面臨AI、人形機(jī)器人 傳感器怎么更“帶感”

提升精度與靈敏度

• 高分辨率探測(cè)能力：
  • 在 AI 與人形機(jī)器人應(yīng)用場(chǎng)景中，對(duì)于環(huán)境感知的精度要求極高。比如人形機(jī)器人在執(zhí)行抓取物品的任務(wù)時(shí)，需要依靠觸覺(jué)傳感器精確感知所抓物體的表面紋理、硬度以及施加多大合適的力度才能穩(wěn)固抓取而又不損壞物體。像一些新型的電容式觸覺(jué)傳感器，能夠區(qū)分出極其細(xì)微的壓力變化，分辨率可以達(dá)到毫米甚至更小尺度下的壓力差異感知，從而讓機(jī)器人的手部動(dòng)作更加精準(zhǔn)、靈活，仿佛真的擁有了人類般敏銳的觸覺(jué) “手感”。
  • 視覺(jué)傳感器方面，為了能讓機(jī)器人在復(fù)雜環(huán)境中準(zhǔn)確識(shí)別物體、判斷距離等，高像素、高幀率以及具備出色光學(xué)變焦和對(duì)焦能力的攝像頭不斷被研發(fā)應(yīng)用。例如工業(yè)場(chǎng)景中，AI 輔助的機(jī)器人要分揀不同規(guī)格、外觀相似的零部件，高精度的視覺(jué)傳感器可以清晰捕捉零部件的細(xì)微特征，哪怕是零件上幾毫米的劃痕、顏色差異等都能精準(zhǔn)分辨，進(jìn)而準(zhǔn)確分類分揀，這遠(yuǎn)比過(guò)去精度低的傳感器 “帶感” 得多，極大提高了生產(chǎn)效率和準(zhǔn)確率。
• 拓展感知范圍：
  • 對(duì)于人形機(jī)器人來(lái)說(shuō)，要像人一樣自如地在空間中活動(dòng)，傳感器的感知范圍需要不斷拓展。例如激光雷達(dá)傳感器，其探測(cè)范圍從過(guò)去的幾十米不斷提升，如今部分先進(jìn)的激光雷達(dá)在開闊環(huán)境下能夠?qū)崿F(xiàn)幾百米的有效探測(cè)距離，而且可以 360 度全方位掃描周邊環(huán)境，為人形機(jī)器人的移動(dòng)、避障以及路徑規(guī)劃提供更全面、準(zhǔn)確的環(huán)境信息。
  • 紅外傳感器也在不斷優(yōu)化感知角度和距離范圍，在黑暗或者有遮擋的環(huán)境中，能夠更廣泛地探測(cè)到熱源物體的存在和位置，這對(duì)于一些需要在特殊環(huán)境作業(yè)的人形機(jī)器人（如夜間巡邏、火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)救援偵查等場(chǎng)景下的機(jī)器人），能更好地幫助它們提前發(fā)現(xiàn)潛在危險(xiǎn)或者目標(biāo)物體，增強(qiáng)機(jī)器人整體的環(huán)境適應(yīng)性和任務(wù)執(zhí)行能力。

多傳感器融合實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)

