CN101718535B - 一种适用于机器人感知与障碍物之间夹角的触须传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于机器人感知与障碍物之间夹角的触须传感器，该触须传感器包括有激光器、一维PSD传感器、触须、底座和外罩。本发明的触须传感器属于机器人的检测装置部分，且触须传感器安装在机器人本体上，最佳位置是安装在机器人本体的前端。当机器人本体靠近障碍物时，该传感器利用一维PSD传感器与安装在触须根部的激光源实现触须与障碍物之间夹角θ的采集，然后依据机体前进量S和末端位移量W得到机体与阻碍物体的夹角θ，机器人转过此角就实现了避障。

Description

一种适用于机器人感知与障碍物之间夹角的触须传感器

技术领域

本发明涉及一种触须传感器，更特别地说，是指一种触须传感器，该触须传感器用于机器人感知与障碍物之间夹角。

背景技术

机器人(Robot)是自动执行工作的机器装置。它既可以接受人类指挥，又可以运行预先编排的程序，也可以根据以人工智能技术制定的原则纲领行动。它的任务是协助或取代人类工作的工作，例如生产业、建筑业，或是危险的工作。机器人一般由执行机构、驱动装置、检测装置和控制系统等组成。

检测装置的作用是实时检测机器人的运动及工作情况，根据需要反馈给控制系统，与设定信息进行比较后，对执行机构进行调整，以保证机器人的动作符合预定的要求。作为检测装置的传感器大致可以分为两类：一类是内部信息传感器，用于检测机器人各部分的内部状况，如各关节的位置、速度、加速度等，并将所测得的信息作为反馈信号送至控制器，形成闭环控制。另一类是外部信息传感器，用于获取有关机器人的作业对象及外界环境等方面的信息，以使机器人的动作能适应外界情况的变化，使之达到更高层次的自动化，甚至使机器人具有某种“感觉”，向智能化发展，外部传感器给出工作对象、工作环境的有关信息，利用这些信息构成一个大的反馈回路，从而将大大提高机器人的工作精度。

机器人如何能够在未知环境中感知环境信息，进行导航、路径规划与自主避障正在成为新的研究热点。众所周知，人类感知外界信息的主要手段有视觉、听觉、嗅觉、味觉与触觉，目前机器人感知外界信息的主要方法是模仿人类视觉原理进行的。但人们对机器人在不确定环境下的工作成效提出了越来越高的要求，如要求机器人能够在能见度较低甚至无可见光的条件下进行安全导航、避障以及检测狭小空间等，如此以来，单纯依靠视觉传感器已经无法满足要求。在这种情况下，触觉传感器作为视觉传感器的补充应运而生。

人工触须是目前较常用的传感装置，现有的传感器大多数都在触须末端安装一个小型电机或其他驱动装置，这样用来扫描物体，从而感知物体的外形与轮廓信息，但这样的缺点是扫描需要花费大量时间，无法对高速行走中的机器人提供足够的信息用来避障。基于此原因，又有许多学者提出利用被动触须来感知外界信息，但这样触须根部一般都是一个很小的位移量，并且信号变化快速，需要很高的采样频率才能保证信号正确采集，其中高频信号还设计物体轮廓、纹理信息，因此信号采集与分析都具有较大难度。

为了解决机器人快速的避障，以及对传感信息的快速解析，减少机器人对传感信息的计算时间(该计算时间是指机器人控制部分的中心处理器对接收到的数据信息进行的处理时间)，本发明提出一种利用光传递信息，结合触须末端与障碍物形成的夹角来快速解决机器人避障。

发明内容

本发明的目的是提出一种适用于机器人感知与障碍物之间夹角的触须传感器，当机器人靠近障碍物时，该传感器利用一维PSD传感器与安装在触须根部的激光源实现触须与障碍物之间夹角θ的采集，然后依据机体前进量S和末端位移量W得到机体与阻碍物体的夹角θ，机器人转过此角就实现了避障。

