تقنية استشعار جديدة للروبوتات الحديثة

“يلعب تطوير الدوائر المتكاملة للتحكم والاتصال دورًا مهمًا في تحقيق الجيل القادم من الروبوتات. ومع ذلك ، فإن جوهر هذه الروبوتات الحديثة المتطورة هو ظهور ودمج العديد من تقنيات الاستشعار الجديدة والمصغرة ومنخفضة التكلفة. تتضمن العديد من تقنيات المستشعرات الرئيسية الحاسمة لتمكين الجيل التالي من الروبوتات ، مستشعرات الموضع المغناطيسي ، وأجهزة استشعار التواجد ، وأجهزة استشعار الإيماءات ، ومستشعرات عزم الدوران ، وأجهزة الاستشعار البيئية ، ومستشعرات إدارة الطاقة.

“

وفقًا لشركة Memes Consulting ، يلعب تطوير الدوائر المتكاملة للتحكم والاتصال دورًا مهمًا في تحقيق الجيل القادم من الروبوتات. ومع ذلك ، فإن جوهر هذه الروبوتات الحديثة المتطورة هو ظهور ودمج العديد من تقنيات الاستشعار الجديدة والمصغرة ومنخفضة التكلفة. تتضمن العديد من تقنيات المستشعرات الرئيسية الحاسمة لتمكين الجيل التالي من الروبوتات ، مستشعرات الموضع المغناطيسي ، وأجهزة استشعار التواجد ، وأجهزة استشعار الإيماءات ، ومستشعرات عزم الدوران ، وأجهزة الاستشعار البيئية ، ومستشعرات إدارة الطاقة.

مستشعرات الوضع المغناطيسي – أبطال ثورة الروبوتات

واحدة من أكثر تقنيات الاستشعار انتشارًا في مجال الروبوتات الاستهلاكية ، والخدمات المهنية ، والاجتماعية ، وحتى الروبوتات الصناعية اليوم هي الدائرة المتكاملة لمستشعر الموضع الزاوي المغناطيسي (IC). انظر الشكل 1. حاليًا ، يتم استخدام اثنين أو أكثر من الدوائر المتكاملة لمستشعر الموضع الزاوي المغناطيسي في كل مفصل تقريبًا لخدمة المستهلك أو الخدمة المهنية أو الروبوتات الاجتماعية. يتطلب كل محور حركة أو دوران مفصل استخدام حساس زاوية مغناطيسي واحد على الأقل. تستخدم العديد من روبوتات اليوم محركات DC صغيرة ولكنها قوية بدون فرش (BLDCs) لتحريك مفاصل وأطراف الروبوت. من أجل قيادة المحرك بشكل صحيح ، يجب معرفة الوضع الحالي للمحرك.

الشكل 1 مستشعر الموضع المغناطيسي باستخدام مغناطيس على شكل قرص

يتم استخدام الدوائر المتكاملة لمستشعر الموضع الزاوي المغناطيسي بشكل متزايد لتوفير ردود فعل على تبديل المحرك لوحدات التحكم في المحركات التي تحرك المفاصل. انظر الشكل 2. بالإضافة إلى ذلك ، يتطلب التحكم في محرك الحلقة المغلقة لمفاصل الروبوت أيضًا ردود فعل زاويّة من تروس المفصل. لذلك ، يلزم وجود مستشعرين مغناطيسيين للوضع الزاوي على كل محور حركة لمفصل الروبوت. على سبيل المثال ، عندما يحتاج كاحل الروبوت إلى التحرك للأمام والخلف والدوران في محورين في وقت واحد ، يلزم وجود أربعة مستشعرات للموضع المغناطيسي. نظرًا لهذا المطلب المضاعف لكل مفصل ، والعدد المتزايد بشكل كبير من المفاصل المطلوبة في معظم الروبوتات ، فمن الواضح سبب استخدام مستشعرات الزاوية المغناطيسية في الكثير من أحدث الروبوتات اليوم.

