機(jī)械人的五官

何 謂傳感器呢？以人類來(lái)比喻機(jī)械人的話，傳感器正是人類的五官。過(guò)去數(shù)十年機(jī)械人技術(shù)進(jìn)步神速，有自主性、具備簡(jiǎn)單思考能力的機(jī)械人陸續(xù)出現(xiàn)。雖然如此，但 這些機(jī)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(duì)自己的處境完全了解才行，這正是自動(dòng)控制的概念（詳情可參閱第88期《今日校 園》）。而傳感器在自動(dòng)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(jī)械人感測(cè)技術(shù)列作獨(dú)立學(xué)科。

傳感器的應(yīng)用

機(jī) 械人工程師的其中一個(gè)夢(mèng)想，是造出跟人類一樣靈活的兩足機(jī)械人。大家有沒(méi)有想過(guò)一個(gè)兩足機(jī)械人究竟需要多少個(gè)感應(yīng)裝置來(lái)達(dá)成平衡身體的目的呢？以筆者喜愛(ài) 的ASIMO機(jī)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(lái)辨認(rèn)關(guān)節(jié)在各個(gè)時(shí)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(lái)感應(yīng)手部的移動(dòng)方向和力度，腿部的傳感器配合攝影機(jī)拍攝得來(lái)的映像，決定ASIMO的下一個(gè)腳步的位置和方向。加速度傳感器及回轉(zhuǎn)儀用來(lái)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(jī)械人的感測(cè)系統(tǒng)才這么復(fù)雜，看看美國(guó)太空總署火星探測(cè)計(jì)劃的「勇氣號(hào)」和「機(jī)遇號(hào)」號(hào)探測(cè)車便會(huì)明白。由于兩部探測(cè)車需要在火星變化多端 的氣候和地勢(shì)下自動(dòng)執(zhí)行科學(xué)任務(wù)，因此需要在探測(cè)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(jī)、避危攝像機(jī)、慣性量測(cè)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(jī)（Panoramic Camera）、顯微成像器（Microscopic Imager）、微型熱發(fā)射分光計(jì)（Miniature Thermal Emission Spectrometer, Mini-TES）、穆斯堡爾分光計(jì)（Mossbauer Spectrometer）、α質(zhì)子X射線分光計(jì)（Alpha Particle X-Ray Spectrometer）和磁數(shù)組（Magnet Array）。

以 上例子證明，傳感器對(duì)于需要應(yīng)付多重任務(wù)的機(jī)械人是何等重要。跟人類不同的是，機(jī)械人傳感器不但用來(lái)了解外面的世界，同時(shí)亦用來(lái)了解機(jī)械人的內(nèi)部運(yùn)作情 況。再加上機(jī)械人始終不及人類的器官精密細(xì)致，往往需要設(shè)計(jì)個(gè)別的傳感器，針對(duì)性地偵測(cè)某種訊號(hào)，因此機(jī)械人的感應(yīng)裝置十分多元化。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)可分為內(nèi)部和 外部傳感器。

內(nèi)部傳感器

以 機(jī)械工程的角度來(lái)看，機(jī)械人就像一具以關(guān)節(jié)將多個(gè)肢體互相連接起來(lái)的活動(dòng)裝置，每個(gè)關(guān)節(jié)由傳動(dòng)裝置（Actuators）推動(dòng)連系著的兩個(gè)肢體，來(lái)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(lái)測(cè)量機(jī)械人的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)態(tài)參數(shù)，讓機(jī)械人的控制系統(tǒng)決定各個(gè)傳動(dòng)裝置 該如何驅(qū)動(dòng)每個(gè)關(guān)節(jié)，從而做出所要求的動(dòng)作。運(yùn)動(dòng)參數(shù)包括關(guān)節(jié)位置、速度和加速度；動(dòng)態(tài)參數(shù)則包括力度、轉(zhuǎn)矩（Torque）和慣性。組件包括電位計(jì)、同 步分析器、編碼器、變量差動(dòng)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(duì)于內(nèi)部傳感器而言，探測(cè)機(jī)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(yuǎn)距傳感器（“Far away” sensor）。右圖 : ?對(duì)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(dòng)裝置傳感器，因?yàn)檫@種傳感器通常安裝在機(jī)械人的傳動(dòng)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(cè)量末端傳動(dòng)裝置施 加于被抓對(duì)象的力度/轉(zhuǎn)矩，例如測(cè)力器（Load cell）和應(yīng)變計(jì)（Strain gage）；另外是透過(guò)觸覺(jué)（Tactile）來(lái)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(cè)力器

近距傳感器

近距傳感器（Proximity Sensor）是針對(duì)避開(kāi)對(duì)象或探測(cè)正在接近機(jī)械人的外界物件。近距傳感器依照其運(yùn)作原理，可分為磁敏（探測(cè)具磁性的物體）、電容（探測(cè)固體或液體）、超聲波和光學(xué)（透過(guò)發(fā)射脈沖并接收反射回機(jī)械人的訊號(hào)來(lái)探測(cè)對(duì)象）傳感器。

遠(yuǎn)距傳感器

遠(yuǎn) 距傳感器可分為兩類：范圍檢測(cè)（Range sensing）傳感器量度機(jī)械人工作范圍內(nèi)與其他物體的距離，通常應(yīng)用于機(jī)械人巡邏、避開(kāi)障礙物和彌補(bǔ)單目視覺(jué)（Monocular vision）機(jī)械人的視覺(jué)缺憾。范圍檢測(cè)傳感器共有兩種：飛行時(shí)間（Time-of-flight）傳感器會(huì)向目標(biāo)發(fā)射脈沖，然后測(cè)量脈沖接觸到目標(biāo)和 返回傳感器所需的時(shí)間，聲納和激光測(cè)距器都屬這一類；而三角測(cè)量（Triangulation）傳感器，就根據(jù)簡(jiǎn)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(gè)傳感器，得出兩個(gè)傳感器之間的距離和每個(gè)傳感器面向目標(biāo)的視角（View angle），便可計(jì)算出目標(biāo)與機(jī)械人本身的距離。

至 于另一類遠(yuǎn)距傳感器便是大家都擁有的視覺(jué)。機(jī)械人的視覺(jué)系統(tǒng)內(nèi)最重要的感測(cè)組件，便是藏身于各類數(shù)碼拍攝器材和計(jì)算機(jī)掃描儀的電荷耦合器件（Charged Coupled Device, CCD）。CCD會(huì)將收集得來(lái)的映像經(jīng)過(guò)取樣及量化，轉(zhuǎn)換為電子訊號(hào)，然后交由微處理器進(jìn)行前期處理、分段、描述、辨識(shí)、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(jī)械手臂造成視覺(jué)障礙等問(wèn)題，令機(jī)械人視覺(jué)的可靠性受質(zhì)疑。右圖: 裝有拍攝鏡頭的機(jī)械臂