新型感知技術
2023-03-17 來源：?智造苑
「 1. 位姿感知」
位姿感知通過非接觸式位置傳感器和姿態傳感器共同實現物體在空間的位置姿態的變化。
1）非接觸式位置傳感器
與接觸式位置傳感器不同，非接觸式位置傳感器采用霍爾效應、磁阻效應、電磁感應原理、電容原理等技術設計制造，不存在相對摩擦，產品的壽命有所提高。近幾十年來，因為電位計設計簡單、制造技術成熟、價格低廉，一直被用于位置和角度的測量，但其自身局限性，也制約了其發展。國際知名的汽車零部件廠商在十幾年前就開始致力于非接觸式位置傳感器的研發。
2）電感應式位置傳感器
電感應式位置傳感器采用電磁感應原理，即當電磁感應閉合電路的一部分導體在磁場中做切割磁力線運動時，導體中就產生感應電流。其結構同其他角度傳感器一樣，也是由定子和轉子組成的。電感式位置傳感器大致有兩種形式，一種是線圈繞組式，此類產品需要龐大的鐵心來纏繞感應線圈，體積較大，結構復雜，需要后端的信號調理電路，雖測量精度較高，但價格較貴，目前主要應用在EPS系統中的扭矩測量，KOYO公司和NSK公司都有該類型產品；一種是平面線圈式，平面線圈感應傳感器定子由平面激勵、接收線圈及電子元件組成，還包括一個標準PCB和ASIC，轉子由特定幾何形狀閉合導線制成的沖壓件（導電材料或PCB元件）制成。目前德國海拉公司采用平面線圈式位置傳感器技術設計開發的位置傳感器，在油門踏板、執行器等角度反饋中得到大量應用。平面線圈式位置傳感器設計結構比較簡單，在PCB上的定子由激勵線圈、3個感應接受線圈和其他信號處理電子元件組成，轉子是一塊簡單的沖壓金屬片。
感應式位置傳感器的關鍵不是在于平面線圈的圖形設計，而在于定制芯片技術，其信號處理單元接受線圈的電壓信號，進行整流、放大并成對地將其按比例輸出。輸出信號有模擬信號、脈沖調制信號和總線通信。同時能在-40～+50℃的溫度范圍和振動高達30g的情況下工作，具有可靠性好、壽命長、耐濕度性能好等特性，并能在各種不同形式的電磁場下工作。感應式位置傳感器的制造難點在于平面線圈的化學腐刻工藝水平，當然還有定制的信號處理單元的封裝技術，如不采用定制芯片，成本將很高。感應式位置傳感器具有如下優點：受機械公差影響小，無需設定溫度補償，不需額外的磁性材料，不受磁場和電信號的干擾，能夠實現所有汽車電磁兼容性的要求，測量角度都可達到360°，甚至更大，應用靈活，能夠實現角位移和線性位移的測量。在整個壽命周期和溫度范圍內能夠將精度保持在1%以內。在機電裝置中，這種技術可以將傳感器同其他電子元件集成到同一個PCB中。海拉傳感器的布置簡單就是其傳感器的一個最大優勢，將其集成至控制單元不需要額外的殼體和線束，線束的簡化及連接件減少，同時還有利于可靠性的提高。
3）姿態傳感器
姿態傳感器是基于MEMS技術的高性能三維運動姿態測量系統。它包含三軸陀螺儀、三軸加速計、三軸電子羅盤等輔助運動傳感器，通過內嵌的低功耗ARM處理器輸出校準過的角速度、加速度、磁數據等，通過基于四元數的傳感器數據算法進行運動姿態測量，實時輸出以四元數、歐拉角等表示的零漂移三維姿態數據。姿態傳感器可廣泛應用于航模無人機、機器人、天線平臺，聚光太陽能，地面及水下設備，虛擬現實，人體運動分析等需要低成本、高動態三維姿態測量的產品設備中。陀螺儀是利用高速回轉體的動量矩，敏感殼體相對慣性空間繞正交于自轉軸的一個或二個軸的角運動檢測裝置。利用其他原理制成的角運動檢測裝置起同樣功能的也稱陀螺儀。（圖1）
