インテリジェントロボットにはどのような主要なセンサー技術が使用されていますか?

今日のロボットで重要な役割を果たしているいくつかの主要なセンサー技術には、磁気位置センサー、存在センサー、ジェスチャー センサー、力トルク センサー、環境センサー、電源管理センサーなどがあります。

磁気位置センサー

磁気角度位置センサー集積回路 (IC) は、今日の消費者向け、サービス専門家向け、社会向け、さらには産業用ロボットで最も広く使用されているセンサー技術の 1 つです。現在、消費者向け、サービス専門家向け、またはソーシャル ロボットのほぼすべての関節には、2 つ以上の磁気角度位置センサー IC が使用されています。

各動作軸または関節回転軸ごとに、少なくとも 1 つの磁気角度位置センサーが使用されます。今日のロボットの多くは、ロボットの関節や手足を動かすために、小型ながら強力なブラシレス DC モーター (BLDC) を使用しています。モーターを正しく駆動するには、モーターの位置フィードバックが必要です。

さらに、ロボット関節の閉ループモーター制御には、関節ギア角度位置フィードバックも必要です。したがって、ロボットの関節には、各動作軸に 2 つの磁気角度位置センサーが必要です。磁気角度位置センサー IC は、関節モーター コントローラーにモーター整流フィードバックを提供できます。

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磁気位置センサー付きロボットアーム

たとえば、ピッチとロールの両方の軸方向の動きを必要とするロボットの足首の場合、合計 4 つの磁気位置センサーが使用されます。関節ごとにこのような複数の接続があり、ほとんどのロボットで多数の関節が必要であることを認識すると、今日の最新のロボット製品で磁気角度位置センサーがこれほど多く使用されている理由は簡単にわかります。

存在センサー

今日のロボットには複数の存在センサー技術が統合されており、それらの情報が融合されてロボットの空間視覚検知や物体検出および回避機能が提供されます。 2D および 3D ステレオ ビジョン カメラは、今日の新しい消費者向けおよびプロフェッショナル向けサービス ロボットの多くに採用されています。

しかし、光検出および測距 (LIDAR) センサーを含む飛行時間センサーなどの新しい高度なセンサー技術も、ロボットに導入されるようになっています。 LIDAR は、ロボットが動作している空間とその周囲の高解像度の 3D マッピングを提供し、ロボットがより効率的にタスクを実行し、移動できるようにします。

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LiDAR マッピング

同様に、超音波センサーは存在検知に使用されます。車のバック時の安全警報システムに使用される超音波センサーと同様に、ロボットの超音波センサーは近くの障害物を検知し、壁、物体、他のロボット、人間への衝突を防ぐために使用されます。

さらに、主要な機能タスクを実行するロボットでも役割を果たすことができます。したがって、超音波センサーは近距離ナビゲーションと障害物回避において重要な役割を果たし、最終的にはロボットの全体的なパフォーマンスと安全性が向上します。

ただし、超音波センサーの範囲は 1 センチメートルから数メートル程度と限られており、最大方向の円錐は約 30° です。比較的低コストで近距離では精度が良好ですが、距離と測定角度が増加するにつれて精度が低下します。

また、温度や圧力の変化の影響を受けやすく、同じ周波数に調整された超音波センサーを使用する他のロボットが近くにあると、妨害を受ける可能性があります。ただし、他の存在センサーと組み合わせて使用​​すると、有用で信頼性の高い位置情報を提供できます。

現在、ハイエンドの消費者向け/プロフェッショナル向けサービス ロボットや産業用ロボットで見られるようになっているように、こうした存在センサー (2D/3D カメラ、LiDAR、超音波) のデータがすべて統合されると、これらのロボットは空間認識を実現し、自分自身、人、周囲に損傷を与えることなく移動して、より複雑なタスクを実行できるようになります。

ジェスチャーセンサー

ジェスチャー センサーは、ユーザー インターフェイス コマンドの提供を支援するために、今日の最も高度なロボットの一部にますます統合されるようになっています。ジェスチャー センサー テクノロジには、光学センサーや、ロボット オペレーターがコントロール アームに装着するセンサーなどがあります。

光学ベースのジェスチャー センサーを使用すると、ロボットは特定の手の動きを認識し、特定のジェスチャーや手の動きに基づいて特定のタスクを実行するようにトレーニングできます。こうしたタイプのジェスチャー センサーは、障害を持つ人やコミュニケーション能力が限られている人の家庭や病院、またスマート ファクトリーで多くの可能性を提供します。

アームバンド制御センサーを使用すると、装着者は、オペレーターの腕の動きやジェスチャーに基づいて、協働型、産業用、医療用、または軍事用のロボットと通信および制御し、特定のタスクを実行したり、模倣したりできます。たとえば、両腕にアームバンドセンサーを装着した外科医は、おそらく地球の反対側から、一対の遠隔医療ロボットアームを制御して手術を行うことができます。

力トルクセンサー

力-トルクセンサーは、今日の次世代ロボットでもますます使用されるようになっています。力トルクセンサーは、ロボットのエンドエフェクタやグリッパだけでなく、胴体、腕、脚、頭など、ロボットの他の部分にも使用されるようになりました。これらの特殊な力トルクセンサーは、四肢の速度の動きを監視し、障害物を検知し、ロボットの中央プロセッサに安全警告を提供するために使用されます。

たとえば、ロボット アームの力トルク センサーが、アームが物体に衝突して突然予期しない力が発生したことを検出すると、制御安全ソフトウェアによってアームの動きが停止し、位置が引き戻されることがあります。

力トルク センサーは、存在センサーや環境センサーなどの他の安全監視センサーと連携して動作し、全体的な安全ゾーン監視機能を提供します。

環境センサー

さまざまな環境センサーも、産業用ロボットや民生用ロボットに採用され始めています。空気の質に関する VOC (揮発性有機化合物) を検出できる環境センサー、温度および湿度センサー、圧力センサー、さらには照明を検出するセンサー。これらのセンサーは、ロボットが効率的かつ安全に動作し続けることを保証するだけでなく、ロボットの周囲の乗員に危険な環境条件を知らせることもできます。

電源管理センサー

今日の自律型ロボットには電源管理センサーも組み込まれており、ロボットが充電間で動作できる時間を延長し、リチウムイオン電池（今日の自律型ロボットで最も一般的な電池）が使用中に過熱したり消耗したりしないようにします。図4.0を参照してください。

電力管理センサーは、電圧調整のほか、ロボット関節のモーターの電力および熱管理の分野でも使用されます。マイクロプロセッサ、センサー、アクチュエータなどのすべてのオンボード ロボット エレクトロニクスは、効率的かつ正確に動作するために、低ノイズ リップル電源と調整を必要とします。

ロボット電源管理用の最新のセンサー ソリューションには、バッテリーの放電と充電のためのクーロン カウント、電圧レギュレータ用の正確で信頼性の高い過熱監視センサー、バッテリー管理デバイスの電流センサーなどがあります。

これらすべての新しいセンサー技術の統合と融合により、今日の最新ロボットはより自立的かつ安全に動作できるようになります。さらに、コンピューティング能力、ソフトウェア、人工知能の大幅な向上と、これらの新しいセンサー技術との連携により、この次世代ロボットはさまざまなアプリケーションのニーズに簡単に適応できます。

さらに、彼らは前任者よりも正確かつ迅速にタスクを実行できます。最終的には、家庭、企業、製造など、より幅広い環境で、ロボットは人間と並んで、より独立して、協調して、安全に操作および作業できるようになります。