而成，可測量對象的X、Y、Z軸數(shù)據(jù)。ADI公司的原型制作3D ToF平臺可用于軟件和算法開發(fā)，利用該平臺進行硬件設(shè)計，可加快工業(yè)、汽車領(lǐng)域的產(chǎn)品設(shè)計評估和實施。
ADI還推出AD-FXTOF1-EBZ這款3D ToF開發(fā)套件，這是一種景深測量解決方案，非常適合開發(fā)3D計算機視覺系統(tǒng)。它使用VGA CCD，支持以每秒30幀捕獲640x480景深映射場景，進而提供比市場上許多其他TOF系統(tǒng)高4倍的分辨率。ADI另一款A(yù)D-3DSMARTCAM1-PRZ則是一種具有AI邊緣處理能力的2D和3D機器視覺解決方案，它可以用于實現(xiàn)不同工業(yè)細分市場中的先進機器視覺應(yīng)用，包括物流、機器人、農(nóng)業(yè)和人員活動監(jiān)控。
協(xié)作機器人與人共存并協(xié)同工作
以往在工廠中的機器人都是獨立運作，工人必須與機器人保持安全距離，以免發(fā)生碰撞造成傷害。不過，通過機器人感知與AI技術(shù)快速發(fā)展，機器人變得越來越聰明，智能機器和系統(tǒng)已經(jīng)能夠自主地運作，包括以前依賴人力的工作領(lǐng)域。不過，即使在機器人技術(shù)高度發(fā)達的今天，裝配和檢查過程中仍然需要依靠人力進行工作，因此需要使用協(xié)作機器人，來與人共存并協(xié)同工作。
Murata針對機器人設(shè)計領(lǐng)域擁有多樣化的產(chǎn)品線，包括各式各樣的傳感器，像是陀螺儀、加速度計、振動傳感器、溫度傳感器、壓電薄膜傳感器，可以提供滿足機器人設(shè)計所需的各種零部件。
以Murata的振動傳感器為例，可用于機器設(shè)備的預(yù)測性維護，利用陶瓷傳感器特有的寬檢測頻帶的特性，可以檢測旋轉(zhuǎn)設(shè)備振動的微小差異。監(jiān)測振動數(shù)據(jù)的這些變化，可以及早檢測設(shè)備異常情況以進行預(yù)測性維護。振動傳感器支持寬頻率范圍和Z方向傳感，帶驅(qū)動電路，支持差分輸出以降低噪聲，支持溫度傳感，尺寸僅有5.0 x 5.0 x t3.5 mm，在結(jié)構(gòu)上具有7個端子，采用SMD封裝，集成加速度傳感器與熱敏電阻。
Murata的UWB（超寬帶）連接模塊也可應(yīng)用于機器人產(chǎn)品，采用UWB技術(shù)可適用于安全和精確的距離測量，適用于室內(nèi)位置跟蹤和訪問控制等應(yīng)用。目前有Type 2BP與Type 2AB兩種型號。
Type 2BP采用NXP Trimension SR150芯片組，支持UWB 5、9頻道，具有SPI接口與支持3個天線（3D AoA或2D AoA支持），具有嵌入?yún)⒖紩r鐘和睡眠時鐘，以及集成BPF（帶通濾波器）可用于監(jiān)管認證，采用樹脂外模結(jié)合保形屏蔽封裝，符合RoHS標準。
Type 2AB采用Quorvo DW3110/3120芯片組，帶有集成Nordic IC（nRF52840）的無主機模塊，也具有BLE功能，用于喚醒UWB并更新固件，支持USB、UART、SPI、I2C接口，集成3軸傳感器以節(jié)省電池電量，使用CR2032電池，具有嵌入式參考時鐘，采用樹脂外模封裝，符合RoHS標準。
用于工業(yè)自主移動機器人的完整解決方案
傳統(tǒng)的工業(yè)用機器人大多只能固定在特定的位置上工作，但隨著機器人智能感知與AI技術(shù)的發(fā)展，機器人開始擁有自主移動的能力，這也使得機器人應(yīng)用領(lǐng)域從以往的工業(yè)領(lǐng)域，朝向商用、家用領(lǐng)域發(fā)展。