圖1 姿態傳感器
「 2. 柔性感知」
目前，許多智能化的檢測設備已經大量地采用了各種各樣的傳感器，其應用早已滲透到諸如工業生產、海洋探測、環境保護、醫學診斷、生物工程、宇宙開發、智能家居等方方面面。隨著信息時代的應用需求越來越高，對被測量信息的范圍、精度和穩定情況等各性能參數的期望值和理想化要求逐步提高。特殊環境與特殊信號下氣體、壓力、濕度的測量需求，對普通傳感器提出了新的挑戰。
面對越來越多的特殊信號和特殊環境，新型傳感器技術已向以下趨勢發展：開發新材料、新工藝和開發新型傳感器；實現傳感器的集成化和智能化；實現傳感技術硬件系統與元器件的微小型化；與其他學科的交叉整合的傳感器。同時， 還希望傳感器具有透明、柔韌、延展、可自由彎曲甚至折疊、便于攜帶、可穿戴等特點。隨著柔性基質材料的發展，滿足上述各類趨勢特點的柔性傳感器在此基礎上應運而生。
1）柔性傳感器的特點
柔性材料是與剛性材料相對應的概念，一般，柔性材料具有柔軟 、低模量 、易變形等屬性。常見的柔性材料有：聚乙烯醇（PVA）、聚酯（PET）、聚酰亞胺（PI）、聚萘二甲酯乙二醇酯（PEN ）、紙片、紡織材料等。而柔性傳感器則是指采用柔性材料制成的傳感器，具有良好的柔韌性、延展性，甚至還可自由彎曲甚至折疊，而且結構形式靈活多樣，可根據測量條件的要求任意布置，能夠非常方便地對復雜被測量進行檢測。新型柔性傳感器在電子皮膚、醫療保健、電子、電工、運動器材、紡織品、航天航空、環境監測等領域受到廣泛應用。
2）柔性傳感器的分類
柔性傳感器種類較多，分類方式也多樣化。按照用途分類，柔性傳感器包括壓力傳感器、氣體傳感器（酒駕檢測）、濕度傳感器（天氣預報）、溫度傳感器（體溫計）、應變傳感器、磁阻抗傳感器和熱流量傳感器（冰箱）等；按照感知機理分類，柔性傳感器包括電阻式、電容式、壓磁式和電感式等。
3）常見柔性傳感器
（1）柔性氣體傳感器
柔性氣體傳感器在電極表面布置對氣體敏感的薄膜材料，其基底是柔性的，具備輕便、柔韌易彎曲、可大面積制作等特點，薄膜材料也具備更高的敏感性和相對簡便的制作工藝而備受關注。這很好地滿足了特殊環境下氣體傳感器的便攜、低功耗等需求，打破了以往氣體傳感器不易攜帶、測量范圍不全面、量程小、成本高等不利因素，可對NH、NO、乙醇氣體進行簡單精確的檢測，從而引起了人們的廣泛關注 。
（2）柔性壓力傳感器
柔性壓力傳感器在智能服裝、智能運動、機器人“皮膚”等方面有廣泛運用。聚偏氟乙烯、硅橡膠、聚酰亞胺等作為其基底材料已廣泛用于柔性壓力傳感器的制作，它們有別于采用金屬應變計的測力傳感器和采用n型半導體芯片的擴散型普通壓力傳感器，具有較好的柔韌性、導電性及壓阻特性。（圖2）
圖2柔性壓力傳感器
（3）柔性濕度傳感器
濕度傳感器主要有電阻式、電容式兩大類。濕敏電阻器特點是在基片上覆蓋一層用感濕材料制成的膜，當空氣中的水蒸汽吸附在感濕膜上時，元件的電阻率和電阻值都發生變化，利用這一特性即可測量濕度。濕敏電容器一般是用高分子薄膜制成，常用的高分子材料有聚苯乙烯、聚酰亞胺、酪酸醋酸纖維等。
濕度傳感器正從簡單的濕敏元件向集成化、智能化、多參數檢測的方向迅速發展，傳統的干濕球濕度計或毛發濕度計已無法滿足現代科發展的需要。柔性濕度傳感器以低成本、低能耗、易于制造和易集成到智能系統制造等優點已被廣泛研究。制作該類柔性濕度傳感器的基底材料與其他柔性傳感器類似，制造濕度敏感膜的方法也有很多，包括浸涂、旋轉涂料、絲網印刷和噴墨印刷等。
