سنسورها چشم‌ها و گوش‌های یک ربات هستند.
سنسور، دریچه‌ای برای ربات به سوی محیط اطراف است. آنها به ربات‌ها اجازه می‌دهند تا مشخصات فیزیکی و هندسی اجسام محیط اطرافشان را مانند موقعیت، جهت، سرعت، شتاب، فاصله، سایز، نیرو، گشتاور، دما، روشنایی، وزن و غیره را درک و اندازه‌گیری کنند.
بطور معمول سنسورها به دو گروه طبقه‌بندی می‌شوند: سنسورهای داخلی و سنسورهای خارجی. سنسورهای داخلی همانند سنسور موقعیت، سنسور سرعت، سنسور شتاب، سنسور گشتاور موتور و غیره اطلاعاتی درباره‌ی شرایط خود ربات فراهم می‌کنند، در حالیکه حسگرهای خارجی همانند دوربین‌ها، حسگرهای مسافت‌سنج ( سنسور اشعه‌ی مادون قرمز، مسافت‌یاب لیزری و سنسور فراصوتی)، سنسورهای تماسی و مجاورتی ( دیود نوری، آشکارساز اشعه‌ی مادون قرمز، سامانه‌ی بازشناسی با امواج رادیویی، تماسی و غیره) و سنسورهای نیرو اطلاعات را از محیط اطراف جمع‌آوری می‌کنند.
سنسورها با توجه به ویژگی‌های متفاوتی تعریف می‌شوند که قابلیت‌های آنها را بیان می‌کند:
حساسیت ( تغییر در خروجی و ورودی)
خطی بودن (پایداری و ثبات ورودی و خروجی)
زمان پاسخ (مدت زمان موردنیاز تا تغییر در ورودی منجر به تغییر در خروجی گردد)
محدوده‌ی دینامیکی/ اندازه‌گیری ( تفاوت میان حداقل و حداکثر)
دقت (تفاوت میان مقادیر واقعی و اندازه‌گیری شده)
میزان تکرارپذیری ( تفاوت میان اندازه‌گیری‌های تکرار شده)
وضوح (کمترین افزایش قابل مشاهده)
پهنای باند (نتیجه‌ی وضوح بالا یا مدت زمان سیکل)
سنسورها قادر به اندازه‌گیری مقادیر و کمیت‌های فیزیکی بوده و می‌توانند این ورودی را به منظور ضبط و نظارت، به سیگنال الکتریکی تبدیل کنند. بنابراین، انتخاب سنسور صحیح بر مبنای ربات‌های مورد استفاده و محیط اطراف آنها از اهمیت بالایی برخوردار است. سنسورهایی که ورودی‌های یکسانی را اندازه‌گیری می‌کنند، می‌توانند در میزان دقت و حساسیت متفاوت باشند. بنابراین، هنگام طراحی یک ربات این مساله بایستی مدنظر قرار گیرد.
در واقعیت، سنسورها در رباتیک جهت اتوماتیک‌سازی مورد نیاز هستند. بدون آنها، در واقع، یک ربات نابینا و ناشنواست. حسگرها به یک ربات این اجازه را می‌دهند تا بر این موانع غلبه کند و اطلاعات را به منظور تعامل، از محیط اطراف گردآوری کنند.
ربات‌های انسان‌نما به منظور تقلید از توانایی‌های همتایان زنده‌ی خود، به تعداد زیادی از این حسگرها نیاز دارند. شرکت‌هایی نظیر Boston Dynamic، ربات‌های خود را مجهز به سنسورهایی کرده که حواس بینایی، شنوایی و لامسه را شبیه‌سازی می‌کنند، همانند سنسورهایی که ربات‌ها را قادر به درک و هدایت محیط اطراف می‌سازد.
ربات‌های کم‌تقاضا، مانند ربات‌های تولید صنعتی به منظور کارکرد موثر نیاز به سنسورهای متفاوت زیادی دارند. این نوع ربات‌ها بایستی قادر به بلند کردن و حرکت دادن اجسام مختلف بدون خرابی و یا انداختن آنها باشند. بدین منظور، در این ربات‌ها از سنسورهای گشتاور استفاده می‌شود تا بتوانند نیروهای دورانی را کنترل و بر آنها نظارت کنند.