本发明是一种适用于机器人感知与障碍物之间夹角的触须传感器，该触须传感器包括有激光器5、一维PSD传感器4、触须2、底座1和外罩3。本发明的触须传感器属于机器人的检测装置部分，且触须传感器安装在机器人本体6上，最佳位置是安装在机器人本体6的前端(头部)。

激光器5安装在触须2上，且置于外罩3内。

一维PSD传感器4安装在底座1的B支臂12的凹槽121内，且一维PSD传感器4的敏感端面43与PSD透光槽122匹配；

触须2为圆柱结构，触须2的触须根部安装在底座1的底板13上，触须2的触须末端21穿过外罩3上开设的滑槽31后，裸露在外部；

底座1为U字形结构；底座1的底部为底板13，该底板13用来安装触须2的触须根部；底座1的两侧设有A支臂11和B支臂12；

A支臂11上设有B通孔111，该B通孔111用于连接激光器5的电缆穿过；

B支臂12上设有凹槽121，凹槽121的中心设有PSD透光槽122，凹槽121用于放置一维PSD传感器4，PSD透光槽122用于激光器5出射的激光束通过，并且一维PSD传感器4上的敏感端面43置于PSD透光槽122处；

外罩3上设有顶板34，顶板34上开有滑槽31，该滑槽31用于触须2在此槽内滑动；

外罩3上设有A侧板32和B侧板33，A侧板32和B侧板33用于与底座1安装后，实现遮挡可见光。

本发明的触须传感器是根据一维PSD传感器4上读取的光斑的位置得到触须末端的位移量 $W=\frac{d}{d_0\×(\frac{{3L}_0}{L^2}-\frac{{{3L}_0}^2}{2L^3})},$ d表示激光器5出射的激光束照射在一维PSD传感器4上的光斑偏移量，d₀表示激光器5的出射口端面51与一维PSD传感器4的敏感端面43之间的距离，L₀表示激光器5到触须根部的距离，L表示触须2的长度。

为了使机器人本体实现避障，利用本发明的触须传感器可测得机器人本体6与前方障碍物之间的夹角 $\mathrm{\θ}=\arccos \left(\frac{{\mathrm{BC}}^2+S^2-W^2}{2\mathrm{BC}\×S}\right),$ 且BC表示弯曲点B与交点C之间的距离，S表示机体前进量，W表示触须末端的位移量，L表示触须2的长度，表示触须转角。

本发明触须传感器的优点在于：

①由于触须末端碰到障碍物时会导致触须根部产生微小位移，采用激光器垂直安装在触须上，增大了一维PSD传感器上的光斑移动量，有利于一维PSD传感器进行数据采集。

②本发明只需感知一维的触须末端偏移信息即可实现机器人的避障，采用一维PSD而不是二维PSD，采用一维PSD简化了信号的处理过程，同时也节约了制作本发明传感器的生产成本。

③本发明采用被动感知方式，当将本发明传感器安装在机器人头部位置的时候，撞到障碍物时可以直接测得夹角信息，从而启动机器人中的驱动机构改变行进方向，达到快速避障的目的。

附图说明

图1是本发明触须传感器的外部结构图。

图1A是相对图1的后视面的结构图。

图1B是未装配外罩的本发明触须传感器的结构图。

图1C是本发明触须、激光器和一维PSD传感器之间的装配示图。

图1D是本发明触须、激光器和一维PSD传感器之间的正视图。

图2是本发明的底座的结构图。

图3是本发明的外罩的结构图。

图4是本发明触须受力形变分解简示图。

图5是机器人避障行走的原理图。

图中：    1.底座          11.A支臂     111.B通孔   12.B支臂121.凹槽      122.PSD透光槽                13.底板     2.触须21.末端       22.变形后触须   3.外罩       31.滑槽     32.A侧板33.B侧板      34.顶板         4.一维PSD传感器          41.A通孔42.PSD壳体    43.敏感端面     44.接线端    5.激光器    51.出射口端面55.变形后激光器               6.机器人本体 61.机器人前进方向