柔性傳感器結構形式靈活多樣，可根據測量條件的要求任意布置，能夠非常方便地對特殊環境與特殊信號進行精確快捷測量，解決了傳感器的小型化、集成化 、智能化發展問題，這些新型柔性傳感器在電子皮膚、生物醫藥、可穿戴電子產品和航空航天中有重要作用。但目前對于碳納米管和石墨烯等用于柔性傳感器的材料制備技術工藝水平還不成熟，也存在成本、適用范圍、使用壽命等問題。常用柔性基底存在不耐高溫的缺點，導致柔性基底與薄膜材料間應力大、粘附力弱。柔性傳感器的組裝、排列、集成和封裝技術也還有待進一步提高。
4）柔性傳感器的常用材料
（1）柔性基底。為了滿足柔性電子器件的要求，輕薄、透明、柔性和拉伸性好、絕緣耐腐蝕等性質成為了柔性基底的關鍵指標。在眾多柔性基底的選擇中，聚二甲基硅氧烷（PDMS）成為了人們的首選。它的優勢包括方便易得、化學性質穩定、透明和熱穩定性好等。尤其在紫外光下粘附區和非粘附區分明的特性使其表面可以很容易的粘附電子材料。很多柔性電子設備通過降低基底的厚度來獲得顯著的彎曲性；然而，這種方法局限于近乎平整的基底表面。相比之下，可拉伸的電子設備可以完全粘附在復雜和凹凸不平的表面上。目前，通常有兩種策略來實現可穿戴傳感器的拉伸性。第一種方法是在柔性基底上直接粘合低楊氏模量的薄導電材料；第二種方法是使用本身可拉伸的導體組裝器件。通常是由導電物質混合到彈性基體中制備。
（2）金屬材料。金屬材料一般為金銀銅等導體材料，主要用于電極和導線。對于現代印刷工藝而言，導電材料多選用導電納米油墨，包括納米顆粒和納米線等。金屬的納米粒子除了具有良好的導電性外，還可以燒結成薄膜或導線。
（3）無機半導體材料。以ZnO和ZnS為代表的無機半導體材料由于其出色的壓電特性，在可穿戴柔性電子傳感器領域顯示出了廣闊的應用前景。
（4）有機材料。大規模壓力傳感器陣列對未來可穿戴傳感器的發展非常重要?；趬鹤韬碗娙菪盘枡C制的壓力傳感器存在信號串擾，導致測量不準確，這個問題成為發展可穿戴傳感器最大的挑戰之一。而晶體管的使用為減少信號串擾提供了可能。因此，在可穿戴傳感器和人工智能領域的很多研究都是圍繞如何獲得大規模柔性壓敏晶體管展開的。
5）柔性傳感器的應用
柔性電子涉及很多領域，華為發布的柔性可折疊手機也采用了柔性電子技術，一般的柔性電子采用有機和無機材料混合制造，具有非常好的柔韌性。柔性傳感器是利用柔性材料制作的傳感器，這種傳感器具有非常強的環境適應性，同時隨著物聯網和人工智能的發展，很多柔性傳感器具有集成度高和智能化的特點。
柔性傳感器的優勢讓它有非常好的應用前景，包括在醫療電子、環境監測和可穿戴等領域。例如在環境監測領域，科學家將制作成的柔性傳感器置于設備中，可監測臺風和暴雨的等級；在可穿戴方面，柔性的電子產品更易于測試皮膚的相關參數，因為人的身體不是平的。
柔性壓力傳感器在智能服裝、智能運動、機器人“皮膚”等方面有廣泛運用。聚偏氟乙烯、硅橡膠、聚酰亞胺等作為其基底材料已廣泛用于柔性壓力傳感器的制作，它們有別于采用金屬應變計的測力傳感器和采用 n 型半導體芯片的擴散型普通壓力傳感器，具有較好的柔韌性、導電性及壓阻特性。余建平等人提出了一種能夠同時實現向壓力與向剪切力測量的新型三維柔性電容觸覺傳感陣列?；谌嵝杂∷㈦娐钒澹‵PCB）的感應電極層和基于聚二甲基硅氧烷（PDMS）的浮動電極層，將脆弱的接口電路加工在底部的感應電極層上，大幅提高傳感陣列的撓曲剛度。