機器人行業(yè)是一個迅速崛起的行業(yè)，具有巨大的優(yōu)勢，但也存在許多潛在的陷阱，必須加以規(guī)避，才能成功駕馭這個瞬息萬變且基本上未開發(fā)的領(lǐng)域。其中需要采用的電子零部件相當多樣，Rohm也針對機器人應(yīng)用推出多種相關(guān)的解決方案。
像是LiDAR和SLAM技術(shù)可使主移動機器人（AMR）和無人機能夠有效地在動態(tài)工業(yè)環(huán)境中導航。因此正確選擇高功率激光二極管，對于LiDAR/SLAM系統(tǒng)的精確性能至關(guān)重要。
Rohm用于AMR和機器人技術(shù)的高功率激光二極管解決方案符合現(xiàn)代LiDAR/SLAM的規(guī)范和限制。這些解決方案包括RLD90QZW5 905 nm、25 W不可見脈沖激光二極管，發(fā)射寬度為70 μm（等效LD的發(fā)射寬度為200 μm）。
在電源應(yīng)用中，Rohm不斷創(chuàng)新并領(lǐng)先于競爭對手發(fā)布突破性產(chǎn)品和解決方案，從開創(chuàng)性的SiC功率模塊和分立器件，到下一代GaN和專有的高效功率技術(shù)。
此外，Rohm還有多種可應(yīng)用于機器人領(lǐng)域的特色產(chǎn)品，包括KX13x加速度計。Rohm的KX132-1211和KX134-1211三軸加速度計，是一款三軸16位加速器，可支持高達±16g (KX132)/±64g (KX134)，并集成了一個用戶可配置的3級ADP（高級數(shù)據(jù)路徑），它由一個低通濾波器、低通／高通濾波器和RMS計算引擎。其他特性包括2x2x0.9mm LGA 12引腳封裝、寬溫度范圍（-40℃至+105℃）、0.5μA待機電流和0.53-239μA工作電流。
Rohm的光學傳感器產(chǎn)品陣容相當豐富，包括高靈敏度、高可靠性光電晶體管、紅外發(fā)光二極管和透射／反射型光遮斷器。另外還有環(huán)境光傳感器和接近傳感器RPR-0521RS，以及傳輸型光電遮斷器、反射型光電傳感器、紅外發(fā)光二極管、光電晶體管、環(huán)境光傳感器IC。
除了標準類型的電機驅(qū)動器之外，Rohm還提供特定于應(yīng)用的電機驅(qū)動器，這些驅(qū)動器在一系列電壓、電流、引腳配置和封裝類型上，具有出色的可靠性和效率，還包括保護電路以進一步提高可靠性和性能。
機器人技術(shù)支持工業(yè)自動化快速發(fā)展
工業(yè)自動化需要仰賴傳感器、遠程控制與機器人技術(shù)，結(jié)合AI與物聯(lián)網(wǎng)（IoT）技術(shù)將是工業(yè)自動化的關(guān)鍵驅(qū)動力，可以在互聯(lián)工廠中持續(xù)監(jiān)控和改進效率和生產(chǎn)力。工業(yè)4.0期待工廠能夠大量生產(chǎn)更加個性化和差異化的產(chǎn)品，并能夠快速改變生產(chǎn)流程，而聯(lián)機能力是實現(xiàn)這一個目標不可或缺的一部分，其中的關(guān)鍵應(yīng)用要求包括網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)、工業(yè)級安全標準、增強范圍、高性能數(shù)據(jù)處理、低功耗藍牙、Thread和Zigbee等通信協(xié)議。
在工業(yè)4.0應(yīng)用中，傳感器是獲取系統(tǒng)信息的重要關(guān)鍵，對系統(tǒng)和流程了解的信息越多，這些系統(tǒng)和流程的運行效率就越高，從而也就越有競爭力。今天的微型、經(jīng)濟高效的無線傳感器正在幫助制造商適應(yīng)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的新時代。這些采用傳感器的系統(tǒng)都有助于做出明智的及時決策，從而優(yōu)化整個制造供應(yīng)鏈，使用藍牙和其他網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的傳感器由于尺寸小和功率需求低，可以安裝在任何地方。
