對(duì)于曾經(jīng)依靠密集勞動(dòng)力走向世界的“中國(guó)制造”，機(jī)器人正成為轉(zhuǎn)型升級(jí)的新助力之一。在珠三角，家電業(yè)率先“機(jī)器換人”，電子信息產(chǎn)業(yè)緊緊跟上，汽車(chē)、紡織服裝等行業(yè)也蓄勢(shì)待發(fā)，一個(gè)個(gè)“無(wú)人工廠”取代了曾經(jīng)工人們揮汗如雨的車(chē)間廠房。
那么你可知道，機(jī)器人是依靠什么感官來(lái)感知世界，與我們互動(dòng)的？它們有“眼睛”、“鼻子”、“耳朵”嗎？本文為大家盤(pán)點(diǎn)幾種機(jī)器人常用的傳感器及其功能。
用于避障的傳感器
避障可以說(shuō)是各種機(jī)器人最基本的功能，不然機(jī)器人一走動(dòng)就碰到花花草草就不好了。機(jī)器人并不一定要通過(guò)視覺(jué)感知自己前方是否有障礙物，它們也可以通過(guò)觸覺(jué)或像蝙蝠那樣通過(guò)聲波感知。因此，檢測(cè)機(jī)器人前方是否存在障礙物的傳感器，可以分為接觸式和非接觸式的。
最典型的接觸式測(cè)障傳感器便是碰撞開(kāi)關(guān)（圖1）。碰撞開(kāi)關(guān)的工作原理非常簡(jiǎn)單，完全依靠?jī)?nèi)部的機(jī)械結(jié)構(gòu)來(lái)完成電路的導(dǎo)通和中斷。當(dāng)碰撞開(kāi)關(guān)的外部探測(cè)臂受到碰撞，探測(cè)臂受力下壓，帶動(dòng)碰撞開(kāi)關(guān)內(nèi)部的簧片撥動(dòng)，從而電路的導(dǎo)通狀態(tài)發(fā)生改變（圖2）。
在機(jī)器人上的用法多數(shù)是將探測(cè)臂加長(zhǎng)，擴(kuò)大探測(cè)范圍和靈敏度。當(dāng)機(jī)器人撞到前面的障礙物，碰撞開(kāi)關(guān)的信號(hào)端便可返回一個(gè)高電平，控制芯片由此可以知道小車(chē)面前存在著障礙物。碰撞開(kāi)關(guān)的優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格便宜，一般每只零售僅幾塊錢(qián)，使用簡(jiǎn)單，使用范圍廣，對(duì)環(huán)境條件沒(méi)有什么限制。但碰撞開(kāi)關(guān)也有個(gè)最明顯的缺點(diǎn)，就是必須在發(fā)生碰撞后才能檢測(cè)到障礙，這在某些機(jī)器人比賽中是相當(dāng)失分的，在某些實(shí)際的應(yīng)用中實(shí)用性也會(huì)大大降低，而且使用時(shí)間較長(zhǎng)后，開(kāi)關(guān)容易發(fā)生機(jī)械疲勞，無(wú)法繼續(xù)正常工作。非接觸式測(cè)障開(kāi)關(guān)一般的工作原理與聲納和雷達(dá)相似，發(fā)射聲波或某種射線，遇到障礙物，聲波或射線被反射回來(lái)，并被傳感器接收，這時(shí)傳感器就認(rèn)為發(fā)現(xiàn)了障礙物。我們最常用的便是發(fā)射和接收紅外線的傳感器（圖3，圖4）。
紅外測(cè)障傳感器成本較低（當(dāng)然比碰撞開(kāi)關(guān)還是要高一點(diǎn)），電路簡(jiǎn)單，檢測(cè)范圍大。如果在電路中加上一個(gè)電位器，就可以隨時(shí)調(diào)節(jié)傳感器的檢測(cè)范圍。這種檢測(cè)方式為非接觸式，控制起來(lái)更加方便、靈活。但這種測(cè)障方式也有缺點(diǎn)，多個(gè)紅外傳感器之間容易互相干擾，因此在傳感器的布局上需要多花心思，安裝位置也要盡可能地避免紅外信號(hào)的碰撞。機(jī)器人光知道哪個(gè)方向有障礙物并不夠，還必須知道障礙物距離自己具體有多遠(yuǎn)，才好判斷下一步的行動(dòng)。這時(shí)我們就需要測(cè)距傳感器。
測(cè)距傳感器大多為非接觸式的，目前在個(gè)人機(jī)器人制作領(lǐng)域用得比較多的是紅外和超聲波測(cè)距傳感器兩種。
提到紅外測(cè)距傳感器， 就不能不提夏普的GP2D12紅外測(cè)距傳感器（圖5）。GP2D12幾乎可以說(shuō)是機(jī)器人愛(ài)好者的必備傳感器，在我們平時(shí)常看到的一些個(gè)人機(jī)器人作品中，絕大多數(shù)都可以看到它的身影。
