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[如何製作機器人 7] 使用感知器

2017-03-09阿里哥 如何製作機器人系列, 機器人學習 發表留言

這次推薦的是另一系列非常經典的製作機器人入門教學文章 。一共分成十個單元，每單元介紹一個主題 。我們將陸陸續續和各位分享!

課程目錄

目錄連結:
第1課 - 入門
第2課 - 選擇機器人平台
第3課 - 了解制動器
第4課 - 了解微控制器
第5課 - 選擇馬達控制器
第6課 - 控制你的機器人
第7課 - 使用感知器
第8課 - 獲得正確的工具
第9課 - 機器人組裝
第10課 - 機器人控制程式編寫

使用感知器

與人類不同，機器人沒有視覺，聲音，觸覺，嗅覺和味覺。因此，機器人需要使用各種不同的感知器來探索和了解他們所處的環境。雖然模擬生物的感官知覺目前仍然很困難，不過已有許多的研究人員和廠商投入這個領域希望可以開發出這一類的產品。

那些是人類有機器人沒有的知覺？

機器人可以“看到”，但是卻很難理解他們看的是什麼。例如，機器人能夠使用相機拍攝數百萬畫素的圖像，但是如果沒有好的程式搭配，它將完全不知道這些像素代表了什麼意義。距離感知器可以讓機器人偵測到與前方物體的距離，卻不會阻止機器人去碰撞物體。研究人員和廠商正在試驗各種不同的方法，希望可以讓機器人除了可以“看到”，還能夠“理解”它看到的是什麼。不過，可能還要一段很長的時間要才能讓機器人有能力辨識放置在桌子上是甚麼東西，尤其當那個東西看起來與資料庫中的物件沒有完全相同時。

要讓機器人擁有味覺和嗅覺是非常困難的。人類能夠告訴直接你“這是甜味”或“這味道聞起來很怪”，而機器人在給出同樣答案之前，需要先對該物質進行化學成分分析，然後到資料庫中比對尋找該物質，以確定人類是否已將味道標記為“甜“或氣味為”怪“。由於目前的機器人對於為味覺和嗅覺的需求還不太多，因此目前也還沒有投入太多的資源來開發相關的感知器。

人類在皮膚上有末梢神經，因此，當我們能感覺得到碰撞到物體或被外物碰觸。如果希望讓機器人有"觸覺"，則要在需要產生觸覺的位置（例如在前保險槓上）安裝上按鈕或簡單觸點，來讓它與物體接觸。例如機器人寵物就可能有接觸或壓力感知器放置在他們的頭部，腳部和背部。如果你觸摸沒有感知器的區域，機器人將無法知道它已被觸摸，且不會有反應。隨著對人形機器人的持續研究，或許不久之後就可能會有“機電皮膚”被開發出來。

那些是機器人有人類卻沒有的知覺？

雖然機器人不能告訴你東西是嚐起來的味道好，或者氣味聞起來很糟，不過將待測誤拿來做化學成分分析的步驟卻可以提供比正常人類更多的對於待測物性質的資訊。配備有一氧化碳感知器的機器人能夠之偵測出一氧化碳氣體，這是人類做不到的, 因為一氧化碳氣體對於人類來說是無色，無味的。機器人也能夠告訴你物質的Ph值，以確定它是酸性還是鹼性。

人類使用一雙眼睛來辨識物體的遠近，然而對許多人來說，要能準確測量距離卻不容易。人們可能會告訴你，“樹看起來是在距離約50英尺遠的地方”，而一個配備了合適的距離感應器的機器人，可以精準的告訴你，“樹在位於43.1英尺遠的地方。”
此外，機器人不僅可以感測，更可以準確的提供人類沒有發現或無法感知的各種環境因子的。例如，機器人可以精確的告訴你它目前的角度或加速度，而大多數人只會告訴你“我在轉動”或“我在移動”。人類可以根據經驗告訴你他們認為物體將是熱或冷的而不需要實際上觸摸它，而熱像儀卻可以提供它所見的任何物體實際的二維熱顯像圖。雖然人類有五個主要的知覺，機器人可以擁有幾乎無限數量的不同的感知器。

我的機器人需要哪些感知器？

那麼，有什麼類型的感知器可以使用，你的機器人又需要哪些？你需要先問自己“我想要什麼或需要讓機器人來測量？”，並參考下面的歸類好的目錄。很有可能你需要的感知器並無法很完美的被歸類在這些目錄中，所以可以嘗試進一步把它分解成它的基本元素。

