整合MEMS微机电技术 优化地面机器人运动控制与性能
- DIGITIMES企划
-
随着各式通讯技术、传感器元件发展突飞猛进，以往地面机器人在取代高危险作业的操作过程，都必须全程搭配人工介入辅助进行任务，但在新颖的通讯、嵌入式运算、传感器整合下，这类从事矿物采集、灾区救援等特殊任务的地面型机器人，也可有效减少人工介入、提升设备导入效益。
面对高危险性的作业空间或是处理高危害的矿产探勘、物料搬运与处理，透过地面机器人经由远程遥控操作进行工作是相当常见的运行模式，例如，太空任务投放于星球地面进行环境探勘与矿石采集，也都是使用这类地面机器人进行采集任务。
地面机器人用途广 人工介入成本高
虽然地面机器人在处理高危险环境作业、应用低效率的任务有其使用价值，但实际上远程操作运行地面机器人仍须搭配一组人力参与设备控制，多数情况下机器人并无法进行自主工作，这也往往导致地面机器人的人工介入成本太高，如果能将简易的任务予以自动化运行，不仅可以减轻操作地面机器人的远程遥控负荷，也能利用同时投放大量机器人快速自动化完成指定任务。
要使地面机器人处理自主运行、自主进行任务，主要可以透过整合导航系统、搭配各种传感器的监控系统进行控制与自主操作，运用导航搭配智能车载平台，可以引导智能机器人在指示的工作范围中进行任务，甚至可以达到无人力操作前提下自主回收地面机器人的便利性，而达成此目的就必须搭配高精密度的位置定位、高精度的运动控制处理，系统各方面精密度表现也直接左右机器人运行的可靠度表现。
导入MEMS微机电传感器 优化导航准确度
使用MEMS微机电系统整合的陀螺仪元件，可以提供导航系统可反馈的检测机制，对于优化设备的导航性能具显着效益，也能透过导航系统整合进一步优化地面机器人的自主运行能力，减轻操作人工介入的工作负荷。除了用于救灾或高危环境的地面机器人外，其实以车载平台为基础的室内自主导航运输用机器人(Autonomous Indoor Vehicle；AIV)，透过室内导航整合与自动运行设计，设置环境不须部署地面导航磁条或线路、导航基站，也可减轻室内自动酬载装置超过15%的建置成本。
以地面机器人的设计需求检视，地面机器人的移动动态通常是透过管理机器人运作动作的中央处理器进行目标派发，基本上地面机器人的运行状态也会受到地形、地物与环境造成行进目标偏差，尤其在户外或是救难用的地面机器人，面对的场地问题会比工厂或一般自动化仓储应用的环境更为复杂，光靠中央处理器分派行进路线、任务并不实际。
自主运行路径判断分析 降低人工介入控制成本
为优化行进至目标点的准确度，同时也须确保设备不会走到陷入环境困境而无法抵达目的地、反而需要人工协助脱困的窘境，控制系统除了下达目标位置指示外，通常需要透过导航系统进行行径路程规划，或透过轨迹参照进行最佳路径导航。导航系统所规划的地面机器人行进路径可透过最初几次的人工操作路径记录作为参考路径，更简便的避开已知路径障碍，但路径可能会有新的障碍物或是货品堆置，这时导航系统就必须在路径执行过程搭配各式传感器进行路径分析、避障处理。
即便是运行环境相对单纯的室内型地面机器人，其实路径智能导航的复杂度也不亚于户外应用系统，例如应用于自动化智能仓库货品搬运用途的地面机器人、医疗环境使用的递送机器人，或是工厂无人运输的电子料件递送机器人，在应用环境的运行路径也可能会有工作人员走动、路径会有临时堆置物品等障碍物，导航行程计划也必须针对现实路径状况进移动态调整。
透过指定路径参照 搭配自主控制优化导航效益