الشكل 2 الشكل 2. ذراع آلية مع مستشعر موضع مغناطيسي

ولكن لماذا تختار IC مستشعر موضع الزاوية المغناطيسية؟

توفر أحدث مستشعرات الموضع الزاوي المغناطيسية اليوم ، مثل AS5047P و AS5600L من AMS ، العديد من المزايا مقارنة بتقنيات مستشعر الموضع المتنافسة المستخدمة سابقًا في المفاصل الروبوتية. تقدم الدوائر المتكاملة الجديدة لمستشعر الموضع المغناطيسي دقة عالية وقابلية للتكرار. بالإضافة إلى ذلك ، نظرًا لتصنيعها باستخدام تقنية السيليكون CMOS ، فإنها تتطلب قدرًا ضئيلًا جدًا من الطاقة والوزن والحجم مقارنة بتقنيات مستشعر الموضع المنافسة مثل أجهزة التشفير والمحللات الكهروضوئية. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن أن تعمل الدوائر المتكاملة لمستشعر الموضع المغناطيسي في بيئات قاسية للغاية ، بما في ذلك درجات الحرارة القصوى والبيئات المتسخة والمتربة. بعض مستشعرات الموضع المغناطيسي ، مثل الخط الكامل لمستشعر الموضع المغناطيسي من AMS ، محصنة ضد الحقول الشاردة التي توجد عادة في بيئات العمل الروبوتية. أخيرًا ، على عكس مقاييس الجهد المقاومة التي توجد عادة في مجموعات المحركات المؤازرة التقليدية للروبوتات الاجتماعية / الألعاب منخفضة التكلفة ، فإن مستشعر الموضع المغناطيسي غير متصل ولا يحتوي على أجزاء ميكانيكية متحركة ، لذلك لن يتآكل. بسبب كل هذه المزايا المتأصلة ، يتم اعتماد مستشعرات موضع الزاوية المغناطيسية على نطاق واسع في الروبوتات الاجتماعية والخدمة المهنية والمستهلكين اليوم ، وحتى الآن في الروبوتات الصناعية.

جهاز استشعار الوجود

الآن ، يتم دمج العديد من تقنيات مستشعر الوجود في روبوتات اليوم ، ويتم دمج بياناتها معًا لتزويد الروبوت بالإدراك البصري المكاني واكتشاف الأشياء وتجنبها. تعد كاميرات الاستريو ثنائية وثلاثية الأبعاد ذات رؤية مشتركة شائعة في روبوتات الخدمة الاحترافية والمستهلكين الجدد اليوم. ومع ذلك ، يتم أيضًا نشر تقنيات الاستشعار المتقدمة الجديدة ، بما في ذلك أجهزة استشعار الكشف عن الضوء وتحديد المدى المستندة إلى وقت الطيران (LiDAR) ، بشكل متزايد في الروبوتات. يوفر LiDAR روبوتًا برسم خرائط ثلاثي الأبعاد عالي الدقة لمساحة العمل والمناطق المحيطة به حتى يتمكن من أداء المهام والتحرك بشكل أفضل. انظر الشكل 3.

الشكل 3 رسم خرائط LiDAR

وبالمثل ، تُستخدم أيضًا أجهزة الاستشعار فوق الصوتية لاستشعار الوجود. كما هو الحال مع مستشعرات نظام إنذار السلامة المستخدمة عند عكس السيارة ، يتم استخدام أجهزة الاستشعار بالموجات فوق الصوتية في الروبوت لاكتشاف العوائق القريبة في حالة الاصطدام بالجدران والأشياء والروبوتات الأخرى والأشخاص. بالإضافة إلى ذلك ، يمكنهم لعب دور عندما يؤدي الروبوت مهامه الوظيفية الرئيسية. لذلك ، تلعب المستشعرات فوق الصوتية دورًا مهمًا في التنقل في المجال القريب وتجنب العقبات ، مما يؤدي في النهاية إلى تحسين الأداء العام وسلامة الروبوت.

ومع ذلك ، فإن أجهزة الاستشعار بالموجات فوق الصوتية لها نطاق محدود من حوالي سنتيمتر إلى بضعة أمتار ، والحد الأقصى لزاوية المخروط حوالي 30 درجة. إنها منخفضة التكلفة نسبيًا ولديها دقة عالية من مسافة قريبة ، لكن دقتها تتناقص مع زيادة المسافة وزاوية القياس. كما أنها عرضة للتغيرات في درجة الحرارة والضغط ، فضلاً عن التداخل من أجهزة الاستشعار فوق الصوتية التي تستخدم روبوتات أخرى مضبوطة على نفس التردد. ومع ذلك ، عند دمجها مع مستشعرات التواجد الأخرى ، يمكنها توفير معلومات مفيدة وموثوقة عن الموقع.

عندما يتم دمج كل بيانات مستشعر الوجود (الكاميرات ثنائية / ثلاثية الأبعاد ، LiDAR ، والموجات فوق الصوتية) معًا ، كما بدأنا الآن في رؤية روبوتات الخدمة الاحترافية / المهنية المتطورة والروبوتات الصناعية ، فإن هذه الروبوتات قادرة على القيام بعمل ممتاز مهمة تفسير ما يحيط بهم: الوعي المكاني ، التحرك وتنفيذ مهام أكثر تعقيدًا دون الإضرار بنفسك أو الناس أو محيطهم.

مستشعرات الإيماءات للتفاعل بين الإنسان والحاسوب

يتم أيضًا دمج مستشعرات الإيماءات بشكل متزايد في بعض الروبوتات الأكثر تطوراً اليوم للمساعدة في توفير أوامر واجهة المستخدم. تشتمل تقنيات مستشعر الإيماءات على مستشعرات بصرية ومستشعرات تحكم على غرار حزام الذراع يرتديها مشغل الروبوت.

