機械人的運作原理是什麼?

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。過去數十年機械人技術進步神速，有自主性、具備簡單思考能力的機械人陸續出現。雖然如此，但這些機械人若要懂得自己決定執行何種任務，和如何執行任務，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。部份工程學院更將機械人感測技術列作獨立學科。

傳感器的應用

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，它包括關節角度感應器（Joint-angle sensor）、六軸力度感應器（6-axis force sensor）、加速度感應器（Acceleration sensor）和迴轉儀（Gyroscope，即陀螺儀）等等。關節角度感應器用來辨認關節在各個時刻的位置。六軸力度感應器安裝在手腕和腳腕，手腕的感應器用來感應手部的移動方向和力度，腿部的感應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。加速度感應器及迴轉儀用來感應身驅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才這麼複雜，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。由於兩部探測車需要在火星變化多端的氣候和地勢下自動執行科學任務，因此需要在探測車上安裝兩類感應裝置。一種是導航及定位系統，包括導航攝像機、避危攝像機、慣性量測裝置（Inertial measurement unit）和距離傳感器。另一種是科學考察用傳感系統，有全景照相機（Panoramic Camera）、顯微成像器（Microscopic Imager）、微型熱發射分光計（Miniature Thermal Emission Spectrometer, Mini-TES）、穆斯堡爾分光計（Mossbauer Spectrometer）、α質子X射線分光計（Alpha Particle X-Ray Spectrometer）和磁陣列（Magnet Array）。



火星探測車上的微型熱發射分光計

火星探測車上的全景照相機

以上例子證明，傳感器對於需要應付多重任務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部運作情況。再加上機械人始終不及人類的器官精密細緻，往往需要設計個別的傳感器，針對性地偵測某種訊號，因此機械人的感應裝置十分多元化。簡單來說可分為內部和外部傳感器。

內部傳感器

以機械工程的角度來看，機械人就像一具以關節將多個肢體互相連接起來的活動裝置，每個關節由傳動裝置（Actuators）推動連繫著的兩個肢體，來改變它們的位置或狀態。內部傳感器（又稱「本體感受器」Proprioceptor）正是用來測量機械人的運動和動態參數，讓機械人的控制系統決定各個傳動裝置該如何驅動每個關節，從而做出所要求的動作。運動參數包括關節位置、速度和加速度；動態參數則包括力度、轉矩（Torque）和慣性。元件包括電位計、同步分析器、編碼器、變數差動變壓器、感應同步器等。

外部傳感器

外部傳感器又可稱為外受器（Exteroceptor），是相對於內部傳感器而言，探測機械人所身處環境的狀況。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於被抓物件的力度/轉矩，例如測力器（Load cell）和應變計（Strain gage）；另外是透過觸覺（Tactile）來收集被接觸物的相關數據，例如傳導彈性體（Conductive elastomer）、壓阻效應、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）是針對避開物件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（透過發射脈衝並接收反射回機械人的訊號來探測物件）傳感器。

遠距傳感器

遠距傳感器可分為兩類：範圍檢測（Range sensing）傳感器量度機械人工作範圍內與其他物體的距離，通常應用於機械人巡邏、避開障礙物和彌補單目視覺（Monocular vision）機械人的視覺缺憾。範圍檢測傳感器共有兩種：飛行時間（Time-of-flight）傳感器會向目標發射脈衝，然後測量脈衝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，就根據簡單的三角數學方法（相信高中生也懂得固中原理），利用兩個感測器，得出兩個感測器之間的距離和每個感測器面向目標的視角（View angle），便可計算出目標與機械人本身的距離。

至於另一類遠距傳感器便是大家都擁有的視覺。機械人的視覺系統內最重要的感測元件，便是藏身於各類數碼拍攝器材和電腦掃描器的電荷耦合器件（Charged Coupled Device, CCD）。CCD會將收集得來的映像經過取樣及量化，轉換為電子訊號，然後交由微處理器進行前期處理、分段、描述、辨識、解譯等數位影像處理工序。但由於解像度降低、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疑。右圖: 裝有拍攝鏡頭的機械臂

太長放不到上來

詳見
http://www.computertoday.com.hk/robot.php?gsel=18