無(wú)圖無(wú)真相，相信很多朋友看到GP2D12的實(shí)物圖都會(huì)禁不住感嘆：“哦，原來(lái)是它呀！”是不是很眼熟？說(shuō)實(shí)話，除了在個(gè)人機(jī)器人上，我還真沒(méi)在其他的地方見(jiàn)過(guò)這個(gè)東西。
這種傳感器的優(yōu)點(diǎn)是體積小，測(cè)量準(zhǔn)確，電源電壓與輸出信號(hào)都較常規(guī)，一般單片機(jī)系統(tǒng)都可直接使用，缺點(diǎn)是成本較高，購(gòu)買(mǎi)途徑較少。
超聲波測(cè)距傳感器（圖6）也是一種很常見(jiàn)的測(cè)距傳感器，依靠超聲波的發(fā)射與反射接收中的時(shí)間差來(lái)判斷距離，這和動(dòng)物界的蝙蝠是一樣的，算是仿生學(xué)的一項(xiàng)應(yīng)用。
超聲波測(cè)距傳感器規(guī)格很多，測(cè)試距離也從遠(yuǎn)到近都有，價(jià)格相差也較大，一般機(jī)器人愛(ài)好者使用的是測(cè)量范圍在幾厘米到幾米的。
超聲波測(cè)距的優(yōu)點(diǎn)在于測(cè)量范圍較大且不使用光學(xué)信號(hào)，所以被測(cè)物體的顏色對(duì)于測(cè)量結(jié)果沒(méi)有影響，但其成本較高。由于它依靠聲速測(cè)距，所以對(duì)于一些影響聲速的因素較敏感，比如溫度、風(fēng)速等，而且最大允許角度較小。
用于亮度判斷的傳感器
很多朋友制作的機(jī)器人都需要判斷環(huán)境光的亮度，這時(shí)就需要亮度傳感器。最常用的便是光敏電阻（圖7）。光敏電阻是一種隨著照射在上面的可見(jiàn)光強(qiáng)度變化而阻值發(fā)生相應(yīng)變化的電阻，可以根據(jù)其阻值的變化判斷出光強(qiáng)。
光敏電阻的使用也非常簡(jiǎn)單，只要將它當(dāng)作普通電阻接入電路，根據(jù)電流變化便可得出電阻值的變化，進(jìn)而判斷出光強(qiáng)的變化。對(duì)于機(jī)器人制作，光敏電阻是一種成本低廉、可靠性好、測(cè)量準(zhǔn)確的元件。
用于測(cè)量速度的傳感器
機(jī)器人自身的行走速度對(duì)于判斷機(jī)器人運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和機(jī)器人所在位置非常重要，這里我們主要討論一下對(duì)機(jī)器人小車(chē)運(yùn)動(dòng)速度的測(cè)量。
車(chē)型機(jī)器人依靠電機(jī)驅(qū)動(dòng)輪子來(lái)運(yùn)動(dòng)，因此測(cè)量機(jī)器人小車(chē)的速度可以歸結(jié)為測(cè)量驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。那么怎么測(cè)量電機(jī)的轉(zhuǎn)速呢？測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)速有很多種方法，比較適合個(gè)人機(jī)器人愛(ài)好者的是采用光電編碼器。光電編碼器也有很多種，在個(gè)人機(jī)器人上比較常見(jiàn)的有兩種，一種為反射式，一種為透射式。
反射式的基本結(jié)構(gòu)是在電機(jī)的旋轉(zhuǎn)軸上加一個(gè)圓形的黑白相間碼盤(pán)，很多都是粘在輪子上的（圖8），離碼盤(pán)很近的地方固定一個(gè)紅外發(fā)射/接收一體模塊，利用黑白色對(duì)紅外線的吸收率不同來(lái)進(jìn)行判斷。紅外線照射到黑色部分時(shí)，大部分被吸收，而無(wú)反射信號(hào)；紅外線照射到白色部分時(shí)，大部分紅外線被反射回來(lái)，而產(chǎn)生強(qiáng)烈的反射信號(hào)。當(dāng)碼盤(pán)隨電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，紅外接收端的輸出信號(hào)便是一個(gè)由旋轉(zhuǎn)速度決定頻率的方波，進(jìn)而我們便可知道此時(shí)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度。
