整合MEMS微機電技術 優化地面機器人運動控制與性能
- DIGITIMES企劃
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隨著各式通訊技術、感測器元件發展突飛猛進，以往地面機器人在取代高危險作業的操作過程，都必須全程搭配人工介入輔助進行任務，但在新穎的通訊、嵌入式運算、感測器整合下，這類從事礦物採集、災區救援等特殊任務的地面型機器人，也可有效減少人工介入、提升設備導入效益。
面對高危險性的作業空間或是處理高危害的礦產探勘、物料搬運與處理，透過地面機器人經由遠程遙控操作進行工作是相當常見的運行模式，例如，太空任務投放於星球地面進行環境探勘與礦石採集，也都是使用這類地面機器人進行採集任務。
地面機器人用途廣 人工介入成本高
雖然地面機器人在處理高危險環境作業、應用低效率的任務有其使用價值，但實際上遠程操作運行地面機器人仍須搭配一組人力參與設備控制，多數情況下機器人並無法進行自主工作，這也往往導致地面機器人的人工介入成本太高，如果能將簡易的任務予以自動化運行，不僅可以減輕操作地面機器人的遠程遙控負荷，也能利用同時投放大量機器人快速自動化完成指定任務。
要使地面機器人處理自主運行、自主進行任務，主要可以透過整合導航系統、搭配各種感測器的監控系統進行控制與自主操作，運用導航搭配智能車載平台，可以引導智能機器人在指示的工作範圍中進行任務，甚至可以達到無人力操作前提下自主回收地面機器人的便利性，而達成此目的就必須搭配高精密度的位置定位、高精度的運動控制處理，系統各方面精密度表現也直接左右機器人運行的可靠度表現。
導入MEMS微機電感測器 優化導航準確度
使用MEMS微機電系統整合的陀螺儀元件，可以提供導航系統可反饋的檢測機制，對於優化設備的導航性能具顯著效益，也能透過導航系統整合進一步優化地面機器人的自主運行能力，減輕操作人工介入的工作負荷。除了用於救災或高危環境的地面機器人外，其實以車載平台為基礎的室內自主導航運輸用機器人(Autonomous Indoor Vehicle；AIV)，透過室內導航整合與自動運行設計，設置環境不須部署地面導航磁條或線路、導航基站，也可減輕室內自動酬載裝置超過15%的建置成本。
以地面機器人的設計需求檢視，地面機器人的行動動態通常是透過管理機器人運作動作的中央處理器進行目標派發，基本上地面機器人的運行狀態也會受到地形、地物與環境造成行進目標偏差，尤其在戶外或是救難用的地面機器人，面對的場地問題會比工廠或一般自動化倉儲應用的環境更為複雜，光靠中央處理器分派行進路線、任務並不實際。
自主運行路徑判斷分析 降低人工介入控制成本
為優化行進至目標點的準確度，同時也須確保設備不會走到陷入環境困境而無法抵達目的地、反而需要人工協助脫困的窘境，控制系統除了下達目標位置指示外，通常需要透過導航系統進行行徑路程規劃，或透過軌跡參照進行最佳路徑導航。導航系統所規劃的地面機器人行進路徑可透過最初幾次的人工操作路徑記錄作為參考路徑，更簡便的避開已知路徑障礙，但路徑可能會有新的障礙物或是貨品堆置，這時導航系統就必須在路徑執行過程搭配各式感測器進行路徑分析、避障處理。
即便是運行環境相對單純的室內型地面機器人，其實路徑智能導航的複雜度也不亞於戶外應用系統，例如應用於自動化智能倉庫貨品搬運用途的地面機器人、醫療環境使用的遞送機器人，或是工廠無人運輸的電子料件遞送機器人，在應用環境的運行路徑也可能會有工作人員走動、路徑會有臨時堆置物品等障礙物，導航行程計畫也必須針對現實路徑狀況進行動態調整。
透過指定路徑參照 搭配自主控制優化導航效益
