傳感器是基于人體感覺器官的功能而設(shè)計(jì)的。機(jī)器人技術(shù)中的傳感器，是指用于計(jì)算機(jī)器人狀態(tài)和所處環(huán)境的機(jī)械函數(shù)。機(jī)器人可以接收到關(guān)于其周圍環(huán)境的廣泛數(shù)據(jù)，如位置、大小、方向、速度、距離、溫度、重量、力等。這些信息使機(jī)器人能夠在與環(huán)境交互時(shí)有效地工作，從而執(zhí)行復(fù)雜的工作。

機(jī)器人傳感器的工作源于能量轉(zhuǎn)換的原理，也被稱為轉(zhuǎn)導(dǎo)。不同的機(jī)器人需要不同的傳感器來獲得控制手段，并在其環(huán)境中靈活響應(yīng)。

機(jī)器人傳感器有很多不同的類型，具體如下：

光傳感器

光傳感器用于探測光，它通常會(huì)產(chǎn)生電壓差。機(jī)器人光傳感器有兩種類型：光伏電池和光電阻。光伏電池用于將太陽輻射能量轉(zhuǎn)化為電能。當(dāng)然，這些傳感器通常被用于太陽能機(jī)器人的生產(chǎn)。光電阻是用來通過改變光強(qiáng)度調(diào)整電阻，當(dāng)光線越亮?xí)r，電阻就會(huì)減小。這些光傳感器通常不貴，所以在機(jī)器人上被廣泛應(yīng)用。

聲音傳感器

聲音傳感器檢測到聲音，并將其轉(zhuǎn)換為電信號。通過應(yīng)用這種類型的傳感器，機(jī)器人可以在聲音中導(dǎo)航，甚至可以創(chuàng)建一種由聲音控制的機(jī)器人，去識別和響應(yīng)特定的聲音或一系列的聲音，以執(zhí)行特定的任務(wù)。

溫度傳感器

溫度傳感器用于檢測環(huán)境中的溫度變化。該傳感器主要利用電壓差原理得到溫度變化，從而產(chǎn)生環(huán)境的等效溫度值。有不同類型的溫度傳感器IC（集成電路），包括LM34、TMP37、TMP35、TMP36、LM35等。這些傳感器可以用于在冰川或沙漠等極端天氣條件下工作的機(jī)器人。

接觸傳感器

接觸傳感器也被稱為觸覺傳感器。它們的主要功能是檢測機(jī)器人中機(jī)械手和末端執(zhí)行器關(guān)節(jié)的速度、位置、加速度、扭矩或力的變化。這些傳感器需要物理接觸來有效地指導(dǎo)機(jī)器人做出相應(yīng)的行動(dòng)，這些傳感器在不同的開關(guān)中執(zhí)行，如限位開關(guān)、按鈕開關(guān)和觸覺緩沖開關(guān)。接觸傳感器在避障機(jī)器人中應(yīng)用廣泛，一旦檢測到任何障礙物時(shí)，它就會(huì)向機(jī)器人發(fā)送信號，這樣機(jī)器人就可以執(zhí)行各種動(dòng)作，如倒退、轉(zhuǎn)彎或直接停止。

壓力傳感器

壓力傳感器是一種監(jiān)測和調(diào)節(jié)壓力的傳感器，通常采用壓電技術(shù)，因?yàn)閴弘娫?huì)產(chǎn)生與所受應(yīng)力成比例的電荷，這種應(yīng)力通常由壓力引起。壓力傳感器在汽車中用于檢測輪胎壓力或發(fā)動(dòng)機(jī)中的燃燒壓力，也用于工廠調(diào)節(jié)機(jī)器中的蒸汽，以及飛機(jī)上測量高度和大氣情況。

靜態(tài)力傳感器

這是一種因重力產(chǎn)生的力，是任意兩個(gè)物體之間的摩擦力。由于重力，這個(gè)力總是存在的。通過測量這個(gè)力，可以確定機(jī)器人傾斜的程度。這在機(jī)器人平衡或確定機(jī)器人是在上坡還是在平坦表面上行駛時(shí)至關(guān)重要。

動(dòng)態(tài)力傳感器

這是指讓一個(gè)物體移動(dòng)所需的加速度。它是作用在物體上的力，使其改變位置、大小或方向。這個(gè)力也依賴于時(shí)間。在機(jī)器人中，動(dòng)態(tài)力是由于機(jī)械裝置的運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的。通過加速度計(jì)測量這個(gè)力，可以知道機(jī)器人移動(dòng)的速度/速率。

接近傳感器

在機(jī)器人技術(shù)中，接近傳感器用于檢測靠近機(jī)器人的物體，并測量機(jī)器人與特定物體之間的距離，而無需進(jìn)行物理接觸。這是可能的，因?yàn)閭鞲衅魇褂么艌鰜砀袘?yīng)物體。接近傳感器分為光敏電阻、紅外收發(fā)器和超聲波傳感器。