سنسورهای صوتی و پیزوالکتریک به ربات‌ها اجازه می‌دهند تا صداهای برجسته و غالب مانند دستورات در محیط پر از نویز را به خوبی شناسایی کنند. همچنین می‌توانند خروجی‌های از پیش برنامه‌ریزی شده را بر اساس دستورات شناسایی شده، با یکدیگر ترکیب کنند. این کاربرد می‌تواند برای کارهای میدانی یا ربات‌های درون محیط‌های پر نویز، مفید باشد.
ساده‌ترین نوع سنسورها، حسگرهای سوییچی هستند. سه نوع از این سنسورها موجود است: سنسورهای تماسی، محدودکننده و سنسورهای انکودر میله‌ای. تمامی این حسگرها بدون پردازش کار می‌کنند. مفیدترین نوع سنسورهای سوییچ، به اصطلاح “سوییچ ضربه‌ای” نام دارد که به ربات این امکان را می‌دهد تا زمانی که به جسمی برخورد می‌کند آن را “احساس” کند. این یک مفهوم ساده است، ولی می‌توان آن را در انواع مختلفی از ربات‌ها بکار برد.
سنسورهای نوری می‌توانند به روش‌های مختلفی مورد استفاده قرار گیرند آنها به یک ربات این قابلیت را می دهند تا بتواند ببیند. همچنین به ربات‌ها این اجازه را می‌دهند تا شدت نور، شدت تفاضل و پرتو شکست را که به معنای کاهش ناگهانی شدت می‌باشد، اندازه‌گیری کنند. این سنسورها را می‌توان در موقعیت‌ها و جهات متفاوت، بسته به هدف مورد نظر ربات به کار برد. سنسورها در تهیه ربات‌های هدفمند به منظور افزایش کارایی از اهمیت بالایی برخوردارند؛ به کارگیری سنسورها به منظور خودکار سازی آنها ضروری می‌باشد؛ با این وجود توسعه‌دهندگان هنگام انتخاب سنسورها در طراحی خود بایستی دقت لازم را به کار گیرند. همانطور که قبلاً اشاره شد نوع سنسور، حساسیت، دقت و موقعیت آن فاکتورهای مهمی برای موفقیت یک ربات هستند. در این بخش به طور خلاصه ۹ سنسور رایج مورد استفاده در ربات‌ها را بررسی خواهیم کرد.
انواع سنسورهای ربات‌ها
1- سنسور نوری
یک سنسور نوری، امواج نور را شناسایی کرده و متناسب با آن اختلاف ولتاژ تولید می‌کند. سیستم بینایی یک ربات، یک دوربین کنترل شده به وسیله‌ی کامپیوتر دارد که به ربات اجازه می‌دهد ببیند و حرکات خود را بر اساس آن تنظیم نماید. دو نوع اولیه‌ی سنسورهای نوری در ربات‌ها شامل سلول‌های فوتوولتاییک و مقاومت نوری (photoresistor) می‌باشند. انواع دیگر سنسورهای نوری مانند لوله‌های نوری، فوتو ترانزیستورها ، CCDها و غیره به ندرت در رباتیک مورد استفاده قرار می‌گیرند.
ب- سلول‌های فوتوولتاییک، نور خورشید را به الکتریسیته تبدیل می‌کنند. این عملکرد به‌خصوص در طراحی یک ربات خورشیدی مفید است. در حالیکه سلول فوتوولتاییک به عنوان یک منبع انرژی در نظر گرفته می‌شود، یک پیاده‌سازی هوشمند ترکیب شده با استفاده از ترانزیستورها و مقاومت‌ها می‌تواند آن را به یک سنسور تبدیل کند.
ج) بینایی دو بعدی و سه بعدی: یک ماشین بینایی دو بعدی، اطلاعات طول و عرض را اندازه‌گیری می‌کند، اما اطلاعاتی در مورد ارتفاع فراهم نمی‌کند. بینایی سه بعدی به یک ربات این اجازه را می‌دهد تا جهت‌گیری بخشی را که نیاز به جابجایی بهتر و موثرتری دارد شناسایی کند، حتی اگر مکان و موقعیت مولفه‌ها متفاوت باشد. یک سیستم بینایی سه بعدی به طور صحیح یک بازوی رباتیک را حین مونتاژ هدایت می‌کند در حالیکه یک بازوی رباتیک، قادر به فراهم کردن چندین زاویه‌ی دید به منظور بررسی موثر مونتاژ می‌باشد.