接觸

按鈕/接觸開關

開關，按鈕和接觸感知器用於檢測物體之間的物理接觸，而不僅限於人按壓此按鈕; 機器人的保險槓上可以配備即時按鈕，並且可以使用“觸角”（就像動物一樣）來感測多個距離。

優點：成本極低，易於整合，可靠
缺點：單距離測量

壓力感知器

不像一按鈕它提供的兩種可能的讀數（ON或OFF）之一，一個壓力感知器產生一個和力量呈比例的輸出。
優點：允許測量正在施加力量的大小

缺點：可能不精確，比簡單的開關更難使用。

距離

超音波測距儀

超音波測距儀使用聲學來測量發送信號與接收回波之間的時間。超音波測距儀可以測量某個範圍間的距離，但是只能在空氣中使用並受不同材料的反射率的影響。

優點：中程（幾米）測量。
缺點：表面和環境因素可能影響讀數。

紅外線

紅外線，我們看到的用於通信，也可以用於測量距離。某些紅外線感知器只能測量一個特定的距離，而其他可以提供輸出與物件的距離成比例。

優點：成本低，相當可靠，準確。
缺點：比超聲波更窄的範圍

雷射

雷射使用時機: 當測量到物體的距離時需要高精度或長距離時（或兩者）。掃描雷射測距儀使用旋轉雷射光來獲得到距離物體的二維掃描

優點：非常精確，範圍很長。
缺點：比常規紅外線或超音波感知器昂貴。

編碼器

光學編碼器使用微型紅外發射器/接收器組合，當紅外光束被特別設計的旋轉盤（安裝到旋轉軸）遮蔽時將發送出信號。光束被遮蔽的次數可以推算出車輪行進的總角度。知道車輪的半徑，您可以計算出該車輪行駛的總距離。兩個編碼器可以提供在平面中的相對距離。

優點：假設沒有滑動偏移，位移是絕對的。通常會安裝在馬達的後軸上

缺點：需要額外編寫程式; 更精確的光學編碼器每個價格可能高於$ 50塊美金

線性電位器，電阻帶

一個線性電位器能夠測量目標待測物的絕對位置。電阻帶根據被施力的位置而改變電阻。

優點：位置是絕對的。電阻帶需要在給定位置施加壓力。
缺點：範圍很小

拉伸和彎曲感知器

一個拉伸感知器是由一種在被拉伸時其電阻值會根據變形量而改變的材料。彎曲感知器通常是材料的夾層，其中一個層的電阻將根據其彎曲程度而改變。這些可以被應用來確定小角度或旋轉，例如手指彎曲的程度。
優點：當旋轉軸在內部或無法接觸時可以用

缺點：不是很準確，只能測量小角度

立體相機系統

就像人類的眼睛，兩個鏡頭間隔放置可以提供景深的信息（立體視覺）。一般只有功能強大的機器人才會配置備攝像機。相機若搭配合適的軟體，可以提供顏色和物件識別的功能。

優點：可以提供機器人和週邊環境相對前後距離相關的信息和良好的反饋
缺點：針對傳回的資料做程式開發和應用非常複雜

定位

室內定位（房間導航）

室內定位系統可以使用多個信標(Beacon)來三角定位房間內機器人的位置，當其他人儘使用一個攝影鏡頭和地標的時候。

優點：優異的定位功能
缺點：需要復雜的程式控制和使用標記

全球定位系統(GPS)

GPS使用來自多顆環繞地球飛行的衛星訊來定位。常規GPS裝置可以提供至小到方圓5公尺的精度的定位能力，而更進接的系統像是使用其它GPS裝置或IMUs來做數據處理和偵錯的系統甚至可以精確到數公分。

優點：不需要標記或其他參考物件

缺點：只能在戶外工作。

迴轉

電位器

一個旋轉電位器本質上是一個分壓器，當旋鈕轉旋轉到不同角度時會提供一個相對的類比電壓。
優點：使用簡單，價格低廉，相當準確，提供絕對讀數。
缺點：大多數都限制在300度的旋轉

陀螺儀

電子陀螺儀可以測量角加速度並回饋相對應的信號（類比電壓，序列通訊，I2C等）。將該回饋的訊號二次積分後可以獲得角度的值。

優點：沒有移動的“機械”零件
缺點：感知器不間斷的承受角加速度, 不過同時微控制器卻無法連續不動的接受輸入訊號，因此可能會移失部分的回傳數值，而導致所謂的“漂移”。

編碼器

如上所述，光學編碼器使用微型紅外線發射器/接收器對在紅外線光束被旋轉盤（安裝到旋轉軸）遮蔽時將發出信號。光束被遮蔽的次數可以對應出車輪行進的總角度。機械編碼器可以使用具有足夠孔的精密轉盤，來讀取特定角度。因此，機械編碼器可用於絕對和相對旋轉。

