基于三维激光扫描仪测距传感器的机械臂末端位姿测量
基于三维激光扫描仪测距传感器的机械臂末端位姿测量
张爱琳,李 潞
当前,国外比较有代表的激光三点测距产品是美国 Banner 机构研发的 Q50 和 PicoDot 系列、德国 Micro -Epsilon 机构研发的 opto-NCDT 系列、日本 Keyence 机构研发的 LB、 LS 以及 LK-G 系列[I] 。最新的探讨课题集中在激光三点测距误差控制、速率提升等领域。 M.V.Mohan 等对激光三点测距传感器 (CCD) 的 最小测距距离进行试验分析,提出最小测距距离的改 进光路。 根据仿真分析,该光路能够将最小测距距离 扩大约 9% [2] 。 P.F.Huang 等通过实验,提出可以通过 一种极化算法有效化解被测物的镜面反射,从而提升 CCD 的测量精度。 此外,Alexander Konig 等提出可以 利用机器人进行轮廓跟踪,从而解决延时问题并提升 测量速率[3] 。 英国工程科研小组 Neptec Design Group 提出可以在实时位姿估计中融入 CCD, 通过合理规划 CCD 的路径,从而获取被测物体三维信息 。
国内激光三点测距研究的起步较晚,相关产品的商业化程度也较低。
1 激光测距传感器系统设计
1.1 总体设计方案
激光测距传感器的总体设计方案需要依据“ 单独 设计,综合考量 ”的逻辑,充分考虑光学、机械和电气 等方面的因素 。本研究所提出的激 光测距传感器系统包括目标物、三角法光学系统以及电气系统 3 部分。 在测量时,三角法光学系统居千核心位置。 其中,激光发射系统向目标物所发射激光会 以光斑信号形式被接收系统所获取;接收系统会将光斑信号转换为电信号,并通过CCD驱动电路输入电气系统作进一步处理。
1.2 传感器光学系统参数设计
激光测距传感器的测量精度受被测物面ICCD感 光面与透镜之间的距离、激光轴线/CCD感光面与透镜光主轴的夹角、光斑在CCD感光面的移动距离等参 数的影响。结合本研究传感器的测距、精度 要求,选 择 ILX559G 线阵激光测距传感器,其像原大小为4µm, 像元数为5 400, 符合研究要求 。另外,本研究所选择的激光二极管为 ADL-630TL 系列。
直射式光路条件下,当光斑处于透镜光轴时,将其作为基准 。此时, 被测物面在激光发射方向移动 的距离(记为y,mm) 为 0。在设计时,y 在区间[ -30,320] 上取值;测距范围 350 mm, 其中有 50 mm 预留裕量。忽略像元细分,CCD系统的分辨能力取决于其像元大小。事实上,CCD系统分辨能力并非固定的。本研究中,将测量 基准最近处像元的实际移动距离视为评估CCD系统分辨能力的指标并记为F。,F值越小,表明CCD系统分辨能力 越可靠。为有效控制测量 系统宽度以及传感器体积,需要 选择适当的系统参数。然而,CCD系统测量精度又与CCD感光面大小相关。
1.3 电气系统设计
在选择主控制器时, 综合考虑稳定性、 电路复杂性、集成度、处理速度以及硬件编程 等标准,本研究认为现场可编程门阵列(FPGA)相对最适当。如图 2 所 示,激光测距传感器电气系统包括FPGA、激光器光强检测模块、激光器驱动模块、CCD模块、信号采集处理及存储模块、CCD像元细分及标定模块、 通信总线模块等部分。其中,FPGA 通过SPI通信接口将所采集到的被测物位置信息进行处理和存储,并通过PPSe或者UART 通信总线与机械臂主控或者PC机通信。最后基千PC机及存储模块的数据,CCD像元细分及标定模块能够确定被测物三维信息。
2 平面位姿检测实验研究
2.1 检测方法
在检测被测物平面位姿时,采用 3个单点激光测距传感器向被测物同时发生激光束,并通过综合各个传感器所 测得距离计算被测物位姿。 如图 3 所示, 6.ABC的3个顶点A,B,C分别对应一个激光发射点; 6.A1 B1C1 的3个顶点A1 ,B1 ,C1 分别对应一个激光束在被测物上的照射点。
本研究所搭建的试验平台包括机械臂、传感器控制系统、被测物、激光传感器(3个,位于机械臂末端)、激光跟踪仪。 在实验时,被测物保持相对静止,通过机械臂末端位姿的变化来调整激光传感器移动,从而完成对被测物位置信息的采集。 所采用的激光跟踪仪为 Tracker Cal -3系列,具有良好的稳定性、测量空间较大、分辨率高(1 µ,m) 且测量精度可靠(士0.5 ppm, 1 ppm= 10勹,能够对机械臂末端位姿、被测物平面进行检测,从而控制位移误差。
2.2 结果与分析
当机械臂末端以某角度旋转时,3个传感器与被测物的距离值会发生相应变化。 机械臂末端转动一个角度时,传感器测得距离与激光器跟踪仪所得距离存在差异,对比二组值则为 三点法测量的位姿误差。 结果如图5所示。 由图5可知,随着机械臂末端转动次数增加,三点距离传感器的位姿测量误差也相应增加。 可见,机械臂末端旋转角度增加、测距范围扩大都可能降低传感器测量精度。 不过,从15 次的测量结果来看,测量距离误差在1.0mm 以内,角度误差在 0.8°以内,测量结果精度可接受。
3 结论
在运用激光传感器对被测物进行测量时,被测物平面与机械臂末端平面相对位姿可能存在误差。 对此,本文设计了一种精度较高的近距离实时测距激光传感器,并利用机械臂末端三点激光测距传感器对平面位姿进行测量。研究结果表明,随着机械臂末端转动次数增加,三点法下的位姿测量误差也相应增加。机械臂末端旋转角度增加、测距范围扩大都可能降低传感器测量精度。 不过,测量距离误差在1.0 mm以内,角度误差在 0.8°以内,测量结果精度可接受。 本文设计的激光测距传感器可以高精度的完成任务,满足机械臂对目标进行检测的要求。
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