• 不同類型傳感器協(xié)同工作：
  • 人形機(jī)器人在行走過(guò)程中，往往會(huì)結(jié)合視覺(jué)傳感器、慣性測(cè)量單元（IMU）以及足底壓力傳感器等共同作用。視覺(jué)傳感器負(fù)責(zé)識(shí)別周圍的地形、障礙物等視覺(jué)特征；慣性測(cè)量單元實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)機(jī)器人的姿態(tài)變化，比如傾斜角度、加速度等；足底壓力傳感器則感受腳底與地面接觸的壓力分布情況，判斷地面的平整度、是否打滑等。當(dāng)機(jī)器人邁上一個(gè)有一定坡度的臺(tái)階時(shí)，視覺(jué)傳感器先識(shí)別出臺(tái)階的存在、高度等外觀信息，IMU 同時(shí)監(jiān)測(cè)機(jī)器人身體的傾斜調(diào)整情況，足底壓力傳感器反饋腳底壓力變化來(lái)輔助機(jī)器人調(diào)整腳步力度和平衡，通過(guò)這樣的協(xié)同配合，機(jī)器人可以更穩(wěn)定、流暢地完成上下臺(tái)階動(dòng)作，就像人類依靠多種感官配合完成復(fù)雜動(dòng)作一樣自然，比單一傳感器作用時(shí) “帶感” 得多，大大提升了機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的協(xié)調(diào)性和穩(wěn)定性。
  • 在 AI 智能駕駛領(lǐng)域也是如此，車載攝像頭、毫米波雷達(dá)、超聲波傳感器等多類傳感器融合使用。攝像頭可以清晰看到道路標(biāo)識(shí)、行人、其他車輛的外觀等視覺(jué)信息；毫米波雷達(dá)能精確探測(cè)目標(biāo)物體的距離、速度，尤其在惡劣天氣下對(duì)金屬物體的探測(cè)依舊可靠；超聲波傳感器則在近距離泊車等場(chǎng)景發(fā)揮作用，探測(cè)車輛周邊近距離的障礙物情況。它們共同為自動(dòng)駕駛車輛構(gòu)建起全面的環(huán)境感知體系，使車輛可以做出更合理的駕駛決策，應(yīng)對(duì)各種復(fù)雜路況。
• 數(shù)據(jù)融合算法優(yōu)化：
  • 多傳感器采集到的數(shù)據(jù)格式、精度、更新頻率等各不相同，要實(shí)現(xiàn)有效的融合，需要強(qiáng)大且精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)融合算法。例如利用貝葉斯估計(jì)、卡爾曼濾波等算法，將不同傳感器傳來(lái)的關(guān)于同一目標(biāo)物體或環(huán)境狀態(tài)的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理、去噪、校準(zhǔn)等操作，使得最終呈現(xiàn)給 AI 系統(tǒng)或機(jī)器人控制系統(tǒng)的是統(tǒng)一、準(zhǔn)確且有價(jià)值的環(huán)境感知結(jié)果。像在一些機(jī)器人足球比賽場(chǎng)景中，機(jī)器人身上安裝了多種傳感器，通過(guò)不斷優(yōu)化的數(shù)據(jù)融合算法，機(jī)器人可以迅速準(zhǔn)確地判斷球的位置、其他機(jī)器人隊(duì)友和對(duì)手的位置及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)等，進(jìn)而做出更合理的踢球、傳球、防守等動(dòng)作策略，提升其在比賽中的競(jìng)技 “感覺(jué)” 和表現(xiàn)能力。

小型化、輕量化與集成化設(shè)計(jì)

• 適應(yīng)機(jī)器人緊湊結(jié)構(gòu)：
  • 人形機(jī)器人內(nèi)部空間有限，要求傳感器盡可能在保證性能的前提下實(shí)現(xiàn)小型化、輕量化。例如將復(fù)雜的電路、芯片等集成到極小的電路板上，縮小傳感器的整體體積。像一些新型的微型慣性傳感器，尺寸可以做到僅有幾立方厘米甚至更小，卻依然能夠精確測(cè)量機(jī)器人運(yùn)動(dòng)時(shí)的角速度、加速度等關(guān)鍵參數(shù)，而且重量很輕，不會(huì)給機(jī)器人的關(guān)節(jié)、肢體等部位帶來(lái)過(guò)多額外負(fù)擔(dān)，方便機(jī)器人靈活運(yùn)動(dòng)，使其整體結(jié)構(gòu)更加緊湊、優(yōu)美，在行動(dòng)時(shí)更顯輕盈 “帶感”。
  • 在可穿戴 AI 設(shè)備中，如智能手表、智能手環(huán)等，各類健康監(jiān)測(cè)傳感器（如心率傳感器、血氧傳感器等）同樣朝著小型化、輕量化方向發(fā)展，不僅佩戴起來(lái)更加舒適，幾乎不會(huì)讓用戶感覺(jué)到明顯的異物感，而且能準(zhǔn)確地采集人體的健康數(shù)據(jù)并實(shí)時(shí)傳輸給內(nèi)置的 AI 分析模塊，為用戶提供精準(zhǔn)的健康狀況反饋。
• 多功能集成一體：
  • 現(xiàn)在有不少傳感器將多種感知功能集成在一個(gè)模塊里。比如一些環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器，能同時(shí)檢測(cè)溫度、濕度、空氣質(zhì)量（包括有害氣體濃度、顆粒物含量等），對(duì)于在智能家居場(chǎng)景下與 AI 配合的機(jī)器人來(lái)說(shuō)，這樣集成化的傳感器可以一次性采集多個(gè)環(huán)境參數(shù)，減少了機(jī)器人需要搭載多個(gè)不同單一功能傳感器的麻煩，縮小了硬件空間占用，也簡(jiǎn)化了數(shù)據(jù)傳輸和處理流程。機(jī)器人可以根據(jù)集成傳感器反饋的綜合環(huán)境信息，通過(guò) AI 決策來(lái)自動(dòng)調(diào)節(jié)室內(nèi)的空調(diào)、凈化器等設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，給用戶營(yíng)造更舒適健康的家居環(huán)境，從功能整合角度讓傳感器在應(yīng)用中顯得更 “帶感”。