باستخدام مستشعرات الإيماءات الكهروضوئية ، يمكن تدريب الروبوتات على التعرف على حركات اليد المحددة وأداء مهام معينة وفقًا لإيماءات محددة أو حركات اليد. توفر مستشعرات الإيماءات هذه العديد من الفوائد للمعاقين وضعاف الاتصال في المنزل أو في المستشفى ، وكذلك في المصانع الذكية.

يمكن للمشغل الذي يرتدي مستشعر تحكم على شكل شارة الذراع التواصل مع روبوت صناعي أو طبي أو عسكري تعاوني والتحكم في الروبوت لأداء و / أو تقليد مهام معينة وفقًا لحركات وإيماءات ذراع المشغل. على سبيل المثال ، يمكن للجراح الذي يرتدي أجهزة استشعار على ذراعيه أن يتحكم في أذرع روبوت التطبيب عن بعد لإجراء عملية جراحية ، ربما على الجانب الآخر من العالم.

مستشعر عزم الدوران

تستخدم مستشعرات عزم الدوران أيضًا بشكل متزايد في روبوتات الجيل التالي. لا تُستخدم مستشعرات عزم الدوران في المؤثرات النهائية ومقابض الروبوتات فحسب ، بل تُستخدم أيضًا في أجزاء أخرى من الروبوت ، مثل الجذع والذراعين والساقين والرأس. تُستخدم مستشعرات عزم الدوران الخاصة هذه لمراقبة الحركة السريعة للأطراف ، واكتشاف العوائق وتقديم تنبيهات السلامة للمعالج المركزي للروبوت. على سبيل المثال ، عندما يكتشف مستشعر عزم الدوران في ذراع آلية قوة مفاجئة وغير متوقعة ناجمة عن اصطدام الذراع بجسم ما ، يمكن لبرنامج أمان التحكم الخاص به إيقاف الذراع عن الحركة وسحب موضعه.

تعمل مستشعرات عزم الدوران أيضًا مع مستشعرات التواجد ومستشعرات مراقبة السلامة الأخرى ، مثل المستشعرات البيئية ، لتوفير إمكانات عامة لمراقبة المنطقة الآمنة.

جهاز استشعار بيئي

تشق أجهزة الاستشعار البيئية المختلفة طريقها أيضًا إلى الروبوتات الصناعية والاستهلاكية. تشتمل المستشعرات البيئية على أجهزة استشعار تكتشف المركبات العضوية المتطايرة (المركبات العضوية المتطايرة) المتعلقة بجودة الهواء ، وأجهزة استشعار درجة الحرارة والرطوبة ، وأجهزة استشعار الضغط ، وحتى أجهزة الاستشعار التي تكتشف وجود الضوء. لا تساعد هذه المستشعرات في ضمان عمل الروبوت دائمًا بأمان وكفاءة ، ولكنها أيضًا تجعل الأشخاص المحيطين به على دراية بالظروف البيئية غير الآمنة.

مجسات إدارة الطاقة

تم أيضًا دمج مستشعرات إدارة الطاقة في روبوتات الأتمتة الحالية للمساعدة في إطالة وقت عمل الروبوت والتأكد من أن بطاريات الليثيوم (أكثر أنواع البطاريات شيوعًا في روبوتات الأتمتة الحالية) لا ترتفع درجة حرارتها عند شحنها أو تفريغها. انظر الشكل 4. تستخدم مستشعرات إدارة الطاقة أيضًا لتنظيم الجهد وإدارة الطاقة والحرارة لمحركات المفصل الروبوتية. تتطلب جميع الأجهزة الروبوتية المدمجة مثل المعالجات الدقيقة وأجهزة الاستشعار والمشغلات مصادر طاقة منخفضة التموج وتنظيم الجهد لضمان عملها بكفاءة وبشكل صحيح.

تشمل أحدث حلول المستشعرات لإدارة الطاقة الروبوتية مستشعرات كولومبية لتفريغ البطارية وشحنها ، وأجهزة استشعار دقيقة وموثوقة لمراقبة درجات الحرارة الزائدة لمنظمي الجهد ، وأجهزة الاستشعار الحالية في أجهزة إدارة البطارية.

الشكل 4 إدارة الطاقة – مهمة للروبوتات الآلية

بفضل تكامل ودمج كل تقنيات الاستشعار الجديدة والمبتكرة هذه ، يمكن لأحدث روبوتات اليوم العمل بشكل أكثر استقلالية وأمان. بالإضافة إلى ذلك ، بفضل التحسينات الهائلة في قوة الحوسبة وإمكانيات البرامج والذكاء الاصطناعي ، إلى جانب تقنيات الاستشعار الجديدة هذه ، يمكن استخدام روبوتات الجيل التالي بسهولة أكبر لدعم مجموعة متنوعة من التطبيقات. علاوة على ذلك ، يمكنهم أداء المهام بدقة وسرعة أكبر من الروبوتات السابقة. أخيرًا ، يمكنهم العمل والعمل بشكل أكثر استقلالية وتعاونًا وأمانًا في بيئة المنزل والأعمال والتصنيع الأوسع.