傾斜傳感器

這種傳感器在機(jī)器人中用于測量相對于水平面的傾斜角度，用于檢測傾斜度或方向。它們功耗低、體積小、易于使用且價(jià)格低廉。這些傳感器類型用于服務(wù)機(jī)器人，機(jī)器人用腿或輪子移動(dòng)時(shí)，每秒鐘要測量幾次傾斜度，以確保保持恒定的位置。

加速度傳感器

加速度傳感器用于測量加速度和傾斜度。加速度計(jì)是一種用于測量靜態(tài)或動(dòng)態(tài)加速度的裝置。傳感器提供基于特定時(shí)間單一或多個(gè)方向的加速度讀數(shù)。加速度計(jì)有多種配置，因此要考慮帶寬、靈敏度、軸數(shù)（1-3）和輸出信號類型（模擬或數(shù)字），選擇適合機(jī)器人的配置非常重要。

陀螺儀

陀螺儀是測量旋轉(zhuǎn)速度的裝置。在機(jī)器人中，它們在穩(wěn)定駕駛機(jī)器人或測量航向或傾斜度方面特別有用。這是通過對速率測量值進(jìn)行積分以獲得總角位移測量值來實(shí)現(xiàn)的。因此，陀螺儀可用于機(jī)器人的平衡，并可以通過編程知道機(jī)器人是否翻倒。三種常用的陀螺儀是單軸陀螺儀、三軸陀螺儀和IMU。

慣性測量單元（IMU）

這是一種測量和顯示加速度、角速度、方向和其他重力的電子裝置。它由3個(gè)加速度計(jì)、3個(gè)陀螺儀和3個(gè)磁力計(jì)組成（取決于航向要求）。IMU用于操縱現(xiàn)代交通工具，如飛機(jī)、導(dǎo)彈、無人駕駛飛行器、衛(wèi)星等。在導(dǎo)航系統(tǒng)中，IMU提供的數(shù)據(jù)被輸入處理器，計(jì)算出高度、位置和速度。

電壓傳感器

電壓傳感器是一種可以固定在機(jī)器或電子設(shè)備上無線裝置。它們提供持續(xù)監(jiān)控，尋找可能表明問題的電壓數(shù)據(jù)。極高或極低的電壓會(huì)危及財(cái)產(chǎn)或表明可能存在問題。當(dāng)閾值被突破時(shí)，警報(bào)會(huì)迅速傳送到中央計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

電流傳感器

這個(gè)裝置監(jiān)測流經(jīng)導(dǎo)線的電流，并產(chǎn)生與該電流相對應(yīng)的信號。這個(gè)產(chǎn)生的信號可以是數(shù)字輸出或模擬電壓。然后，該信號可用于控制設(shè)備，可以存儲在數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)中供進(jìn)一步分析，或在電流表中顯示測量的電流。

紅外(IR)收發(fā)器

紅外(IR)收發(fā)器或傳感器測量并檢測其環(huán)境中的紅外輻射。紅外傳感器可以是有源的，也可以是無源的。有源紅外傳感器通過發(fā)光二極管(LED)和接收器發(fā)射和檢測紅外輻射，通常用于機(jī)器人障礙物監(jiān)測。無源紅外(PIR)傳感器僅檢測紅外輻射，而不從LED發(fā)射紅外光，主要用于運(yùn)動(dòng)的檢測。

超聲波傳感器

超聲波傳感器是一種通過發(fā)射超聲波來測量特定對象的距離并將反射的聲音轉(zhuǎn)換為電信號的設(shè)備。超聲波傳感器向物體發(fā)射聲波，并通過檢測反射波來確定其距離，因此主要用作接近傳感器，用于機(jī)器人障礙物監(jiān)測系統(tǒng)和防碰撞安全系統(tǒng)。

距離傳感器

距離傳感器用于確定一個(gè)物體與另一個(gè)物體之間的距離，而不需要任何物理接觸。距離傳感器的工作原理是發(fā)射一個(gè)信號，然后測量信號返回時(shí)的差值。根據(jù)技術(shù)的不同，該信號可以是紅外線、LED或超聲波，這就是距離傳感器通常與超聲波傳感器相關(guān)聯(lián)的原因。

超聲波距離傳感器

超聲波距離傳感器是一種使用高頻聲波測量物體距離的工具。超聲波傳感器的工作原理是發(fā)射比人類能聽到的頻率高得多的聲波，然后等待聲音被反射。測量超聲波發(fā)送和中繼之間的時(shí)間間隔，并根據(jù)聲速進(jìn)行計(jì)算，這就是傳感器確定目標(biāo)距離的方式。

紅外距離傳感器

紅外(IR)距離傳感器通過發(fā)射紅外波，基于反射光束的角度，采用三角測量原理測量距離。紅外LED發(fā)射透鏡投射光束，位置敏感光電探測器(PSD)顯示反射光束。

