激光测距仪在机械手自动更换技术中的应用
激光测距仪在机械手自动更换技术中的应用
作者:谭定忠;王启明;李金山;李琳
0引 言
太空存在着辐射等对人有害、危险的因素 ,大量在空间的作业人力不能胜任或用人来完成 ,作业成本高、效率低 , 这些工作需要机器人来完成。为机器人配置工具库以及多种机械手、作业工具并使其具有自动更换机械手和作业工具的能力 ,可以提高机器人的作业能力和作业效率 ,使机器人一次进入作业环境就可完成多种作业或全部作业 ,减少作业时间、降低作业成本、保障作业机器人的安全。机器人腕部与手部的快速可靠对接是保证机器人自动更换机械手和作业工具的关键 ,本文所研究的机器人在更换工具时采用视觉引导粗定位 ,要求机械手腕部具有光学引导、主动捕捉、精确定位和姿态调整功能 ,使机器人自动更换工具的过程中都能满足对接正常进行的几何约束条件和力学约束条件。因此 ,在机器人的腕部安装了激光测距仪以满足机械手对接时对距离测量的要求 ,测距仪不但可获得距离信息以判断机械手与对象物之间的位置关系 ,而且还可根据距离信息确定机械手与对象物之间的姿态。半导体激光器发出的光照射在对象物上形成明亮的红色光斑可供机器人视觉引导之用。
1测距仪的工作原理
PSD 为 PIN 三层结构[1 ,2] , 其截面如图 1 ( a) 所示 ,1 (a) 中 ,PSD 表面 P 层为感光面 ,两边各有一输出电极 ,底层的公共电极接反偏电压 ,中间是 I 层。当入射光点照到 PSD 光敏面上某一点时 ,在入射光的照射下 ,半导体内部产生载流子 ,它们在耗尽层内电场的作用下发生定向移动 , 空穴进入 P 层 ,电子进入N 层 ,形成光电流 ,光电流到达 Q 点后 ,被电阻 R1 和 R2 分流 ,从电极输出 , 设产生的总光电流为 I0 ,由于在入射光点到信号电极之间存在横向电势 , 在 2 个信号电极上接一个负载电阻 , 则在两极得到光电流I1 和 I2 。I1 和 I2 的大小取决于入射光点位置及两极间的等效电阻 R1 和 R2 。如果 PSD 表面层的电阻是均匀的 ,则PSD 的等效电路如图 1 ( b) 所示 , R1 和 R2 的阻值取决于入射光点的位置 , 假设负载电阻 RL 阻值相对 R1 , R2 可忽略 , 则
I1/ I2 = R2/ R1 = ( L - X) / ( L + X) ,(1)式中 L 为 PSD 中点距信号电极间距离 ,mm ; X 为入射光点到 PSD 中点距离 ,mm。
式(1) 表明:2 个信号电极的输出电流之比为入射光点到该电极间距离之比的倒数 ,将 I0 = I1 + I2 与式(1) 联立求解 ,得
I1 = I0 ( L - X) / 2L , I2 = I0 ( L + X) / 2L ;
X = L ( I2 - I1) / ( I2 + I1) .(2)
由上式看出 :当入射光点位置固定时 ,单电极输出电流与入射光强成正比;当入射光强不变时 ,单个电极输出电流与入射光点距中心距离 X 呈线性关系; 两极输出电流与坐标 Y 有关 ,与入射光点强度无关 , 即 PSD 只对入射光光斑位置敏感。
2 实验结果
取量程 ≥120 mm , 分辨力 ≤1 mm。PSD 芯片尺寸1 mm ×12 mm ,光谱响应范围为 380~1 100 nm ,位置分辨力为6μm ;半导体激光器LD 发出红光 ,波长为 650 nm ,输出光能量 5 mW ,光斑直径为 1 mm ,根据测距仪的技术要求和PSD 的性能以及式 ( 1) 、式 ( 2) 、式 ( 3) 联立 , 求解可得到H0 = 20 mm , K0 = 30 mm。发射透镜和接收透镜的口径都尽可能大 ,为使 PSD 对光斑位置有较高的灵敏度 , 要求 PSD 上光斑尽可能小 ,且边界清晰 ,即发射透镜和接收透镜的像差尽可能小。另外 ,激光器前面要加上光阑 ,在发射透镜和接收透镜前加上同光源峰值波长相同的窄带滤光片以消除杂散光和背景光的干扰和对测量精度的影响 ,窄带滤光片还能起到防尘和密封的作用[5 ,6] 。为了消除背景光和暗电流的干扰 ,对光电信号的处理采用采样2保持法。激光测距仪的测量值如表 1 所示。
3 测距仪在机械手自动更换技术中的应用
机器人接近觉传感器工作原理如图 3 所示 ,半导体激光器LD1 和LD2 分时工作 ,分别与 PSD 构成激光测距仪 1 和激光测距仪 2 ;半导体激光器LD1 和LD2 发出红光 ,波长为 650 nm ,输出光能量不小于 3 mW ,光斑直径 1 mm ,清晰、明亮;在成像透镜前面附加峰值波长为 650 nm 带通滤光片 , 降低背景光在 PSD 上的强度 , 使通过滤光片照射在PSD 上的光强对目标信号有最大限度的响应 ,而对背景信号有较大衰减 ,提高系统测量信噪比 ,同时 ,也防止 PSD 达到饱和。使用时 ,将传感器安装在机器人腕部 ,如图 4 所示。
机械手自动更换装置由工具库、机械手腕、与机械手相连的工具端口三部分组成 ,如图 4 所示。工具库包括基座、底板、底座、传感器、电机等组成 ,底座及底座上的凸台对被动端口的 x 向和 z 向定位 ,基座和底板上有过光孔 , 工具端口 y 向的位置由激光测距仪检测基座和底板上的过光孔的位置来确定 ,电机用于驱动螺杆销运动 ,螺杆销的位置由光电开关 1 和光电开关 2 检测确定。机械手腕上装有电联接器(插头) 和激光测距仪。工具端口由机械本体和电联接器组成 ,机械本体上有台阶 ,配合接近传感器和工具库底板上的过光孔使用可用来确定机械手腕与工具端口的位置与姿态 ,槽和凸台与底座上的凸台相配合 ,在更换操作器时可对被动端口起定位作用。
4 结 论
本文对 PSD 的工作原理进行了理论分析和研究 ,考虑空间机器人应用背景设计的激光测距仪结构简单、体积小、重量轻、并具有较高的测量精度 ,对对象物的材质要求低、适应性强、应用范围广 ,同其它类型的机器人接近觉传感器相比具有明显的优越性 ,能够满足空间机器人在空间工作时对距离测量和机械手腕位置姿态检测的要求(目前主要用于机械手的自动更换) 。由于光路系统中使用了滤光片 , 对LD1 和LD2 工作过程进行了时间分割和背景光信号的剔除 ,极大地减小了背景光和暗电流对测量精度的影响 ,但PSD 的非线性误差和工作环境等都影响测距仪的测量精度和长期稳定性 ,使用时应注意标定和误差补偿 ,与机器视觉、力觉等其它机器感知系统配合使用 ,并进行数据融合 , 为机器人提供精确、可靠的信息。
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