用于机械臂末端感知的激光测距传感器设计
用于机械臂末端感知的激光测距传感器设计
作者:张禹;孙奎;张元飞;刘宏;朱万彬
目前,机器人技术已应用到社会生活的各个领域,轻型机械臂因其质量轻、体积小、工作灵活而被广泛应用于航天、医疗、救援等复杂的工作环境.轻型机械臂由于臂杆刚度小、关节柔性大以及基座扰动原因,其末端操作绝对精度较低,一般在10 mm 以内.为了提高轻型机械臂末端的操作精度,一般方法是利用视觉图像传感器来引导机械臂.该方法利用了图像传感器所反馈的信息,机械臂的感知能力得到提升.但机械臂在工作过程中,尤其是末端执行器贴近目标物操作时,视觉传感器的视野常常会受到遮挡,或因距离过于接近目标物而使视野不清晰,限制了视觉传感器的应用.而激光测距传感器则可以弥补这些不足.
当机械臂在 0 ~ 300 mm 范围内操作目标物时,机械臂与操作目标之间的距离是非常重要的信息.机械臂操作的精确性、末端避碰、工作效率等都受到距离检测能力的影响.在机械臂末端安装激光测距传感器能够反馈末端执行器与目标物之间的相对距离,增加机械臂的适应性,提高机械臂操作的精确性,提高工作效率.
在轻型机械臂末端执行器上集成传感器对传感器系统设计提出了较高的要求.轻型机械臂末端执行器内所安装的测距传感器应该具有如下特点:
(1) 体积小:末端执行器的体积和内部空间都很有限,其内部所安装的传感器的体积也必须足够紧凑;
(2) 测量最近距离小:机械臂末端执行器在工作中会逐渐接近直至接触目标物,所以传感器测量的最近距离要小,以满足末端执行器近距离工作的特点;
(3) 测量量程大:机器人末端执行器距离目标物工作距离变化不定,会在相对较远直至接触目标的距离范围内工作,因此要求传感器的距离感知范围较大;
(4) 测量精度高:轻型机械臂运动的重复精度一般为 1 mm ~ 10 mm,测距传感器的测量精度应该为 0.1 mm ~ 1 mm.
激光三角法是机器人精确感知距离的有效方法,该方法成本低、测量精度高,常常被用于机器人技术、安全防护和自动化系统.国外采用激光三角法的测距传感器包括日本 KEYENCE[8]、德国LEUZE 和 WELOTEC 的激光传感器;在中国国内则有西南交通大学的 CCD 测距系统、中国科学院长春光学精密机械与物理研究所的工业应用高精度 PSD 激光位移传感器、西安光学精密机械研究所的PSD 激光三角测头、华中科技大学的PS-D 激光三角测距系统、上海交通大学的 PSD 激光三角测距传感器、西安工业大学的基于 FPGA的激光测距系统 以及哈尔滨工业大学的空间机器人激光测距系统等.目前国内还没有成熟的微小型三角法激光测距传感器产品,常见的激光测距传感器量程小,测量的最近距离不够近,体积质量比较大,难以集成应用于轻型机械臂系统之中.
本文应用三角法测距原理研制了一种近距离、大范围、快速测距的微小型激光测距传感器,能够安装于轻型机械臂末端执行器内,使其感知目标物的相对距离,用来提高机器人的感知能力和操作精确度,更好地实现机器人系统控制.在设计上考虑了如下因素:
(1) 综合考虑系统集成性:既要限制传感器的尺寸和质量,又要保证传感器的测量范围.
(2) 合理分配测量分辨率:当机械臂接近和接触目标物时,要提高传感器在近距离测量时的精度,以满足末端执行器精细操作的需要;当机械臂距离目标物较远时,对传感器的测距精度要求较低.因此,合理设计光学系统,使传感器的高分辨率测量区间处于传感器的近距离测距范围内,既满足了机械臂的应用需要,又增大了传感器距离感知的范围.