提高可靠性與穩(wěn)定性

• 增強(qiáng)抗干擾能力：
  • 在工業(yè)生產(chǎn)等復(fù)雜電磁環(huán)境中，或者在戶外面對(duì)各種天氣變化、電磁場(chǎng)干擾等情況時(shí)，傳感器需要具備強(qiáng)大的抗干擾能力。例如采用屏蔽技術(shù)，對(duì)傳感器的關(guān)鍵電路、信號(hào)線等進(jìn)行電磁屏蔽，減少外界電磁場(chǎng)對(duì)其信號(hào)傳輸和數(shù)據(jù)采集的影響。一些高精度的電子羅盤傳感器（常用于人形機(jī)器人的導(dǎo)航定位等功能），通過(guò)良好的電磁屏蔽和濾波電路設(shè)計(jì)，即便在有大型電機(jī)、變壓器等強(qiáng)電磁干擾源的附近工作，依然能夠準(zhǔn)確地指示方向，保證機(jī)器人可以按正確路線移動(dòng)，不會(huì)出現(xiàn)因干擾而迷失方向等問(wèn)題，讓機(jī)器人的行動(dòng)更加可靠 “帶感”。
  • 光學(xué)傳感器在面對(duì)強(qiáng)光、灰塵、水霧等干擾因素時(shí)，也不斷通過(guò)優(yōu)化光學(xué)鏡頭防護(hù)、采用自適應(yīng)調(diào)光、圖像增強(qiáng)等技術(shù)來(lái)確保其正常工作。比如在一些港口作業(yè)的 AI 輔助裝卸機(jī)器人，即便在陽(yáng)光強(qiáng)烈直射、揚(yáng)起大量灰塵的環(huán)境下，其視覺(jué)傳感器依然可以清晰地識(shí)別貨物、吊運(yùn)設(shè)備等目標(biāo)物體，保障裝卸工作的順利進(jìn)行。
• 提升耐用性：
  • 考慮到人形機(jī)器人可能會(huì)長(zhǎng)時(shí)間、高頻率地工作，傳感器的耐用性至關(guān)重要。比如機(jī)器人關(guān)節(jié)處的角度傳感器，要承受反復(fù)的彎折、扭轉(zhuǎn)等機(jī)械應(yīng)力，需要采用高質(zhì)量的耐磨、耐疲勞材料制作外殼和內(nèi)部的機(jī)械、電子部件，并且進(jìn)行嚴(yán)格的可靠性測(cè)試。一些優(yōu)質(zhì)的關(guān)節(jié)角度傳感器可以在數(shù)百萬(wàn)次的關(guān)節(jié)活動(dòng)后依然保持準(zhǔn)確的角度測(cè)量性能，確保機(jī)器人肢體動(dòng)作的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和可重復(fù)性，讓機(jī)器人可以持續(xù)穩(wěn)定地完成各類任務(wù)，給人一種經(jīng)久耐用、靠譜 “帶感” 的印象。
  • 對(duì)于在水下作業(yè)的 AI 機(jī)器人（如海洋探測(cè)、水下管道維護(hù)等場(chǎng)景下的機(jī)器人），其搭載的壓力傳感器、水聽器等傳感器要具備良好的防水、耐腐蝕性能，通過(guò)特殊的密封、涂層等工藝處理，使其可以在深海高壓、高鹽度的惡劣環(huán)境中長(zhǎng)時(shí)間可靠工作，不斷回傳準(zhǔn)確的水下環(huán)境數(shù)據(jù)，助力機(jī)器人完成水下探測(cè)、維修等復(fù)雜任務(wù)。