当执行目标行进点汇入导航系统后，导航系统即需针对可运行的路径执行运输酬载任务，导航路径同时需要参照指定路径轨迹、楼层的障碍物位置，在已知的机器人体积限制下进行最佳运行路径的动态调整，对于递送料件、医疗样本等物品若有时限要求，酬载运行路径优化与递送时间提示也必须整合于导航系统中，以便于系统能在要求期限内完成自动化运输递送任务。
透过运动系统控制酬载平台的轮速、转向进行运作路径控制，其间酬载平台或意外被碰撞、移置或轮速差易导致参照路径偏移，也必须透过传感器的数据反馈实时修正控制路径、更新导航路径轨迹，或是变更修正路径条件。若以车轮为基础的酬载运动机器人平台为例，一般会在每个车轮设置独立的速度控制模块，而在具转向能力的控制轮组搭配更精密的速度与转向控制能力，借此达到更精密的任意方向高度的灵活控制能力，同时导航系统再搭配惯性导航系统(Inertial Navigation System；INS)提升导航精确度。
搭配GPS、雷射测量 优化自主避障能力
对于户外型的地面机器人，导航系统还可搭配GPS全球定位系统达到最基本的定位能力，同时对于户外或是障碍物传感可透过雷射测距，分析行径路径的障碍物精确距离，同时在带动酬载平台的每个轮组设置采MEMS架构之陀螺仪，借此实践可精确控制每个独立车轮的转速输出，达到更精确的自主运行与自动避障能力。
为了简化地面机器人的操控难度，在用户使用界面端可采用自动循迹来规划机器人行进基本路径，也就是说以人工介入进行几组选择路径记录，而在实际设置运行路径规划时只要设置目标后，让地面机器人自行判断最佳运行路径，而不需要个别提供详细的酬载行程计划，简化设备管理的人力负荷。而在路径数据中，实际运行时由导航系统自动将轨迹或座标点的运行路径拆解成每个轮组的输出轮速，同时换算控制轮组应有的导向角度。
导航系统除实时产制运动控制的配置文件外，若运行环境在室内平缓路径，基本上控制动态运行的配置文件还不算太复杂，但若是用于救灾或是崎岖路面的运行路径，运动输出的配置文件还需要实时针对轮胎外径、地面接触面积、轮间距进行更精确的动态控制数据产出，同时也需要搭配各轮组的陀螺仪实时修正输出运动性能。
搭配光学传感运动数据采集 优化运动控制能力
为了让各轮轮速与角度反馈数据更精确，一般还会在转向轮与制动轮追加光学动态编码数据采集，透过光传感器转换致动轮的转速反馈，搭配转向轮的转向角度汇集各轮组的实际运行状态，再透过运移动态演算法将反馈数据绘制导航系统进行更精确的路径修正，因为转速、转向数据是直接透过光传感器采集整合，会较自驱动系统数据更为接近真实数据，但实际上仍会有部分差异产生，例如，各致动轮的胎压、胎面纹路的磨损差异，与轮胎接触地面阻力产生的差异，例如胎面侧滑、转向偏移等，部分数据差异可以透过各驱动轮的陀螺仪或传感器进行数据优化修正。
MEMS微机电传感器可以说是地面机器人运行路径与导航精确度修正的重要传感数据来源，但传感器本身即有细微的数据误差存在，若是透过驱动齿轮的齿轮比、转速、轮胎外径等换算运行轨迹，其误差会因为使用时间、酬载物体重量、操作距离而会加大误差量，但运行过程若透过MEMS传感器实时修正数据、搭配自致动轮组透过光学采集取得的转速改善偏移误差，尤其MEMS与光传感器本身对于电子杂讯的耐受度更高，另在传感灵敏度、稳定性都有相当好的表现，对于整体的运作轨迹控制也会有提升效果。
另外，传感器本身另会有温度或是本身灵敏度的误差问题，受温度影响的系统性问题，可以透过温度传感器的辅助，在设备出现持续高温的状态时，暂时停止运作待机体内部温度降低时再运行进行改善，或是搭配主动散热设备为温度敏感的元件进行散热处理，而元件本身的灵敏度误差，则可以透过设备启动的校准机制，在每次运行路径执行前、或是任务进行中段自动进行校准，降低传感元件本身的误差影响。
