感測器為機器人帶來安全和控制
作者 : Yulin Wang及Isabel Al-Dhahir，IDTechEx技術分析師
機器人多方面任務的安全和精確控制，是由一套感測器來實現的，例如碰撞檢測、避障和導航。
隨著21世紀對自動化的需求不斷增加，機器人在物流、倉儲、製造和食品配送等眾多行業中的發展速度前所未有。人機互動(Human-Computer Interaction, HCI)、精確控制和人機協作安全是採用自動化的基石。
安全性與機器人的多項功能息息相關，比如碰撞檢測、避障、導航和定位、力量檢測和接近檢測等，所有任務，都由一套感測器來實現，其中包括LiDAR(光學雷達)、成像/視覺感測器(攝影機)、觸覺感測器和超音波感測器。隨著機器視覺技術的進步，攝影機在機器人中變得越來越重要。
機器人中的感測器
電荷耦合元件(CCD)和互補金屬氧化物半導體(CMOS)感測器是最常見的視覺感測器類型。CMOS感測器是一種將每個像素的電荷轉換成相應電壓的數位裝置，通常由放大器、雜訊校正和數位化電路組成。相比之下，CCD感測器是一種包含感光元件陣列的類比裝置。
儘管各有優勢，但隨著CMOS技術的發展，CMOS感測器相較CCD感測器，占用面積更小、成本更低、功耗更低，如今被廣泛認為是最適合機器人機器視覺的選擇。
視覺感測器可用於運動和距離估計、目標識別和定位，與LiDAR和超音波感測器等其他感測器相比，視覺感測器優點在能以更高的畫面解析度收集資訊。
圖1基於九個參照點比較不同的感測器，凸顯視覺傳感器具有高解析度，成本也較低。然而，它們天生就容易受到惡劣天氣和光照的影響；因此，當機器人在天氣不可預測或地形複雜的環境中工作時，通常需要其他感測器來提高整體系統的穩健性。IDTechEx的最新報告《機器人感測器2023-2043：技術、市場和預測》，包括對這些參照點的更詳細分析和比較。
圖1：機器人常用的幾種感測器比較。 (來源：IDTechEx)
用於移動機器人安全的視覺感測器
移動機器人(Mobile robotics)技術是最大的機器人應用之一，主要應用包括自動導引車(AGV)和自主移動機器人(AMR)等，機器人搭載的攝影機，用於目標分類、安全和導航。此外，其自主移動性在許多機器人中也起著重要作用，從送餐機器人到自主農業機器人(例如，割草機)。作為一項固有的複雜任務，自主移動需要避障和碰撞檢測。
深度估計是避障的關鍵步驟之一，該任務需要從視覺感測器收集的單輸入或多輸入紅、綠和藍(RGB)圖像。這些圖像是用於機器視覺演算法重建3D點雲，從而估計障礙物和機器人之間的深度。2023年的這個階段，大多數移動機器人(例如，AGV、AMR、送餐機器人、掃地機器人)仍在室內使用，例如在環境控制良好具有穩定的網路連接和照明的倉庫、工廠、購物中心和餐廳。
因此，攝影機可以發揮最佳性能，機器視覺任務可以在雲端執行，大大降低機器人本身所需的算力，從而降低成本。例如，對於基於網格的AGV，僅需要攝影機來監控地板上的磁條或QR Code。雖然這在當今已被廣泛使用並流行，但對於在Wi-Fi覆蓋範圍有限的區域(例如，樹蔭下)工作的戶外人行道機器人或巡檢機器人來說效果不佳。
為了解決這個問題，攝影機內電腦視覺技術應運而生。顧名思義，影像處理全部在攝影機內進行。由於對戶外機器人的需求不斷增加，IDTechEx認為從長遠來看，攝影機內電腦視覺的需求將越來越大，尤其是那些設計用於在棘手地形和惡劣環境中工作的機器人(例如，探勘機器人)。然而，在短期內，IDTechEx認為機載電腦視覺的功耗特性及晶片的高成本，可能會阻礙其被採用的機會。
IDTechEx認為，許多機器人代工廠(OEM)更願意將其他感測器(例如超音波感測器、LiDAR)作為增強其產品環境感知能力的安全性和穩健性的第一選擇。
改善的檢測範圍、機動性和效率
用於可見光的傳統CMOS檢測器在機器人技術和工業圖像檢測中很普遍；然而，更複雜的圖像傳感器具有廣闊的前景，能提供除簡單獲取RGB強度值之外的性能。目前正大力投入開發低成本圖像感測器技術，這些技術可以檢測超出可見光範圍的光，進入短波長紅外線(SWIR)1,000至2,000nm的範圍。
將波長檢測擴展到SWIR範圍為機器人技術帶來了許多好處，因為它可以區分在可見光範圍內看起來相似或相同的材料。這大大提高了識別準確性，並為更好、更實用的機器人感知鋪平了道路。
除了在更寬的光譜範圍內成像之外，進一步的創新還包括在更大的區域上成像、在每個圖元處獲取光譜資料，以及同時提高時間解析度和動態範圍。在這方面，一項有前途的技術是基於事件的視覺技術。
使用傳統的基於幀的成像，高時間解析度會產生大量的資料，需要計算密集型處理，基於事件的視覺，則透過提出一種全新的獲取光學資訊的思維方式，為這項挑戰提供解方，每個感測器像素回報的時間戳記，將反應出強度的變化。因此，基於事件的視覺，是兼具快速變化的圖像區域更高的時間解析度、大幅減少資料傳輸，並可進行後續處理的技術。
圖2：事件導向的圖像感測器僅藉由響應訊號強度的改變，以提高處理效率。 (來源：IDTechEx)
另一項有前途的創新，是圖像感測器技術的日益小型化，這使得它比以往任何時候都更容易整合到機械臂或機構件中，而不會妨礙運動。這是新興的小型光譜儀市場所針對的應用。在智慧電子元器件和物聯網設備發展的推動下，低成本的微型光譜儀在不同領域的應用越來越廣泛。通過整合可檢測從可見光到SWIR光譜區域的微型光譜儀，可以顯著提高標準可見光感測器的複雜性和功能性。
Fraunhofer的研究人員所構想的未來，是一種重量僅為1克、成本僅為1美金的光譜儀。微型光譜儀有望提供價格低廉的解決方案來提高自主效率，特別是在機器人成像和工業檢測以及消費電子產品中。
(參考原文：Sensors bring safety and control to robotics，by Yulin Wang & Isabel Al-Dhahir)
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