(3) 集成化设计思想:将测距传感器的电气系统和机械结构一体化、微型化设计,改进信号处理方法.
2激光测距传感器系统(Laser range finder system)
2.1 传感器总体设计
研制的激光测距传感器将用于机械臂末端的距离感知,体积小,测量的最近距离小,测量量程范围大,测量分辨率满足轻型机械臂系统应用需要.
激光测距传感器系统主要包括光学系统、电气系统和机械本体.光学系统用来实现激光成像与测量;电气系统用来感知像点位置,处理感知到的信号,并与机器人控制系统通信,将信号传送给机器人的控制系统;机械本体将传感器封装为整体并提供安装定位接口.
为了实现传感器的集成化和微型化,本文最大程度地将光学系统、电气系统和机械本体协同迭代设计.在满足系统技术需求的情况下布置光学系统,将电气系统微型化,采用柔性 PCB(printed circuit board)电路将电路板折叠布置在传感器中,以节省空间.机械壳体选用铝合金以减小整体质量,设计微小型机械结构,并充分综合考虑了各系统间的布置关系,将传感器封装成矩形结构,便于调试、安装和使用,实现了外观简洁的微小型传感器布局方式.
2.2 光学系统
激光光学三角测距方法有测量范围适中、测量精度较高、数据处理容易、应用场合广泛的优点.该方法利用光学系统将激光光斑照射到被测物体表面上,光斑在被测物体表面发生散射,利用接收物镜将光斑聚焦成像于敏感表面.被测点的距离信息由该光斑在敏感表面上形成的像点位置决定.传感器通过感知光斑在敏感表面上的成像位置来测量距离,该方法测量最远距离一般在 1 m 以内,测量精度呈非线性,精度优于毫米级,最高可达微米级.
本激光测距传感器采用了直光学法入射非垂直接收屏方式的三角法.其特点是激光光斑成像质量较好,测距范围相对较大,传感器元件布置紧凑,有利于减小传感器的体积.
为减小环境光的影响,在接收透镜后面安装了波长为 635 nm 的窄带滤光片,允许波长为 635 nm的红色激光通过.该窄带滤光片实际通过光的波长范围是 600 nm ~ 650 nm,可以滤掉其它波长的杂光,从而有效排除掉环境光的不利影响.计算目标光斑在 CCD 上的成像位置时,需要计算滤光片厚度对光偏折的影响.
通过设计光路系统的参考面,利用斯凯普夫拉格条件,使其与起始线的距离等于传感器的关键测量距离,因此,传感器的高分辨率测量区间将分布于参考面附近,即传感器关键测量区间的分辨率较其它测量区间更优.本传感器光路系统设计使近距离测量区间的分辨率优于较远测量区间的分辨率.传感器的分辨率计算方法将在 3.1 节介绍.利用这种方法既充分利用了三角法测量的高精度,又扩展了传感器的有效测距范围.
2.3 电气系统
激光测距传感器的电气系统采用现场可编程门阵列(?eld-programmable gate array,FPGA)作为控制器,在保持低功耗的同时,可获得更高的采样频率、精度和计算速度,使传感器采样和运算速度更快,其硬件结构可配置,可根据需要增添配置功能,适合应用于任务多样化的机器人系统.
传感器的发射光源采用了波长为 635 nm 的红色激光二极管.使用线性 CCD 作为成像敏感芯片,共 5340 个像元,像元尺寸 μ = 4μm,其处理电路是数字电路.相比常见的PSD(position sensitive de-tector)芯片测量系统,虽然CCD 芯片封装尺寸大、成本高,但是 CCD 芯片测量系统的重复度、线性度、抗干扰性和稳定性较高,而且对温度的敏感性较低,该芯片采集的信息量全面,可以应用的后处理算法较多,增强了系统的可扩展性.
为了有效减小传感器的体积,在采用微型元器件的同时,各电气模块电路板之间采用了压制在多层刚性 PCB 之间的柔性 PCB.该电路相比外部导线连接方式抗干扰能力更强,减少了导线连接及插座数量,显著减小了电路板的尺寸,而且,柔性PCB 电路可以折叠布置,有利于实现传感器的微小型化.
