傳感器研究的展望

當(dāng)前，機(jī)電一體化技術(shù)之一的機(jī)器人，作為工廠生產(chǎn)自動化的重要手段，正在多方面積累成功的實(shí)例。然而，人們期望機(jī)器人能更加積極地出現(xiàn)在我們?nèi)祟惸苌畹沫h(huán)境里，完成人所能做的各種工作，還能參與保安、防災(zāi)工作；人們還期望機(jī)器人能活躍在人類不能生活的環(huán)境中——如原子反應(yīng)堆或宇宙空間那樣的極端環(huán)境中工作。要使機(jī)器人積極地適應(yīng)各類不同的環(huán)境，就要增強(qiáng)其機(jī)能，但目前尚存在嚴(yán)重的問題，有待于今后通過技術(shù)進(jìn)步加以解決。
工廠里機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)自動化作業(yè)，不僅取決于人為造成的工作環(huán)境，同時(shí)其工作次序還取決于一系列特定程序。這種程序可操縱機(jī)器人的姿態(tài)，能完成諸如人的手臂和人指那樣可以高精度地決定其位置和姿勢。
另外，為了使操作者進(jìn)行操作的環(huán)境能自動保持，同時(shí)又要求在自然環(huán)境或極端環(huán)境下能實(shí)現(xiàn)機(jī)器人作業(yè)，就要求要有能識別、判斷工作環(huán)境狀況的系統(tǒng)裝置和對工作對象進(jìn)行柔性操作的機(jī)構(gòu)。
要研制具備這些功能的機(jī)器人，就要積極開發(fā)新型的操作控制系統(tǒng)及所必需的傳感系統(tǒng)，要有能識別和判斷自然工作環(huán)境狀況的機(jī)能，以獲得必要的信息；還要有能力自主決定操作方案的處理機(jī)能，這樣就要求研制不同于現(xiàn)存?zhèn)鞲邢到y(tǒng)的智能型傳感系統(tǒng)。
機(jī)器人的工作環(huán)境，可以是工廠那樣裝備好的環(huán)境，也可以是自然環(huán)境；可以是與我們?nèi)祟愊嗤纳瞽h(huán)境，也可以是我們?nèi)祟惒荒苌畹臉O端環(huán)境（在原子反應(yīng)堆及其周圍環(huán)境的保安工作，高層大廈的防災(zāi)救援工作以及要親臨其境的宇宙空間站的建設(shè)工作等方面）。因?yàn)闄C(jī)器人活動環(huán)境擴(kuò)大了，所以要求機(jī)器人要有能跟蹤感知自身作業(yè)和能理解作業(yè)環(huán)境的傳感系統(tǒng)，而這種傳感系統(tǒng)的研制就顯得更為重要。下面就展望一下這種傳感系統(tǒng)所必需具有的基本機(jī)能。
(1)能獲取多維信息。過去，傳感器能用來檢測單點(diǎn)信息。例如，在溫度檢測方面，過去總以測試點(diǎn)的溫度來評估其周圍環(huán)境的整體溫度。然而，對于一個要求溫度均勻分布的系統(tǒng)，若測溫點(diǎn)按一維或二維配置，則對系統(tǒng)溫度就要進(jìn)行分布測量。又，如所測物理為矢量時(shí)，現(xiàn)在正在研制根據(jù)每個分量的檢測值求合成矢量的方法。距離傳感器是用來檢測到物體表面某一點(diǎn)距離的。這種傳感器雖然已達(dá)到實(shí)用化程度，但對深度空間距離的檢測，還沒有充分的把握。這種與我們視覺類似的傳感系統(tǒng)，也是新型智能型機(jī)器人所需要的視覺傳感器。研制由這種視覺傳感器輸入圖像和對工作環(huán)境認(rèn)識或理解的系統(tǒng)，是新型智能型機(jī)器人開發(fā)是否成功的關(guān)鍵。