衣衛京等人將碳系導電復合材料涂覆到針織面料后形成的導電針織面料，其具有明顯的壓阻性能。在壓力范圍內該導電針織面料的壓力與電阻關系呈現良好的線性關系，且具有良好的重復性。該面料可以用于智能服裝、柔性人臺等的壓力測量，對于可穿戴設備的研究具有一定意義。利用PEN作為柔性襯底，有機材料作為導電層制作得到的浮柵型存儲器具有良好的性能，制作的柔性壓力感知陣列也具有較高的分辨率。SoHM等在垂直排列的碳納米管排列中嵌入PDMS 電極層制作出柔性壓力傳感器，能模擬觸覺傳感功能，可用于機器人“皮膚”研究。
「 3. 工件識別感知」
工件的檢測識別是工業生產中必不可少的步驟，其主要目的是辨識送入機床待加工的工件或者毛坯是否是要求加工的工件或毛坯，同時還要求辨識工件或毛坯的當前位姿信息。在小型或自動化要求不高的工業生產中，工件的檢測識別可由人工完成，而在大型工業生產或柔性制造自動化系統中，需要將大量的各類工件自動地送到加工系統中的不同加工設備中去，因此需要對工件進行自動檢測識別，利用計算機視覺結合人工智能的方法來實現工件的自動檢測識別，這是當前研究的重要領域。根據統計，人類接受的信息80％以上來自視覺，因此采用視覺傳感器比采用其他傳感器獲取工作環境及工件信息等有多方面的優勢[1]，表現為：
（1）即使在丟棄了絕大部分的視覺信息后，所剩下的關于周圍環境的信息仍然比激光雷達和超聲波等更多更精確。
（2）激光雷達和超聲等傳感器的原理都是通過主動發射脈沖和接受反射脈沖來測距的，因此當多個工件同時在工作臺上時，相互之間可能產生干擾，而視覺是被動測量，不存在這種問題。
（3）激光雷達和超聲波數據的采樣周期一般比攝像機長，不能及時為高速運動的機器人提供信息，相比之下，視覺傳感器的采樣速率則非?？?。
當然，視覺傳感器也存在一些缺點，如在霧天、陽光直射以及晚上還不如毫米波雷達等主動式傳感器；主動式傳感器可以直接測量目標的距離、運動速度等參量，而視覺則需要經過計算才能得到。然而在結構化環境中，如實驗室環境、自動化生產車間等，視覺傳感器在信息量和采集速度上的兩大優勢決定了其在工件自動檢測識別的發展中必將起著至關重要的作用。隨著計算機性能的不斷提高和計算機視覺技術的快速發展和完善，利用計算機來識別圖像中的目標己經成為研究的熱點。更由于高速的硬件實現方法的普及與推廣，使得實時的圖像識別技術得以更好地應用于實踐。因此，利用計算機視覺結合人工智能的方法來實現工件的自動檢測識別都具有重大的實踐意義。
工件的檢測識別的初期主要采用人工識別的方法。但是隨著在線速度的不斷加快，對工件檢測識別要求的不斷提高，人工檢測識別已逐漸不能適應工業發展的需要。于是涌現了大量新興的技術以滿足工件檢測識別的要求，如渦流檢測技術、紅外檢測技術、超聲波檢測技術、射線檢測技術、全息攝影檢測技術、機器視覺檢測技術等。這些技術給工件檢測識別注入了新的活力，也使工件的自動化程度迅速提高。在這些新興技術中，機器視覺系統以其獲取信息豐富、精確的優點獲得了最為廣泛的應用，如機器人裝配的視覺輔助可以識別零部件尺寸、形狀，以保證裝配的正確性和質量的控制。同時，還可以按視覺識別的信息，利用物流系統裝卸產品，對快速行進中的工零件進行識別，確定物體相對于坐標的位置與姿態，完成物件定位和分類，辨識物體的位置距離與姿態角度，提取規定參數的特征并完成識別，進行誤差的檢測等。
