机械人的五官

何 谓传感器呢？以人类来比喻机械人的话，传感器正是人类的五官。过去数十年机械人技术进步神速，有自主性、具备简单思考能力的机械人陆续出现。虽然如此，但 这些机械人若要懂得自己决定执行何种任务，和如何执行任务，那还须先对自己的处境完全了解才行，这正是自动控制的概念（详情可参阅第88期《今日校 园》）。而传感器在自动控制系统是不可或缺的一部份，因此近年传感器的重要性日渐提高。部份工程学院更将机械人感测技术列作独立学科。

传感器的应用

机 械人工程师的其中一个梦想，是造出跟人类一样灵活的两足机械人。大家有没有想过一个两足机械人究竟需要多少个感应装置来达成平衡身体的目的呢？以笔者喜爱 的ASIMO机械人为例，它包括关节角度传感器（Joint-angle sensor）、六轴力度传感器（6-axis force sensor）、加速度传感器（Acceleration sensor）和回转仪（Gyroscope，即陀螺仪）等等。关节角度传感器用来辨认关节在各个时刻的位置。六轴力度传感器安装在手腕和脚腕，手腕的感 应器用来感应手部的移动方向和力度，腿部的传感器配合摄影机拍摄得来的映像，决定ASIMO的下一个脚步的位置和方向。加速度传感器及回转仪用来感应身驱 倾斜和加速的程度以平衡身体。

不 要以为只有两足机械人的感测系统才这么复杂，看看美国太空总署火星探测计划的「勇气号」和「机遇号」号探测车便会明白。由于两部探测车需要在火星变化多端 的气候和地势下自动执行科学任务，因此需要在探测车上安装两类感应装置。一种是导航及定位系统，包括导航摄像机、避危摄像机、惯性量测装置 （Inertial measurement unit）和距离传感器。另一种是科学考察用传感系统，有全景照相机（Panoramic Camera）、显微成像器（Microscopic Imager）、微型热发射分光计（Miniature Thermal Emission Spectrometer, Mini-TES）、穆斯堡尔分光计（Mossbauer Spectrometer）、α质子X射线分光计（Alpha Particle X-Ray Spectrometer）和磁数组（Magnet Array）。

以 上例子证明，传感器对于需要应付多重任务的机械人是何等重要。跟人类不同的是，机械人传感器不但用来了解外面的世界，同时亦用来了解机械人的内部运作情 况。再加上机械人始终不及人类的器官精密细致，往往需要设计个别的传感器，针对性地侦测某种讯号，因此机械人的感应装置十分多元化。简单来说可分为内部和 外部传感器。

内部传感器

以 机械工程的角度来看，机械人就像一具以关节将多个肢体互相连接起来的活动装置，每个关节由传动装置（Actuators）推动连系着的两个肢体，来改变它 们的位置或状态。内部传感器（又称「本体感受器」Proprioceptor）正是用来测量机械人的运动和动态参数，让机械人的控制系统决定各个传动装置 该如何驱动每个关节，从而做出所要求的动作。运动参数包括关节位置、速度和加速度；动态参数则包括力度、转矩（Torque）和惯性。组件包括电位计、同 步分析器、编码器、变量差动变压器、感应同步器等。

外部传感器

外 部传感器又可称为外受器（Exteroceptor），是相对于内部传感器而言，探测机械人所身处环境的状况。外部传感器又可分为接触式传感器 （Contact sensor）、近距传感器（Proximity sensor）和远距传感器（“Far away” sensor）。右图 : ?对值编码器 (Absolute shaft encoder)

接触式传感器

接 触式传感器又可视为末端传动装置传感器，因为这种传感器通常安装在机械人的传动装置如手、脚等执行装置。接触式传感器主要有两种用途：测量末端传动装置施 加于被抓对象的力度/转矩，例如测力器（Load cell）和应变计（Strain gage）；另外是透过触觉（Tactile）来收集被接触物的相关数据，例如传导弹性体（Conductive elastomer）、压阻效应、电容和光电传感器。

各种测力器

近距传感器

近距传感器（Proximity Sensor）是针对避开对象或探测正在接近机械人的外界物件。近距传感器依照其运作原理，可分为磁敏（探测具磁性的物体）、电容（探测固体或液体）、超声波和光学（透过发射脉冲并接收反射回机械人的讯号来探测对象）传感器。

远距传感器

远 距传感器可分为两类：范围检测（Range sensing）传感器量度机械人工作范围内与其他物体的距离，通常应用于机械人巡逻、避开障碍物和弥补单目视觉（Monocular vision）机械人的视觉缺憾。范围检测传感器共有两种：飞行时间（Time-of-flight）传感器会向目标发射脉冲，然后测量脉冲接触到目标和 返回传感器所需的时间，声纳和激光测距器都属这一类；而三角测量（Triangulation）传感器，就根据简单的三角数学方法（相信高中生也懂得固中 原理），利用两个传感器，得出两个传感器之间的距离和每个传感器面向目标的视角（View angle），便可计算出目标与机械人本身的距离。

至 于另一类远距传感器便是大家都拥有的视觉。机械人的视觉系统内最重要的感测组件，便是藏身于各类数码拍摄器材和计算机扫描仪的电荷耦合器件（Charged Coupled Device, CCD）。CCD会将收集得来的映像经过取样及量化，转换为电子讯号，然后交由微处理器进行前期处理、分段、描述、辨识、解译等数字图像处理工序。但由于 解像度降低、视差以及机械手臂造成视觉障碍等问题，令机械人视觉的可靠性受质疑。右图: 装有拍摄镜头的机械臂