機械人的五官

 機械人的五官

何 謂傳感器呢？以人類來比喻機械人的話，傳感器正是人類的五官。過去數(shù)十年機械人技術(shù)進步神速，有自主性、具備簡單思考能力的機械人陸續(xù)出現(xiàn)。雖然如此，但 這些機械人若要懂得自己決定執(zhí)行何種任務(wù)，和如何執(zhí)行任務(wù)，那還須先對自己的處境完全了解才行，這正是自動控制的概念（詳情可參閱第88期《今日校 園》）。而傳感器在自動控制系統(tǒng)是不可或缺的一部份，因此近年傳感器的重要性日漸提高。部份工程學(xué)院更將機械人感測技術(shù)列作獨立學(xué)科。

傳感器的應(yīng)用

機 械人工程師的其中一個夢想，是造出跟人類一樣靈活的兩足機械人。大家有沒有想過一個兩足機械人究竟需要多少個感應(yīng)裝置來達成平衡身體的目的呢？以筆者喜愛 的ASIMO機械人為例，它包括關(guān)節(jié)角度傳感器（Joint-angle sensor）、六軸力度傳感器（6-axis force sensor）、加速度傳感器（Acceleration sensor）和回轉(zhuǎn)儀（Gyroscope，即陀螺儀）等等。關(guān)節(jié)角度傳感器用來辨認關(guān)節(jié)在各個時刻的位置。六軸力度傳感器安裝在手腕和腳腕，手腕的感 應(yīng)器用來感應(yīng)手部的移動方向和力度，腿部的傳感器配合攝影機拍攝得來的映像，決定ASIMO的下一個腳步的位置和方向。加速度傳感器及回轉(zhuǎn)儀用來感應(yīng)身驅(qū) 傾斜和加速的程度以平衡身體。

不 要以為只有兩足機械人的感測系統(tǒng)才這么復(fù)雜，看看美國太空總署火星探測計劃的「勇氣號」和「機遇號」號探測車便會明白。由于兩部探測車需要在火星變化多端 的氣候和地勢下自動執(zhí)行科學(xué)任務(wù)，因此需要在探測車上安裝兩類感應(yīng)裝置。一種是導(dǎo)航及定位系統(tǒng)，包括導(dǎo)航攝像機、避危攝像機、慣性量測裝置 （Inertial measurement unit）和距離傳感器。另一種是科學(xué)考察用傳感系統(tǒng)，有全景照相機（Panoramic Camera）、顯微成像器（Microscopic Imager）、微型熱發(fā)射分光計（Miniature Thermal Emission Spectrometer, Mini-TES）、穆斯堡爾分光計（Mossbauer Spectrometer）、α質(zhì)子X射線分光計（Alpha Particle X-Ray Spectrometer）和磁數(shù)組（Magnet Array）。

以 上例子證明，傳感器對于需要應(yīng)付多重任務(wù)的機械人是何等重要。跟人類不同的是，機械人傳感器不但用來了解外面的世界，同時亦用來了解機械人的內(nèi)部運作情 況。再加上機械人始終不及人類的器官精密細致，往往需要設(shè)計個別的傳感器，針對性地偵測某種訊號，因此機械人的感應(yīng)裝置十分多元化。簡單來說可分為內(nèi)部和 外部傳感器。

內(nèi)部傳感器

以 機械工程的角度來看，機械人就像一具以關(guān)節(jié)將多個肢體互相連接起來的活動裝置，每個關(guān)節(jié)由傳動裝置（Actuators）推動連系著的兩個肢體，來改變它 們的位置或狀態(tài)。內(nèi)部傳感器（又稱「本體感受器」Proprioceptor）正是用來測量機械人的運動和動態(tài)參數(shù)，讓機械人的控制系統(tǒng)決定各個傳動裝置 該如何驅(qū)動每個關(guān)節(jié)，從而做出所要求的動作。運動參數(shù)包括關(guān)節(jié)位置、速度和加速度；動態(tài)參數(shù)則包括力度、轉(zhuǎn)矩（Torque）和慣性。組件包括電位計、同 步分析器、編碼器、變量差動變壓器、感應(yīng)同步器等。

外部傳感器

外 部傳感器又可稱為外受器（Exteroceptor），是相對于內(nèi)部傳感器而言，探測機械人所身處環(huán)境的狀況。外部傳感器又可分為接觸式傳感器 （Contact sensor）、近距傳感器（Proximity sensor）和遠距傳感器（“Far away” sensor）。右圖 : ?對值編碼器 (Absolute shaft encoder)

接觸式傳感器

接 觸式傳感器又可視為末端傳動裝置傳感器，因為這種傳感器通常安裝在機械人的傳動裝置如手、腳等執(zhí)行裝置。接觸式傳感器主要有兩種用途：測量末端傳動裝置施 加于被抓對象的力度/轉(zhuǎn)矩，例如測力器（Load cell）和應(yīng)變計（Strain gage）；另外是透過觸覺（Tactile）來收集被接觸物的相關(guān)數(shù)據(jù)，例如傳導(dǎo)彈性體（Conductive elastomer）、壓阻效應(yīng)、電容和光電傳感器。

各種測力器

近距傳感器

近距傳感器（Proximity Sensor）是針對避開對象或探測正在接近機械人的外界物件。近距傳感器依照其運作原理，可分為磁敏（探測具磁性的物體）、電容（探測固體或液體）、超聲波和光學(xué)（透過發(fā)射脈沖并接收反射回機械人的訊號來探測對象）傳感器。

遠距傳感器

遠 距傳感器可分為兩類：范圍檢測（Range sensing）傳感器量度機械人工作范圍內(nèi)與其他物體的距離，通常應(yīng)用于機械人巡邏、避開障礙物和彌補單目視覺（Monocular vision）機械人的視覺缺憾。范圍檢測傳感器共有兩種：飛行時間（Time-of-flight）傳感器會向目標發(fā)射脈沖，然后測量脈沖接觸到目標和 返回傳感器所需的時間，聲納和激光測距器都屬這一類；而三角測量（Triangulation）傳感器，就根據(jù)簡單的三角數(shù)學(xué)方法（相信高中生也懂得固中 原理），利用兩個傳感器，得出兩個傳感器之間的距離和每個傳感器面向目標的視角（View angle），便可計算出目標與機械人本身的距離。

至 于另一類遠距傳感器便是大家都擁有的視覺。機械人的視覺系統(tǒng)內(nèi)最重要的感測組件，便是藏身于各類數(shù)碼拍攝器材和計算機掃描儀的電荷耦合器件（Charged Coupled Device, CCD）。CCD會將收集得來的映像經(jīng)過取樣及量化，轉(zhuǎn)換為電子訊號，然后交由微處理器進行前期處理、分段、描述、辨識、解譯等數(shù)字圖像處理工序。但由于 解像度降低、視差以及機械手臂造成視覺障礙等問題，令機械人視覺的可靠性受質(zhì)疑。右圖: 裝有拍攝鏡頭的機械臂