2- سنسور صدا
حسگرهای صوتی به طورکلی یک میکروفون هستند که به‌منظور تشخیص و شناسایی اختلاف ولتاژ ایجاد شده بین صدا و بازگشت آن به‌کار می‌روند. صدایی که این سنسورها دریافت می‌کنند به راحتی توسط یک ربات ساده قابل هدایت می‌باشد. رباتی را تجسم کنید که به سمت راست و به سمت بالا و سپس با دو لرزش به چپ می پیچد. ربات‌های پیچیده ممکن است از میکروفون‌های مشابه برای تشخیص صدا استفاده کنند. سنسورهای صوتی به سادگی سنسورهای نوری نیستند؛ چرا که سنسورهای صوتی حداقل اختلاف ولتاژ را ایجاد می‌کنند که می‌تواند تقویت شده و تغییرات قابل اندازه‌گیری در ولتاژ را ایجاد کند. سیستم‌های صوتی همچنین از ربات‌ها با دستورات صوتی استفاده می‌کنند. این به‌خصوص زمانی مفید است که یک مربی هنگام آموزش ربات‌ها مجبور باشد با اجسام دیگر تماس و برخورد داشته باشد.
3- سنسور مجاورتی
اجسام نزدیک را می‌توان با استفاده از سنسور مجاورتی و بدون تماس فیزیکی شناسایی کرد. فرستنده، تشعشعات الکترومغناطیسی را به سنسور مجاور منتقل کرده و سیگنال بازگشتی را جهت بررسی گسستگی و قطعی دریافت و تحلیل می‌کند. بنابراین میزان نور دریافت شده در محیط می‌تواند به منظور شناسایی تشخیص حضور اجسام نزدیک به کار رود. این سنسورها روشی برای ربات‌ها به منظور جلوگیری از برخورد فیزیکی را فراهم می‌کند.
انواع مختلفی از سنسورهای مجاورتی وجود دارد ولی تنها تعداد کمی از آنها در ربات‌ها استفاده می‌شوند.
الف- فرستنده‌ی مادون قرمز: یک فرستنده‌ی LED مادون قرمز، پرتویی از نور مادون قرمز را ارسال می‌کند و اگر مانعی را شناسایی کند این پرتو به‌راحتی به سمت عقب منعکس شده و توسط گیرنده‌ی مادون قرمز دریافت می‌شود. تعداد کمی از فرستنده‌های مادون قرمز رامی‌توان به منظور اندازه‌گیری مسافت نیز به کار برد. مانند ماژول سنسور فرستنده گیرنده مادون قرمز YS-IRTM.
ب- سنسورهای فراصوتی: این سنسورها امواج صوتی با فرکانس‌های بالا تولید می‌کنند؛ سیگنال انعکاس‌یافته‌ی دریافتی در صورت تشخیص جسم خارجی قطع و یا گسسته خواهد شد. این سنسورها را همچنین می‌توان برای اندازه‌گیری مسافت به‌کار برد. مانند ماژول سنسور آلتراسونیک HC-SR04.
ج- مقاومت نوری: نوعی سنسور نوری است به‌طوری که می‌تواند به عنوان سنسور مجاورتی نیز مورد استفاده قرار گیرد. اگر جسمی به سنسور نزدیک شود، تعداد امواج نوری تغییر کرده و در نتیجه مقاومت آن نیز تغییر می‌کند که قابل تشخیص و برنامه ریزی می‌باشد.
4- سنسور حسی
قطعه‌ای است است که تماس جسم را مشخص می‌کند و اغلب در اجسام روزمره همچون دکمه‌های آسانسورها و لامپ‌ها که با لمس آنها شدت نور محیط را تشخیص می‌دهند به‌کار می‌روند. این سنسورها، ربات‌ها را قادر می‌سازند تا لمس را احساس کنند. همچنین به‌منظور اندازه‌گیری برنامه‌های کاربردی و تعامل موثر با محیط به‌کار می‌روند. این سنسورها را می‌توان به دو نوع اساسی تقسیم کرد: سنسورهای تماسی و سنسورهای نیرو.
الف- سنسور تماسی یا لمسی: این نوع سنسور قادر به لمس و تشخیص اجسام می‌باشد. برخی از قطعات ساده که به طور معمول از این سنسورها استفاده می‌کنند عبارتند از میکروسوئیچ‌ها، سوئیچ‌های محدودکننده و غیره. این سنسورها اغلب در ربات‌ها برای ایجاد یک عکسالعمل در صورت برخورد به موانع به کار می‌روند. زمانی که این سنسورها به مانعی برخورد می‌کنند، عکس العملی را برای ربات ایجاد می‌کنند که می‌تواند به صورت معکوس شدن، روشن یا خاموش شدن، سوئیچ شدن و غیره باشد.