(2)小型化、固體化、高可靠性化?，F(xiàn)在，采有半導(dǎo)體技術(shù)的感測器件，正加速推進(jìn)小型化、高密集化以及高可靠性化的進(jìn)程。這是依靠微型機(jī)械加工技術(shù)的研制成果，促進(jìn)了傳感器的小型化，同時(shí)有可能實(shí)現(xiàn)傳感器陣列化，進(jìn)而更便于實(shí)現(xiàn)分布測量。
(3)耐環(huán)境性。無論在生物體內(nèi)，還是在自然環(huán)境或極端環(huán)境下，傳感器的高可靠性越來越成為必須具備的條件
(4)檢測的動態(tài)范圍要大。如對生物系統(tǒng)的傳感器進(jìn)行研究，就可發(fā)現(xiàn)生物傳感器的檢測范圍廣，而且又能適應(yīng)不同的檢測對象。而按工程檢測需要制成傳感器，如要提高檢測精度，則其檢測范圍就要變窄，而且檢測設(shè)備要增加。
(5)不可視信息可視化和可視信息可視化。因?yàn)樯锵到y(tǒng)中大部分信息來源依存于視覺信息，所以為實(shí)現(xiàn)各種物理現(xiàn)象可視化，其檢測方法要力求達(dá)到較高的速度和較高的精度。
“人造現(xiàn)實(shí)感”的研究就是觀察者一邊觀察現(xiàn)實(shí)圖像或人工計(jì)算機(jī)圖像，一邊將該圖像與觀察者的意向相互綜合的產(chǎn)物。例如，一邊由傳感器獲取手移動或視線移動信號，一邊將觀察者的意向反饋給計(jì)算機(jī)，就能形成兩者互相綜合后的“人造現(xiàn)實(shí)”圖像。
這種系統(tǒng)保存著人類的感知、判斷和操作機(jī)能，能將環(huán)境狀況人工化，而且最后形成的圖像貼近于作為觀察者的人類一方。所以，這種“人造現(xiàn)實(shí)感”圖像系統(tǒng)依存于觀察者的智能。
在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，如觀察者本身是人造物時(shí)，這種情況就相當(dāng)于機(jī)器人作業(yè)。再進(jìn)一步，環(huán)境和觀察者都是人造物的場合，會產(chǎn)生什么樣的功能呢？如按極端的想法，這是否就是無人工廠？還是超人造現(xiàn)實(shí)感？不管是哪一種都是計(jì)算機(jī)內(nèi)獲得自然環(huán)境，并將其表現(xiàn)為圖像，這種技術(shù)有待于今后更好的開發(fā)。
(6)感性認(rèn)識的獲得。由于人們的嗜好和感受的多樣性，就要求制造出與此相適應(yīng)的能感測這種多樣性的生產(chǎn)系統(tǒng)，此項(xiàng)研究還正在進(jìn)行。這種生產(chǎn)系統(tǒng)中還要包含能感測到人類的心理狀態(tài)，例如，在服裝行業(yè)中，雖然要力求生產(chǎn)工藝自動化，引進(jìn)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）和計(jì)算機(jī)輔助制造系統(tǒng)（CAM），而另外還必須有評估服裝成品工藝難易程度的感測系統(tǒng)。
這樣，把新型智能型機(jī)器人的研究就當(dāng)作當(dāng)前的任務(wù)。我們雖然已展望了傳感器的開發(fā)研究，而必不可少的是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人操作的自主性的技術(shù)開發(fā)。同時(shí)，為了識別、理解三維環(huán)境，確立圖像處技術(shù)是其中心課題。
最后，在尚未述及的模糊技術(shù)和仿生電子學(xué)中的神經(jīng)原技術(shù)，兩者一起可以看作傳感器綜合技術(shù)中必不可少的處理技術(shù)，希望在今后重點(diǎn)開發(fā)研究。