激光測距傳感器

激光測距傳感器使用來自激光器的光波而不是無線電波或聲波來測量目標(biāo)物體的距離。傳感器上的發(fā)射器向目標(biāo)物體發(fā)射激光，然后目標(biāo)物體反射激光脈沖。然后利用光速和發(fā)送/接收信號之間的時(shí)間的相關(guān)性來計(jì)算距離。

立體攝像頭

立體攝像頭是一種將嘈雜的視頻信號過濾成系統(tǒng)數(shù)據(jù)集的技術(shù)和方法，這些數(shù)據(jù)集被處理成可應(yīng)用的符號抽象或?qū)ο?。在更廣泛的機(jī)器視覺和計(jì)算機(jī)視覺領(lǐng)域中，立體攝像頭是其中的一種應(yīng)用方法。它的應(yīng)用需要使用兩個(gè)具有確定的物理關(guān)系的攝像頭（即攝像頭可以看到的公共視場，以及它們在物理空間中的焦點(diǎn)之間的距離）。該系統(tǒng)可用于通過三角測量來感知物體的距離。立體圖像處理技術(shù)用于機(jī)器人控制和感測、移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航和外星球陸地漫游器。簡而言之，攝像頭使機(jī)器人能夠?qū)崟r(shí)感知環(huán)境，從而在流程自動(dòng)化中實(shí)現(xiàn)視覺導(dǎo)航機(jī)器人應(yīng)用。

導(dǎo)航/定位傳感器

這些傳感器有助于精確確定物體在空間中的位置。定位中使用的技術(shù)范圍從米級精度的全球覆蓋，到亞毫米級精度的工作區(qū)覆蓋。導(dǎo)航傳感器提供了確定期望位置和當(dāng)前位置的能力，并對方向、速度和路線進(jìn)行校正，以到達(dá)世界上任何地方的期望位置。在機(jī)器人中，導(dǎo)航和定位是自主移動(dòng)機(jī)器人的主要任務(wù)。除了GPS，其他常見的導(dǎo)航方式還有視覺導(dǎo)航和仿生導(dǎo)航。

全球定位系統(tǒng)(GPS)

GPS是一種基于空間的無線電導(dǎo)航系統(tǒng)。它由發(fā)射導(dǎo)航信號的衛(wèi)星和用于控制和監(jiān)測的衛(wèi)星控制站和地面站網(wǎng)絡(luò)組成。它不需要用戶傳輸任何數(shù)據(jù)，獨(dú)立運(yùn)行，無需任何互聯(lián)網(wǎng)或電話接收。在機(jī)器人中，GPS用于幫助機(jī)器人進(jìn)行長距離定位和導(dǎo)航。機(jī)器人比較其GPS數(shù)據(jù)和目標(biāo)的GPS數(shù)據(jù)，以獲得兩者之間的相對位置，這有助于引導(dǎo)后續(xù)的運(yùn)動(dòng)方向。這意味著這種機(jī)器人是自動(dòng)駕駛的車輛，不需要操作員來完成任務(wù)和導(dǎo)航。

數(shù)字磁羅盤

這是一種導(dǎo)航設(shè)備，能夠顯示相對于地球表面的參考方向，可以作為機(jī)器人導(dǎo)航周圍環(huán)境的有價(jià)值的傳感器。它與地球磁場對齊，包括一個(gè)通常標(biāo)記北極的磁化指針和一個(gè)在軸上自由移動(dòng)的磁化針或磁化棒。從數(shù)字上來說，指南針根據(jù)地球磁場為機(jī)器人導(dǎo)航提供測量結(jié)果。主要的機(jī)器人應(yīng)用包括移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制和航向檢測。因此，這是自主機(jī)器人系統(tǒng)如何導(dǎo)航的重要原則的一部分。

傳感器融合

將來自各種雷達(dá)、激光雷達(dá)和攝像頭的數(shù)據(jù)結(jié)合起來，以創(chuàng)建車輛周圍區(qū)域的單一模型或圖像的能力被稱為傳感器融合。由于平衡了各種傳感器的強(qiáng)度，所得到的模型更加精確。通過傳感器融合獲得的數(shù)據(jù)可以被車輛系統(tǒng)用來實(shí)現(xiàn)更智能的行為。利用軟件算法，傳感器融合結(jié)合來自不同類型傳感器的數(shù)據(jù)，以產(chǎn)生最完整和最準(zhǔn)確的環(huán)境模型。

總結(jié)

傳感器在機(jī)器人系統(tǒng)中提供最重要的數(shù)據(jù)來源。這些數(shù)據(jù)包括位置、大小、方向、速度、距離、溫度、重量、力量和很多其他幫助機(jī)器人感知環(huán)境和執(zhí)行任務(wù)的因素。傳感器與機(jī)械系統(tǒng)的自動(dòng)化和計(jì)算機(jī)化需求越來越相關(guān)。

原文：Abiola Ayodele

Types of Sensors in Robotics (wevolver.com)