ب- سنسور نیرو: این سنسورها به منظور محاسبه‌ی نیروهای عملیات‌های مختلف مانند بارگیری و تخلیه‌ی ماشین و جابجایی مواد که به وسیله‌ی ربات انجام می‌گیرد، به‌کار می‌روند. همچنین از این سنسورها می‌توان به منظور کنترل مشکلات مراحل مونتاژ برد.
5- سنسور دما
این سنسورها به منظور تشخیص تغییرات دمایی محیط اطراف به‌کار می‌روند. عملکرد این سنسورها بر مبنای تغییرات اختلاف ولتاژ بر حسب تغییرات دما است. این تغییر ولتاژ، دمای معادل محیط اطراف را مشخص می‌سازد. کاربردهای سنجش دما شامل دمای هوا، دمای سطح و دمای غوطه‌وری می‌باشد.
6- سنسور ناوبری و موقعیت یاب
سنسورهای موقعیت به منظور تخمین موقعیت یک ربات به کار می‌رود. معمول‌ترین سنسور موقعیت‌یاب، سیستم موقعیت‌یاب جهانی یا GPS می‌باشد. ماهواره‌هایی که به دور زمین ما می‌چرخند سیگنال‌هایی را ارسال می‌کنند، گیرنده این سیگنال‌ها را دریافت و پردازش می‌کند، سپس اطلاعات پردازش شده را به منظور تعیین موقعیت و سرعت ربات به کار می‌گیرد. این سیستم‌های GPS برای ربات‌های فضای باز بسیار کمک‌کننده خواهند بود اما در فضاهای بسته به درستی کار نمی‌کنند. (ماژول GPS NEO-M8N-0-10)
قطب‌نمای مغناطیسی دیجیتال، اندازه‌گیری‌های جهتی را با استفاده از میدان مغناطیسی زمین فراهم می‌سازد که ربات را برای رسیدن به مقصد هدایت می‌کند. در مقایسه با ماژول‌های GPS، این سنسورها ارزان قیمت هستند با این حال یک قطب‌نما زمانی که شما به اطلاعات موقعیت و ناوبری به‌طور همزمان نیاز داشته باشید، بهتر عمل می‌کند.
موقعیت سنجی (Localization) به وظیفه تعیین خودکار مکان یک ربات در محیط پیچیده اشاره دارد.
محلی‌سازی بر اساس عناصر خارجی بنام نشانه‌ها است که می‌توانند نشانه‌های مشخصه مصنوعی یا نشانه طبیعی باشند.
در رویکرد اول، نشانه‌ها یا چراغ‌های هشدار دهنده در اطراف ربات قرار می‌گیرند و حسگر ربات این سیگنال‌ها را برای تعیین مکان دقیق آن می‌گیرد.
نشانه‌های طبیعی می توانند درها، پنجره ها، دیوارها و غیره باشند که توسط یک سنسور ربات/سیستم بینایی (دوربین) حس می شوند.
بومی سازی را می توان با استفاده از بیکن‌هایی (beacons) که Wi-Fi، بلوتوث، اولتراسوند، مادون قرمز، انتقال رادیویی، نور مرئی یا هر سیگنال مشابه تولید می کنند به دست آورد.
7- سنسور شتاب
یک شتاب‌سنج وسیله‌ای است که برای اندازه‌گیری شتاب و شیب به کار می‌رود. دو نوع نیرویی که یک شتاب‌سنج را تحت تاثیر قرار می دهند عبارتند از نیروی استاتیک و نیروی دینامیک.
- نیروی استاتیک: این نیرو نیروی اصطکاک ما بین دو جسم می‌باشد. برای مثال نیروی جاذبه‌ی زمین یک نیروی ساکن یا استاتیک می‌باشد که یک جسم را به سمت خود می‌کشد. اندازه‌گیری این نیروی جاذبه می‌تواند بگوید که ربات شما به چه میزان در حال کج شدن می‌باشد. این اندازه‌گیری در ربات‌های متعادل‌کننده مفید می‌باشد یا می‌تواند به شما بگوید که ربات موردنظر بر روی یک سربالایی حرکت می‌کند یا یک سطح صاف.