此外，使用世界上最流行的藍牙無線技術(shù)進行準確定位，是當前的新技術(shù)。藍牙測向是基于到達角（AoA）和離開角（AoD）這兩個關(guān)鍵概念，利用了天線在接收（AoA）或發(fā)射（AoD）射頻信號時發(fā)生的角度相移，通過在通信鏈路任一側(cè)使用天線陣列，可以確定相移數(shù)據(jù)，并據(jù)此計算位置。Nordic的nRF5340、nRF52833、nRF52820、nRF52811 SoC是支持藍牙測向的理想方案。
滿足自主移動機器人需求的解決方案
機器視覺是讓機器看得見的關(guān)鍵解決方案，其解決方案便是圖像傳感器。安森美（onsemi）擁有從VGA到45 MP的大多數(shù)圖像傳感器產(chǎn)品，可為機器視覺應(yīng)用提供合適的傳感器。
以AR0234CS圖像傳感器為例，這是一款1/2.6英寸、2Mp CMOS數(shù)字圖像傳感器，具有1920 (H) x 1200 (V)的有源像素陣列。它采用了全新的創(chuàng)新全局快門像素設(shè)計，針對以每秒120幀的全分辨率，可準確快速地捕捉移動場景進行優(yōu)化，該傳感器在低光和明亮場景中都能產(chǎn)生清晰、低噪聲的圖像。
AMR是一種移動機器人，可以在結(jié)構(gòu)化或非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中自主移動，無需持續(xù)的人工指導或干預(yù)。他們配備了傳感器和機載計算機，使他們能夠感知周圍環(huán)境并根據(jù)這些信息做出決定。AMR可以執(zhí)行廣泛的任務(wù)，例如物流、庫存管理、質(zhì)量控制，或參與醫(yī)療應(yīng)用。
AMR可以自主執(zhí)行質(zhì)量控制檢查，減少人工干預(yù)的需要。他們可以使用攝像頭、激光雷達和超聲波傳感器等傳感器來檢測產(chǎn)品中的缺陷或異常。安森美提供一系列成像傳感器、模擬前端（AFE）IC和電源管理IC，可使AMR捕捉高質(zhì)量圖像并執(zhí)行精確測量。
AMR也可以配備傳感器來監(jiān)測環(huán)境條件，例如溫度、濕度和空氣質(zhì)量。他們可以自主收集這些數(shù)據(jù)并將其傳輸?shù)街醒霐?shù)據(jù)庫進行分析。安森美提供一系列傳感器，例如溫度傳感器、濕度傳感器和氣體傳感器，可使AMR準確可靠地監(jiān)測環(huán)境條件。
AMR也越來越多地用于醫(yī)療保健行業(yè)的各種任務(wù)，例如運送醫(yī)療用品、運送患者和協(xié)助手術(shù)。這些機器人依賴于各種傳感器、執(zhí)行器和其他電子零部件才能正常運行，安森美是AMR行業(yè)此類零部件的領(lǐng)先供應(yīng)商之一。
結(jié)語
機器人的智能感知能力，能夠使機器人進行安全的移動和進行全面的導航控制，其中需要部署多套傳感器技術(shù)，并結(jié)合AI算法與其所有相關(guān)應(yīng)用、軟件和固件，才能使機器人實現(xiàn)真正的智能，并能夠與人類協(xié)同工作。本文所介紹的各家廠商的機器人應(yīng)用解決方案，限于篇幅僅能做簡單介紹，若想進一步了解這些產(chǎn)品的特色，請與艾睿電子聯(lián)絡(luò)，以取得更詳細的信息。
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