優點：準確
缺點：對於光學編碼器，角度與起始位置是相對的（不是絕對的）。

環境條件

光感知器

光感知器可以被用來測量光源的強度，無論是天然的或人造的。通常，其電阻與光強度成比例。

優點：通常非常便宜和非常有用
缺點：不能區分光源或光源類型。

聲音感知器

聲音感知器基本上是一個麥克風可以回傳和環境噪音程比例的電壓值。更複雜的電路板可以應用麥克風的提供數據來作語音識別。

優點：價格低廉，可靠
缺點：如過想要獲得有用的資訊需要透過複雜的程式開發

溫度感知器

溫度感知器可以用來測量特定物件或環境的溫度。

優點：他們可以非常準確
缺點：更複雜和精確的感知器可能更難使用。

熱相機

紅外線或熱顯像允許您獲得在相機前面的任何東西的完整的二維熱圖像。可以用來量測待測物的溫度。

優點：週邊不同物件取決於其溫度特徵
缺點：昂貴

濕度

濕度感知器檢測的空氣中的水的百分比，並且經常有溫度感知器配對。

壓力感知器

壓力感知器（它也可以是一個氣壓感知器）可以被用於測量大氣壓力，並可以回饋高度值給無人飛行器。

氣體感知器

專用的氣體感知器可被用於偵測各種不同的氣體和濃度。然而，一般只有特殊用途的機器人才會應用氣體感知器。
優點：這些是唯一可用於準確檢測氣體的感知器
缺點：廉價的感知器可能會產生誤報或有些不准確的讀數，因此不應用於重要的應用。

磁力計

磁力感知器或磁力計可用於檢測磁力和磁場。這可以用來辨識磁性體的位置。
優點：可檢測鐵磁金屬。
缺點：有些時候感知器可能被強磁鐵損壞。

高度（滾動，俯仰和航向）

羅盤

數位羅盤能夠利用地球的磁場來偵測磁極的方向。傾斜補償指南針可以用來確認機器人的平衡。
優點：提供絕對方向
缺點：精度越高，價格越高

陀螺儀

電子陀螺儀能夠提供一個或多個軸的傾斜角。機械傾斜感知器通常通過使用玻璃膠囊或導電球中的水銀來確定機器人是否已經傾斜超過某一值。

優點：電子傾斜感知器比機械式傾斜感知器具有更高的精度
缺點：可能很貴

加速度計

加速度計測量線性加速度。可以測量重力加速度或任何其他任何機器人可能承受的加速度。如果您的機器人無法利用周圍環境作為參考，這可能是一個可以用來進似行駛位移的好方法。加速度計可以測量沿著一個，兩個或三個軸向的加速度。三軸加速度計也可用於測量方向a

優點：它們不需要任何外部參考或標記起作用，並且可以提供相對於重力或相對定向的絕對定向。
缺點：他們只是近似的旅行距離，不能精確確定。

IMU

慣性測量裝置是一個結合了多軸陀螺儀及多軸磁力計的多軸加速度計，可量測滾動

優點：它是一種非常可靠的方法來測量機器人的姿態，而不使用外部參考（除了地球的磁場）

缺點：可能非常昂貴，使用複雜。

其他

電流和電壓感知器

電流和電壓感知器做正如他們的名稱所描述; 它們可以用來測量特定電路的電流和/或電壓。這對於測量機器人將運行多長時間（測量電池的電壓）或者判斷馬達是否超過工作負荷（測量電流）非常有用。

優點：他們做好它們該做的工作

缺點：可能干擾他們正在測量的電壓或電流。有時，它們需要對被測電路進行修改。

磁性感知器

磁感知器或磁力計檢測磁性物體，並且可以或是與待測物接觸，或是接近待測物。這種感知器可以應用在自動割草機上用來感應草坪的界線。

優點：通常價格便宜
缺點：通常需要相對靠近對象，而且不幸的是不能檢測到非磁性金屬。

振動

振動感知器，通過使用壓電或其它技術檢測待測物的振動。

RFID

射頻識別裝置使用主動（供電）或被動的（無動力）的RFID標籤 它的尺寸一般如同信用卡，小圓盤或一個鑰匙鏈（或其他形狀）。當RFID標籤進入RFID讀取器的特定距離內時，會產生具有標籤ID的信號。

優點：RFID標籤通常成本很低，可以單獨識別
缺點：僅當標籤在範圍內時使用，不適用於測量距離。

 原著: Coleman Benson/譯者: 阿里哥

文章出處: RobotShop

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