- نیروی دینامیکی: میزان نیروی مورد نیاز برای حرکت یک جسم می‌باشد. اندازه‌گیری نیروی دینامیک با استفاده از یک شتاب‌سنج به شما می گوید که ربات شما با چه سرعتی در حال حرکت است. همچنین می‌توانیم درصورت نیاز، لرزش ربات را با استفاده از شتاب‌سنج اندازه‌گیری کنیم.
شتاب‌سنج‌ها در انواع مختلف وجود دارند. همیشه شتاب‌سنجی را انتخاب کنید که مناسب‌ترین برای ربات شما باشد (ماژول شتاب سنج سه محوره GY-291). برخی از فاکتورهایی که از قبل از انتخاب یک شتاب‌سنج بایستی در نظر بگیرید عبارتند از:
- نوع خروجی: آنالوگ یا دیجیتال
- تعداد محورها: ۱، ۲ یا ۳
- نوسان شتاب سنج: ±5g, ±2g, ±4g, ±8g, ±16g
- حساسیت:کم یا زیاد (هرچه بالاتر باشد بهتر است)
- پهنای باند
8- ژیروسکوپ
وسیله‌ای است جهت اندازه‌گیری و کمک به حفظ جهت‌گیری با استفاده از قوانین گشتاور زاویه‌ای. به عبارت دیگر یک ژیروسکوپ، برای اندازه‌گیری نرخ چرخش حول یک محور خاص به‌کار می‌رود. این وسیله به خصوص زمانی که بخواهید ربات شما وابسته به جاذبه‌ی زمین برای حفظ جهت‌گیری خود نباشد به‌کار می‌رود (برخلاف شتاب‌سنج).
9- واحدهای اندازه‌گیری اینرسی (IMU)
ترکیبی از ویژگی‌های دو یا چند سنسور مانند شتاب‌سنج، ژیروسکوپ، مغناطیس‌سنج و غیره به منظور اندازه‌گیری جهت‌گیری، سرعت و نیروی جاذبه می‌باشد. به بیان ساده‌تر، واحدهای اندازه‌گیری اینرسی قادر به فراهم کردن بازخورد به وسیله‌ی شناسایی تغییرات در جهت اجسام (پیچ، چرخش و انحراف)، سرعت و نیروهای جاذبه می‌باشد. تعداد کمی از این واحدها گامی فراتر رفته و با قطعات GPS به منظور تامین بازخورد موقعیت ترکیب می‌شوند. (سنسور IMU شش درجه آزادی ICM-20689 و ماژول IMU نه درجه آزادی GY-9250)
سنسورهای دیگر برای ربات‌ها
امروزه صدها سنسور ساخته شده‌اند تا هر آنچه را که فکر می‌کنید بتوانند حس کنند و این تقریباً غیر ممکن است تا بتوان تمام سنسورهای در دسترس را نام برد. به غیر از سنسورهای نامبرده شده در بالا، تعداد بسیار زیادی سنسور برای کاربردهای خاص وجود دارد. به عنوان مثال سنسورهای رطوبت میزان رطوبت موجود را اندازه‌گیری می‌کند؛ سنسورهای گاز به منظور شناسایی گازهای خاص طراحی می‌شوند (مفید برای ربات‌هایی که نشت گاز را شناسایی می‌کنند)؛ پتانسیومترها که می‌توانند در کاربردهای بسیار زیادی مورد استفاده قرار بگیرند و سنسورهای میدان مغناطیسی شدت میدان مغناطیسی اطراف آن را اندازه‌گیری می‌کنند.
خلاصه
یک ربات ساده تشخیص موانع می‌تواند با استفاده از یک جفت مقاومت نوری یا یک سنسور مادون قرمز ساخته شود؛ هرچقدر که ربات شما پیچیده‌تر باشد، تعداد سنسورهای به کار رفته در آن بیشتر خواهد بود. انجام یک کار ممکن است به تنهایی نیازمند ترکیبی از سنسورهای مختلف باشد یا کارهای متفاوتی می‌تواند با استفاده از یک سنسور انجام شود. گاهی اوقات یک وظیفه می‌تواند با استفاده از چندین سنسور در دسترس انجام شود. بهترین سنسور را بر اساس قابلیت دسترسی آن، قیمت و راحتی استفاده‌ی آن انتخاب کنید.