为了使 CCD 敏感器处于正常工作状态,必须控制激光发射的光强.激光器的最大发射功率为5 mW,足以使 CCD 处于接收饱和工作状态.饱和工作状态的 CCD 不能有效测量距离,而且其工作寿命也将受到影响.因此,激光发射光强必须根据CCD 接收到的光强进行实时调节,既要使 CCD 能有效接收到光斑,又不使 CCD 饱和工作.当 CCD接收到的光强幅值超过其上限接收幅值的 90%时,在下一工作周期开始,激光发射光强减少 1 单位(20 μW);当 CCD 接收到的光强幅值小于其饱和幅值的 40%时,在下一工作周期开始,激光发射光强增加 1 单位,从而实现对激光发射器光强的实时控制.
传感器在实际测量工作中,像点光斑在 CCD敏感器上将覆盖几十个像元单元,为了精确测量目标的距离,必须准确地定位 CCD 上的光斑中心.通常采用质心法或抛物曲线拟合法进行光斑中心定位和位置亚像元细分.质心法确定的光斑中心是 CC 知光斑光强的分布重心位置.
抛物曲线拟合法利用光斑中心能量高并逐渐向偏离中心方向衰减的特点,用抛物线拟合计算光斑位置.拟合抛物线为 p(x) = a(x ? xc)2 + b, a 和 b 是抛物线系数.抛物线拟合方法较质心法计算精度高,但计算速度慢.机械臂末端感知的传感器要进行快速实时测量,采样周期为 1 ms.因此,本传感器采用了质心法来确定 CCD 光斑中心,并在FPGA 内部通过VHDL 语言实现高速计算,传感器可以直接输出光斑所在亚像元点以及所对应的测量距离.
2.4 国内外产品参数对比
目前国内还没有成熟的、基于三角法测距原理的激光测距传感器产品,国内各研究机构所设计的测距传感器也较少以机械臂应用为目的.现有国际主流激光测距传感器产品测量最近距离较远,同时测量量程较小,而且传感器体积较大,不适于机械臂及其末端执行器的集成应用.
3 测距传感器的标定(Range ?nder calibra-tion)
3.1 传感器的理论分辨率
当测量目标光斑移动 x 时,对应 CCD 敏感面上的成像点移动 xi 像元长度,则 dx/dxi 是目标在距离参考面 x 处的传感器的系统分辨率.dx/(dxi/μ )是目标在距离参考面 x 处的传感器的理论分辨率δ ,单位为 mm/pixel.在不采用细分算法的情况下,传感器在 25 mm~ 100 mm 的测距范围内分辨率为 0.005 mm/pixel~ 0.10 mm/pixel;在 100 mm ~ 200 mm 的测距范围内分辨率为 0.10 mm/pixel ~ 0.43 mm/pixel;在 200 mm ~ 350 mm 的测距范围内分辨率为0.43 mm/pixel ~ 1.34 mm/pixel.三角法测距传感器的分辨率随着测量距离的增加而下降,因此,在一定测量精度要求的前提下,传感器的测量距离不能无限增加.
3.2 传感器的标定系统
激光测距传感器标定系统主要包括光学平移台(传感器固定台、移动平台、光栅尺、步进电动机和精密丝杠)、平移台控制器、激光测距传感器、测量目标物、直流电源、计算机和标定程序.平移台控制器可以控制移动平台上的测量目标物与激光测距传感器之间的精确位置,同时,计算机可以接收到激光测距传感器所传出的测量信息.利用计算机发送控制指令,通过平移台控制器使测量目标物相对激光测距传感器移动指定的距离,将光栅尺测量到的距离与激光测距传感器测量的信息进行比较,就可以建立该激光测距传感器的测距标定映射,以此来完成对激光测距传感器的标定.