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。

参见图1、图1A、图1B、图1C和图1D所示，本发明是一种适用于机器人感知与障碍物之间夹角的触须传感器，该触须传感器包括有激光器5、一维PSD传感器4、触须2、底座1和外罩3。本发明的触须传感器属于机器人的检测装置部分，且触须传感器安装在机器人本体6上，最佳位置是安装在机器人本体6的前端(头部)。

(一)激光器5

参见图1B、图1C和图1D所示，激光器5安装在触须2上，且置于外罩3内。

激光器5出射的激光束直接照射到一维PSD传感器4上，当触须2移动时会直接带动激光器5移动。本发明设计和这种结构省去了遮光板，在加工和装配时都可以做到操作简单且精度高。采用这种结构的另外一个显著优点是：当触须2的末端21受力发生移动时，激光器5出射的激光束会偏转，由于激光器5与一维PSD传感器4之间间隔一定距离d₀(该距离是指激光器5的出射口端面51与一维PSD传感器4的敏感端面43之间的距离，d₀＝0.5cm～2cm)，因此一维PSD传感器4上的光斑的偏转量会产生几何放大作用，增大了采集精度，减小了测量误差。

在本发明中，激光器5采用欧光电子科技有限公司生产的红光激光器，其出射的激光束的中心波长为635nm，工作电压2.7V～3.2V，工作电流＜45mA，工作温度-10℃～+50℃。

(二)一维PSD传感器4

参见图1、图1A、图1B、图1C和图1D所示，一维PSD传感器4的壳体(PSD壳体42)通过螺钉与螺纹孔的配合实现与外罩3的安装。

一维PSD传感器4安装在底座1的B支臂12的凹槽121内，且一维PSD传感器4的敏感端面43与PSD透光槽122匹配，该匹配是指激光器5出射的激光束穿过该PSD透光槽122后，照射在一维PSD传感器4的敏感端面43上，一维PSD传感器4的接线端44通过电缆实现与外部的PC机或者上位机连接；一维PSD传感器4的外部安装有PSD壳体42，PSD壳体42上设有A通孔41，该A通孔41用于电缆穿过，穿过的电缆一端连接在一维PSD传感器4的接线端44上，电缆另一端连接在机器人的控制系统的电路板上。

在本发明中，一维PSD传感器4采用欧光电子科技有限公司生产的型号为HY-1315的一维PSD传感器，其有效光敏面为1.3mm×15mm，分辨率达到0.1μm，光谱相应范围为380nm～1100nm，响应时间0.8μs，工作温度-10℃～+60℃。

(三)触须2

参见图1、图1A、图1B、图1C和图1D所示，触须2为圆柱结构，圆柱的直径为0.5mm～1mm，触须2的长度L＝150mm～300mm。

加工触须2选取的材料为钢、玻璃纤维或者钛合金。

触须2的一端(触须根部)安装在底座1的底板上，触须2的另一端(触须末端)穿过外罩3上开设的滑槽31后，裸露在本发明设计的触须传感器的外部。

参见图5所示，在本发明中，当机器人运动到靠近障碍物(如墙、台阶等)的位置时，触须2的末端21会首先碰到障碍物，这时触须2的末端21就会产生形变，由于激光器5安装在触须2上，将导致激光器5出射的激光束发生变化，从而使得投影在一维PSD传感器4上的光斑位置就会发生偏移，根据此偏移，本发明设计的触须传感器就可以获取触须末端的形变量W，在已知d₀的距离，就可以测得机器人与障碍物之间的夹角θ，机器人转过此角就实现了避障。

(四)底座1

参见图1B、图2所示，底座1为U字形结构；

底座1的底部为底板13，该底板13用来安装触须2的一端(触须根部)；

底座1的两侧设有A支臂11和B支臂12；

A支臂11上设有B通孔111，该B通孔111用于连接激光器5的电缆穿过。

B支臂12上设有凹槽121，凹槽121的中心设有PSD透光槽122，凹槽121用于放置一维PSD传感器4，PSD透光槽122用于激光器5出射的激光束通过，并且一维PSD传感器4上的敏感端面43置于PSD透光槽122处。