當執行目標行進點匯入導航系統後，導航系統即需針對可運行的路徑執行運輸酬載任務，導航路徑同時需要參照指定路徑軌跡、樓層的障礙物位置，在已知的機器人體積限制下進行最佳運行路徑的動態調整，對於遞送料件、醫療樣本等物品若有時限要求，酬載運行路徑優化與遞送時間提示也必須整合於導航系統中，以便於系統能在要求期限內完成自動化運輸遞送任務。
透過運動系統控制酬載平台的輪速、轉向進行運作路徑控制，其間酬載平台或意外被碰撞、移置或輪速差易導致參照路徑偏移，也必須透過感測器的數據反饋即時修正控制路徑、更新導航路徑軌跡，或是變更修正路徑條件。若以車輪為基礎的酬載運動機器人平台為例，一般會在每個車輪設置獨立的速度控制模組，而在具轉向能力的控制輪組搭配更精密的速度與轉向控制能力，藉此達到更精密的任意方向高度的靈活控制能力，同時導航系統再搭配慣性導航系統(Inertial Navigation System；INS)提升導航精確度。
搭配GPS、雷射測量 優化自主避障能力
對於戶外型的地面機器人，導航系統還可搭配GPS全球定位系統達到最基本的定位能力，同時對於戶外或是障礙物感測可透過雷射測距，分析行徑路徑的障礙物精確距離，同時在帶動酬載平台的每個輪組設置採MEMS架構之陀螺儀，藉此實踐可精確控制每個獨立車輪的轉速輸出，達到更精確的自主運行與自動避障能力。
為了簡化地面機器人的操控難度，在用戶使用介面端可採用自動循跡來規劃機器人行進基本路徑，也就是說以人工介入進行幾組選擇路徑記錄，而在實際設置運行路徑規劃時只要設置目標後，讓地面機器人自行判斷最佳運行路徑，而不需要個別提供詳細的酬載行程計畫，簡化設備管理的人力負荷。而在路徑資料中，實際運行時由導航系統自動將軌跡或座標點的運行路徑拆解成每個輪組的輸出輪速，同時換算控制輪組應有的導向角度。
導航系統除即時產製運動控制的配置文件外，若運行環境在室內平緩路徑，基本上控制動態運行的配置文件還不算太複雜，但若是用於救災或是崎嶇路面的運行路徑，運動輸出的配置文件還需要實時針對輪胎外徑、地面接觸面積、輪間距進行更精確的動態控制數據產出，同時也需要搭配各輪組的陀螺儀即時修正輸出運動性能。
搭配光學感測運動數據採集 優化運動控制能力
為了讓各輪輪速與角度反饋數據更精確，一般還會在轉向輪與制動輪追加光學動態編碼數據採集，透過光感測器轉換致動輪的轉速反饋，搭配轉向輪的轉向角度匯集各輪組的實際運行狀態，再透過運行動態演算法將反饋數據繪製導航系統進行更精確的路徑修正，因為轉速、轉向數據是直接透過光感測器採集整合，會較自驅動系統數據更為接近真實數據，但實際上仍會有部分差異產生，例如，各致動輪的胎壓、胎面紋路的磨損差異，與輪胎接觸地面阻力產生的差異，例如胎面側滑、轉向偏移等，部分數據差異可以透過各驅動輪的陀螺儀或感測器進行數據優化修正。
MEMS微機電感測器可以說是地面機器人運行路徑與導航精確度修正的重要感測數據來源，但感測器本身即有細微的數據誤差存在，若是透過驅動齒輪的齒輪比、轉速、輪胎外徑等換算運行軌跡，其誤差會因為使用時間、酬載物體重量、操作距離而會加大誤差量，但運行過程若透過MEMS感測器實時修正數據、搭配自致動輪組透過光學採集取得的轉速改善偏移誤差，尤其MEMS與光感測器本身對於電子雜訊的耐受度更高，另在感測靈敏度、穩定性都有相當好的表現，對於整體的運作軌跡控制也會有提升效果。
另外，感測器本身另會有溫度或是本身靈敏度的誤差問題，受溫度影響的系統性問題，可以透過溫度感測器的輔助，在設備出現持續高溫的狀態時，暫時停止運作待機體內部溫度降低時再運行進行改善，或是搭配主動散熱設備為溫度敏感的元件進行散熱處理，而元件本身的靈敏度誤差，則可以透過設備啟動的校準機制，在每次運行路徑執行前、或是任務進行中段自動進行校準，降低感測元件本身的誤差影響。