3.3 传感器测试与标定实验
用所研制的激光测距传感器标定系统对传感器进行标定,并利用已标定的传感器开展距离测量实验.传感器的标定实验曲线与采用进行理论计算得到的曲线在 25 mm ~360 mm 测距段上的变化趋势相同,并且曲线几乎重合,说明传感器设计正确且测距性能良好.实验标定曲线与理论计算曲线并不完全重合,两曲线间存在偏差.随着传感器机械构件和光学镜片加工精度的下降,并受装配条件的影响,两曲线的偏差会有所加大.因此,利用标定系统对传感器进行全量程的标定可以得到传感器实际的测距标定曲线,提高传感器的测量精度.
用已标定的激光测距传感器进行实际距离测量,实际距离是利用光栅尺测得的目标物相对于传感器起始线的距离,测量结果是激光测距传感器所感知到的距离,测量误差即测量结果与实际位置的差值.实验误差曲线和理论分辨率曲线,在25 mm ~ 350 mm 测距范围内,随距离增加,实际测量误差波动变大.该测距实验误差和 3.1 节中的理论分辨率计算结果一致,说明了该传感器设计的正确性.传感器在 25 mm ~ 150 mm 的测距范围内误差小于 0.5 mm,在 150 mm ~ 350 mm 的测距范围内误差小于 4 mm,一般在 2 mm 以内.这种近距误差小于远距误差的测距传感器适合应用于机械臂末端执行器对目标物的感知操作,可以用于提高末端执行器在贴近目标物时的操作精度.
4 机械臂上的应用(Application to the robotarm)
为了提高轻型机械臂末端相对目标物体的运动精度,可以利用激光测距传感器实时感知目标物与机械臂末端之间的距离,以增加机器人的感知能力,提高位置控制精度.将本文研制的近距离大范围测距的微小型激光测距传感器安装于轻型机械臂末端执行器上.机械臂在笛卡儿空间下的控制周期一般为1 ms,激光测距传感器的测量周期为 1 ms,满足机械臂末端操作的控制需求,适用于机械臂控制系统 .由于轻型机械臂臂杆刚度小、关节柔性大,因此轻型机械臂的位置控制精度较低.利用安装于机械臂末端的激光测距传感器实时感知与操作目标物之间的距离,通过距离感知系统向位置控制器反馈位置信息,以此控制机械臂末端相对于操作目标物的运动.测距传感器用于轻型机械臂末端的位置控制.控制轻型机械臂的末端执行器在笛卡儿空间运动,使末端接近一个目标平面并到达指定的距离.实验结果表明,轻型机械臂在无激光测距传感器感知的情况下,其末端位置与期望位置之间的误差大于 4 mm;在激光测距传感器感知并参与控制的情况下,机械臂利用传感器的距离信息能够更加准确地到达期望位置,误差小于 0.6 mm,轻型机械臂运动实验结果如表 4 所示.机械臂末端从100 mm 处开始运动到距离目标40 mm 处的位置,在利用激光测距传感器感知的情况下,机械臂相对目标物的运动精度得到了提高,重复实验 10 次的结果.
5 结论(Conclusion)
本文研制了用于轻型机械臂末端距离感知的激光测距传感器.针对机械臂操作应用的特点,所设计的传感器最近测量距离为 25 mm,测量范围能够达到 25 mm ~ 350 mm,测量分辨率为 0.005 mm/pixel ~ 1.34 mm/pixel,传感器体积为47 mm×50 mm×15 mm,质量为 70 g,采样周期为1 ms,适合应用于机器人系统.利用本文研制的标定系统便捷地标定了传感器.将激光测距传感器安装于轻型机械臂末端进行了对比实验,在没有使用传感器引导的情况下,轻型机械臂运动的绝对误差约为 4 mm;而在有激光测距传感器引导的情况下,机械臂运动定位精度明显提高,误差小于 0.6 mm.实验结果表明,本文研制的激光测距传感器可以应用于轻型机械臂系统,适用于末端感知,可提高机械臂的控制水平.
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