目前工件識別方法多采用基于傳統攝像機的標定方法。從計算思路的角度上看，傳統的攝像機標定方法可以分成四類，即利用最優化算法的標定方法，利用攝像機變換矩陣的標定方法，進一步考慮畸變補償的兩步法和采用更為合理的攝像機成像模型的雙平面標定方法。根據求解算法的特點也可以將它分為直接非線性最小化方法（迭代法）、閉式求解方法和兩步法。
（1）利用最優化算法的標定方法。這一類攝像機標定方法可以假設攝像機的光學成像模型非常復雜，包括成像過程中各種因素，并通過求解線性方程的手段來求取攝像機模型的參數。然而這種方法完全沒有考慮攝像機過程中的非線性畸變問題，為了提高標定精度，非線性最優化算法仍不可避免。該方法主要有以下兩個方面的缺點：首先，攝像機標定的結果取決于攝像機的初始給定值，如果初始值給得不恰當，很難通過優化程序得到正確的標定結果；其次，優化程序非常費時，無法實時地得到標定結果。Dainis和Juberts給出了利用直接線性變換方法，引入了非線性畸變因素后進行攝像機標定的結果，他們的系統是為了準確的測量機器人的運動軌跡。該系統能夠實時地測量出機器人的運動軌跡，但并不要求標定算法對系統的標定是實時的。
（2）利用攝像機變換矩陣的標定方法。從攝影測量學中的傳統方法可以看出，刻畫三維空間坐標系與二維圖像坐標系關系的方程一般說來是攝像機內部參數和外部參數的非線性方程。如果忽略攝像機鏡頭的非線性畸變并且把透視變換矩陣中的元素作為未知數，給定一組三維控制點和對應的圖像點，就可以利用線性方法求解透視變換矩陣中的各個元素。這一類標定方法的優點是不需利用最優化方法來求解攝像機的參數，從而運算速度快，能夠實現攝像機參數的實時的計算。但仍然存在如下缺點：首先，標定過程中不考慮攝像機鏡頭的非線性畸變，標定精度受到影響；其次，線性方程中未知參數的個數大于要求解的獨立的攝像機模型參數的個數，線性方程中未知數不是相互獨立的。這種過分參數化的缺點是，在圖像含有噪聲的情況下，解得線性方程中的未知數也許能很好的符合這一組線性方程，但由此分解得到的參數值卻未必與實際情況很好地符合。利用透視變換矩陣的攝像機標定方法被廣泛應用于實際的系統，并取得了滿意的結果。
（3）兩步法。該標定方法的思想是先利用直接線性變換方法或者透視變換矩陣方法求解攝像機參數，再以求得的參數為初始值，考慮畸變因素，并利用最優化算法進一步提高標定精度。[2]
參考文獻
[1]Hong-Seok Park，Ngoc-Hien Tran. Development of a smart machining system using self-optimizing control[J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2014 (9-12).
[2]Pavel Kovac，Dragan Rodic，Vladimir Pucovsky，et al. Multi-output fuzzy inference system for modeling cutting temperature and tool life in face milling[J]. Journal of Mechanical Science and Technology，2014 (10).
引自：《智能制造裝備基礎》（作者：吳玉厚、陳關龍、張珂、趙德宏、鞏亞東、劉春時）
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