透射式檢測(cè)原理與反射式相似。唯一的不同是它沒(méi)有圖9中黑白相間的碼盤(pán)，而是在光柵圓盤(pán)上開(kāi)了一圈小孔，紅外線或可見(jiàn)光的發(fā)射端與檢測(cè)端分別位于光柵圓盤(pán)的兩側(cè)（圖9），同樣利用光柵圓盤(pán)旋轉(zhuǎn)后產(chǎn)生的脈沖信號(hào)來(lái)檢測(cè)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度。
從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，兩種傳感器都屬于光電傳感器，這類傳感器價(jià)格便宜、結(jié)構(gòu)可靠、檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確，不過(guò)對(duì)于安裝位置要求較高。
檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速，除了光電傳感器之外，還有一些利用磁效應(yīng)原理的傳感器，汽車(chē)上經(jīng)常使用這種傳感器。
用于檢測(cè)地面灰度的傳感器
很多人最開(kāi)始做的機(jī)器人的基本功能就是循線，白色的地板上貼著一條黑線，讓機(jī)器人沿著地面的黑線前進(jìn)。很多機(jī)器人高手都是從制作類似的作品成長(zhǎng)起來(lái)的。因此，有必要介紹一下檢測(cè)地面灰度的常用傳感器。
可見(jiàn)光地面灰度檢測(cè)器，就是使用一個(gè)發(fā)光裝置與一個(gè)光敏電阻搭配，裝在機(jī)器人底部離地面較近的一個(gè)位置上。發(fā)光裝置發(fā)射可見(jiàn)光，照射到不同顏色上面后，反射光的強(qiáng)度會(huì)有一定的差異，根據(jù)光敏電阻的返回值便可知道機(jī)器人下方的地面顏色（圖10）。
筆者最初制作地面灰度檢測(cè)器的時(shí)候，是通過(guò)小燈泡來(lái)發(fā)光，可是效果不理想。后來(lái)?yè)Q了個(gè)摩托車(chē)上的6V燈泡，效果好多了，就是耗電量太大。再后來(lái)買(mǎi)了個(gè)灰度傳感器，耗電量下來(lái)了，檢測(cè)效果也還可以，但是還是會(huì)有漏測(cè)的現(xiàn)象，而且容易受到環(huán)境光的干擾，于是我就使用了一種非可見(jiàn)光的檢測(cè)方式——紅外線地面灰度檢測(cè)。
前面介紹光電編碼器時(shí)提到過(guò)，反射式光電編碼器的碼盤(pán)由黑白相間的條紋組成，利用黑白顏色對(duì)紅外線的吸收程度不同來(lái)檢測(cè)碼盤(pán)的旋轉(zhuǎn)。其實(shí)如果引申一下，把機(jī)器人循線的場(chǎng)地看成一個(gè)大碼盤(pán)，其實(shí)也是黑白相間，這樣每當(dāng)機(jī)器人越過(guò)一條白線，就相當(dāng)于光電編碼器上的碼盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)了一個(gè)最小角度，光電編碼器輸出的高、低電平便會(huì)變化一次。這種檢測(cè)方式比較準(zhǔn)確，很少出現(xiàn)漏檢的情形，抗干擾能力也比較強(qiáng)，唯一的劣勢(shì)就是對(duì)傳感器本身的離地間隙要求較高，高一點(diǎn)或矮一點(diǎn)都不行。因此，對(duì)機(jī)器人的工作環(huán)境要求較高，不平的地面肯定是不行的。
這兩種地面灰度檢測(cè)方式成本都比較低廉，具體采用哪一種，根據(jù)自己的確切應(yīng)用來(lái)決定就可以了。
其他
微電子領(lǐng)域的發(fā)展日新月異，每天都有各種各樣的新傳感器問(wèn)世，很多以前高不可攀的傳感器如今也變成了幾塊錢(qián)甚至幾毛錢(qián)一個(gè)，因此經(jīng)常去電子市場(chǎng)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)，關(guān)注一下最新的傳感器信息是必要的。