(五)外罩3

参见图1、图1A、图3所示，外罩3上设有顶板34，顶板34上开有滑槽31，该滑槽31用于触须2在此槽内滑动；

外罩3上设有A侧板32和B侧板33，A侧板32和B侧板33用于与底座1安装后，实现遮挡可见光。

本发明设计的触须传感器是如何根据一维PSD传感器4上读取的光斑的位置得到触须末端的位移量W就成为本发明接下来要完成的工作。

本发明把触须2当作一个悬臂梁来处理，如图4所示，触须2长度记为L，当有压力F作用于触须2的末端21时，触须末端的形变量记为W，触须2在受力条件下的转角记为

且则触须2在有压力F时产生变形，即变形后触须22。

激光器5安装在触须2上，激光器5距底座1的底板13的距离记为L₀，激光器5与一维PSD传感器4之间的距离记为d₀。在有压力F时，变形后触须22上的变形后激光器记为55。激光器5与变形后激光器55之间的距离记为

(这个距离是指两个激光器的中心点之间的距离，也称为触须2在激光器5安装点处的挠度)，激光器5变形前后的偏转角记为γ，且

激光器5在受到压力F作用时，其出射的激光束在一维PSD传感器4上形成的光斑偏移量记为d。

触须2在激光器5安装点处的挠度

和触须转角

满足关系分别为：

$W_{L_0}=\frac{{{\mathrm{FL}}_0}^2}{6\mathrm{EI}}(L_0-3L)---\left(1\right)$

其中，E为所选触须加工材料的弹性模量，I为触须的惯性矩。

但是在实际中使用时，本发明并不用得到力F的大小，而是只需知道触须末端的位移量W。因此必须找到触须末端位移量W和光斑偏移量d之间的关系。

当L₀＝L时，则 $W_{L_0}=W,$ 即激光器安装在触须末端位置处，可得式(3)：

$W_{L_0}=-\frac{{\mathrm{FL}}^3}{3\mathrm{EI}}---\left(3\right)$

将式(3)分别带入式(1)、式(2)中可以得到：

$W_{L_0}=-\frac{{{\mathrm{WL}}_0}^2}{2L^3}(L_0-3L)---\left(4\right)$

所以当触须末端如图4所示运动时，光斑在PSD上的位置d满足：

$d=(d_0-W_{L_0})\tan \mathrm{\γ}---\left(6\right)$

在实际使用中，激光器5一般安装在距触须的根部(连接在底板上的触须端)，则挠度

和触须转角

都很小，可以近似处理成：

$d=d_0\×\mathrm{\γ}=d_0\×(\frac{3L_{0}W}{L^2}-\frac{3{{\mathrm{WL}}_0}^2}{2L^3})---\left(7\right)$

化简式(7)，得：

$W=\frac{d}{d_0\×(\frac{{3L}_0}{L^2}-\frac{{{3L}_0}^2}{2L^3})}---\left(8\right)$

由上式可知，当确定了L₀和L的取值后，式(8)中的分母为一个常数，则d和W呈线性关系。也就意味着本发明设计的触须传感器可以根据读取PSD传感器上光斑的位置，经过换算得到触须末端移动量。知道了触须末端移动了多少，若再获取在这个时间内机器人向前行走的距离S(即机体前进量S)，即可测得机器人本体与前方障碍物之间的夹角θ。

该夹角θ的获取采用如下方法：

参见图5所示，当触须末端碰到阻碍物后，该触须末端与障碍物的接触点记为弯曲点B，过弯曲点B作垂直于前进方向61的垂线(该垂线的长度即为传感器检测到的触须末端位移量为W)的交点记为垂线交点D，机器人本体6前进量记为S，本发明设计的触须传感器安装在机器人本体上的安装位置记为连接点A，机器人本体6前进的方向61与障碍物的接触点记为交点C，则有前进方向61(虚线)与障碍物之间的夹角 $\mathrm{\θ}=\arccos \left(\frac{{\mathrm{BC}}^2+S^2-W^2}{2\mathrm{BC}\×S}\right),$ 且