智能化與自適應(yīng)能力

• 自我校準(zhǔn)與補(bǔ)償功能：
  • 隨著時(shí)間推移和環(huán)境變化，傳感器的性能可能會(huì)出現(xiàn)一定偏差，具備自我校準(zhǔn)和補(bǔ)償能力的傳感器則可以自行解決這些問(wèn)題。例如一些高精度的電子秤傳感器（在物流、倉(cāng)儲(chǔ)等行業(yè)結(jié)合 AI 系統(tǒng)使用），會(huì)定期自動(dòng)進(jìn)行零點(diǎn)校準(zhǔn)，檢測(cè)是否存在因長(zhǎng)時(shí)間使用、溫度變化等因素導(dǎo)致的零點(diǎn)漂移情況，并及時(shí)進(jìn)行補(bǔ)償修正，保證每次稱重的準(zhǔn)確性。同樣，氣體傳感器在不同的溫濕度環(huán)境下，其對(duì)氣體濃度的檢測(cè)靈敏度會(huì)有所變化，智能化的氣體傳感器可以實(shí)時(shí)感知環(huán)境溫濕度，然后根據(jù)內(nèi)置的算法模型對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)補(bǔ)償，使得輸出的氣體濃度數(shù)據(jù)始終可靠，讓傳感器在各種環(huán)境下都能保持精準(zhǔn) “帶感” 的工作狀態(tài)。
  • 對(duì)于人形機(jī)器人身上的力覺(jué)傳感器，當(dāng)機(jī)器人在不同重力環(huán)境（比如從地球到月球等外太空環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景）或者因部件磨損等情況導(dǎo)致力的感知出現(xiàn)偏差時(shí)，傳感器能夠自動(dòng)進(jìn)行校準(zhǔn)，重新準(zhǔn)確測(cè)量機(jī)器人在與外界交互時(shí)所受的力的大小和方向，幫助機(jī)器人調(diào)整操作力度等動(dòng)作，更好地適應(yīng)不同工況。
• 自適應(yīng)環(huán)境變化：
  • 在不同光照條件下，視覺(jué)傳感器可以自動(dòng)切換工作模式、調(diào)節(jié)感光度、光圈大小等參數(shù)。比如在室內(nèi)光線較暗時(shí)，智能攝像頭（常用于安防監(jiān)控等 AI 應(yīng)用場(chǎng)景）會(huì)自動(dòng)增大感光度，開啟紅外補(bǔ)光功能（如果具備的話），確保依然能夠清晰拍攝到監(jiān)控區(qū)域的畫面；而在強(qiáng)光環(huán)境下，又會(huì)自動(dòng)縮小光圈、降低感光度來(lái)避免過(guò)曝，始終保持良好的圖像采集質(zhì)量，使監(jiān)控系統(tǒng)能夠穩(wěn)定可靠地發(fā)揮作用，給人一種智能、靈活 “帶感” 的感覺(jué)。
  • 聲學(xué)傳感器在不同背景噪音環(huán)境中，也可以自適應(yīng)地調(diào)整增益、濾波等參數(shù)，突出目標(biāo)聲音信號(hào)、抑制噪音。例如在語(yǔ)音識(shí)別機(jī)器人應(yīng)用場(chǎng)景中，當(dāng)機(jī)器人處于嘈雜的工廠車間或者熱鬧的展會(huì)現(xiàn)場(chǎng)等環(huán)境時(shí)，其麥克風(fēng)陣列（聲學(xué)傳感器的一種組合形式）能夠自動(dòng)分析環(huán)境噪音特點(diǎn)，聚焦使用者發(fā)出的語(yǔ)音指令，過(guò)濾掉無(wú)關(guān)噪音，準(zhǔn)確地將語(yǔ)音指令傳輸給 AI 語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)進(jìn)行解析，提高語(yǔ)音交互的成功率和準(zhǔn)確性。