BC表示弯曲点B与交点C之间的距离。

本发明设计了一种触须传感器，该触须传感器利用一个侧向安装的一维PSD传感器与一根刚性触须可测得机器人本体在遇到障碍物时触须末端的偏移量W，然后根据此偏移量W与机器人本体前进量S即可测得机器人前进方向与障碍物之间的夹角θ，机器人本体转过此夹角θ即可实现避障。

Claims (7)

1.一种适用于机器人感知与障碍物之间夹角的触须传感器，该触须传感器安装在机器人本体(6)上，其特征在于：该触须传感器包括有激光器(5)、一维PSD传感器(4)、触须(2)、底座(1)和外罩(3)；

激光器(5)安装在触须(2)上，且置于外罩(3)内；

一维PSD传感器(4)安装在底座(1)的B支臂(12)的凹槽(121)内，且一维PSD传感器(4)的敏感端面(43)与PSD透光槽(122)匹配；

触须(2)为圆柱结构，触须(2)的触须根部安装在底座(1)的底板(13)上，触须(2)的触须末端(21)穿过外罩(3)上开设的滑槽(31)后，裸露在外部；

底座(1)为U字形结构；底座(1)的底部为底板(13)，该底板(13)用来安装触须(2)的触须根部；底座(1)的两侧设有A支臂(11)和B支臂(12)；

A支臂(11)上设有B通孔(111)，该B通孔(111)用于连接激光器(5)的电缆穿过；

B支臂(12)上设有凹槽(121)，凹槽(121)的中心设有PSD透光槽(122)，凹槽(121)用于放置一维PSD传感器(4)，PSD透光槽(122)用于激光器(5)出射的激光束通过，并且一维PSD传感器(4)上的敏感端面(43)置于PSD透光槽(122)处；

外罩(3)上设有顶板(34)，顶板(34)上开有滑槽(31)，该滑槽(31)用于触须(2)在此槽内滑动；

外罩(3)上设有A侧板(32)和B侧板(33)，A侧板(32)和B侧板(33)用于与底座(1)安装后，实现遮挡可见光。

2.根据权利要求1所述的适用于机器人感知与障碍物之间夹角的触须传感器，其特征在于：触须传感器是根据一维PSD传感器(4)上读取的光斑的位置得到触须末端的位移量

d表示激光器(5)出射的激光束照射在一维PSD传感器(4)上的光斑偏移量，d₀表示激光器(5)的出射口端面(51)与一维PSD传感器(4)的敏感端面(43)之间的距离，L₀表示激光器(5)到触须根部的距离，L表示触须(2)的长度。

3.根据权利要求1所述的适用于机器人感知与障碍物之间夹角的触须传感器，其特征在于：机器人本体(6)与前方障碍物之间的夹角

且

BC表示弯曲点B与交点C之间的距离，触须末端与障碍物的接触点为弯曲点B，机器人本体(6)前进的方向(61)与障碍物的接触点为交点C，S表示机体前进量，W表示触须末端的位移量，L表示触须(2)的长度，

表示触须转角。

4.根据权利要求1所述的适用于机器人感知与障碍物之间夹角的触须传感器，其特征在于：激光器(5)的出射口端面(51)与一维PSD传感器(4)的敏感端面(43)之间的距离，d₀＝0.5cm～2cm。

5.根据权利要求1所述的适用于机器人感知与障碍物之间夹角的触须传感器，其特征在于：一维PSD传感器(4)的有效光敏面为1.3mm×15mm，分辨率达到0.1μm，光谱相应范围为380nm～1100nm，响应时间0.8μs，工作温度-10℃～+60℃。

6.根据权利要求1所述的适用于机器人感知与障碍物之间夹角的触须传感器，其特征在于：触须的直径为0.5mm～1mm，触须长度L＝150mm～300mm。

7.根据权利要求1所述的适用于机器人感知与障碍物之间夹角的触须传感器，其特征在于：加工触须(2)选取的材料为钢、玻璃纤维或者钛合金。

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