CN102890266A - 一种两平面间相对位姿的非接触检测装置及其检测方法 - Google Patents

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管贻生
朱海飞
苏满佳
张联盟
张宏
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本发明公开了一种两平面间相对位姿的非接触检测装置，包括倾角传感器、安装架、基于单片机的主控系统与至少3个距离传感器；倾角传感器安装在安装架上且倾角传感器的至少1个测量轴与安装架垂直；基于单片机的主控系统通过I2C总线与3个距离传感器连接；另外，倾角传感器也与基于单片机的主控系统连接。本发明通过非接触检测，避免了“不接触即无信号”的盲区，有效增大了测量距离和范围；本发明的检测方法简单，易于实现，精度高，设备成本低，便于推广应用；本发明的检测装置独立、完整，便于与其它系统融合。

Description

一种两平面间相对位姿的非接触检测装置及其检测方法
技术领域
本发明涉及机器人检测技术领域，特别涉及一种两平面间相对位姿的非接触检测装置及其检测方法。 
背景技术
随着科学技术的日新月异，自动化已广泛应用于各行各业，特别是工业生产中。在这些应用中，检测被操作物体相对于动作主体的位姿则是所有工序的第一步。其中有一类工作涉及平面与平面之间的相对位姿检测，例如：在工业搬运和爬壁机器人等应用中，通常包含动平面（一般较小，例如吸盘平面）与静平面（一般较大，例如被吸附物体表面），如何利用简单高效的传感器保证动平面与静平面快速紧密贴合，即是典型应用之一。 
传统技术一般采用接触传感器或者光纤曲率传感器来解决这一问题，如美国密歇根州立大学研制的两种双足式小型爬壁机器人FLIPPER和CRAWLER等。但是该方法存在诸多的不足： 
1）只有当两平面接触后才有信号产生，而此时两平面间相对位姿的调整量却往往很有限，否则容易产生碰撞，显得被动；
2）在两平面靠近的过程中，无法提供有效的启发和引导信息，显得盲目；
3）调整量往往只是逻辑信号，而非量化信息，显得低效。而要克服这些困难，非接触式检测是个极佳的选择。机器视觉也是一种解决方法。但它对光照、背景等有要求，而且一般需要设置多视角和多个路标点，相应的图像处理程序复杂、耗时多，检测成本难免大幅提高。
发明内容
本发明的发明目的是针对现有机器人检测的技术不足，提供一种非接触即可检测的两平面间相对位姿的非接触检测装置。 
进一步地，本发明提供一种非接触即可检测的两平面间相对位姿的非接触检测方法。 
为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为： 
提供一种两平面间相对位姿的非接触检测装置，包括倾角传感器、安装架、基于单片机的主控系统与至少3个距离传感器；所述倾角传感器安装在安装架上且倾角传感器的至少1个测量轴与安装架垂直；所述基于单片机的主控系统通过I2C总线与3个距离传感器连接；另外，所述倾角传感器也与基于单片机的主控系统连接。
优选地，所述三个所述距离传感器呈正三角形分布在安装架上。 
优选地，所述安装架上设有三个真空吸盘，用于与外界平面相接触；且三个距离传感器组成的三角形与三个真空吸盘组成的三角形相错开。 
优选地，三个所述真空吸盘也呈正三角形分布，且三个距离传感器组成的正三角形与三个真空吸盘组成的正三角形正相错开，而且三个距离传感器组成的正三角形的外圆与三个真空吸盘组成的正三角形的外圆同心。 
优选地，所述距离传感器为超声波传感器或红外传感器。 
优选地，所述倾角传感器采用单轴、双轴或三轴倾角传感器。 
优选地，所述基于单片机的主控系统通过数据线与上位机相连接。 
一种使用上述装置的两平面间相对位姿的非接触检测方法，包括如下步骤：设有第一平面与第二平面；其中，第一平面作为动平面，第二平面为静平面；上述距离传感器与倾角传感器设于第一平面内；设第一平面与第二平面之间的夹角和增量转角 
Figure 673550DEST_PATH_IMAGE002
以及第一平面到第二平面的距离三种位姿信息；对于增量转角
Figure 398110DEST_PATH_IMAGE002
的测量，倾角传感器的测量轴与第一平面垂直，当第一平面绕自身法向量转动时，倾角传感器在转动前和转动后所测得的相对于重力方向而言的角度之差即为第一平面相对于第二平面的增量转角；3个距离传感器在第一平面上呈三角形分布，其测量方向均垂直于第一平面、指向第二平面，通过如下公式计算即可获取第一平面和第二平面之间的夹角
Figure 496647DEST_PATH_IMAGE006
以及第一平面到第二平面的距离： 
Figure 757044DEST_PATH_IMAGE008
；
Figure 249205DEST_PATH_IMAGE010
； 
其中，
Figure 490830DEST_PATH_IMAGE012
、
Figure 579003DEST_PATH_IMAGE014
、
Figure 753633DEST_PATH_IMAGE016
——各距离传感器所测得的值；——三个距离传感器的分布圆半径；。
优选地，所述第一平面先绕自身法向量转动至增量转角为零的位置，则之后倾角传感器所测得值即为第一平面相对于第二平面的增量转角。 
优选地，所述3个距离传感器在第一平面上呈正三角形分布。 
本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：本发明通过非接触检测，避免了“不接触即无信号”的盲区，有效增大了测量距离和范围；本发明的检测方法简单，易于实现，精度高，设备成本低，便于推广应用；本发明的检测装置独立、完整，便于与其它系统融合。 
附图说明
图1为本发明的检测原理图； 
图2是本发明倾角传感器安装的示意图；
图3是第一平面和第二平面之间且绕z轴的增量转角为β时的倾角传感器安装示意图；
图4是本发明所使用装置的框图；
图5是本发明的位姿检测示意图；
图6是调整夹角α和调整增量转角β时的位姿检测示意图；
图7是调整距离d时的位姿检测示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的发明目的作进一步详细地描述，实施例不能在此一一赘述，但本发明的实施方式并不因此限定于以下实施例。除非特别说明，本发明采用的材料和加工方法为本技术领域常规材料和加工方法。 
如图1、图2和图3所示，第一平面2和第二平面6分别为两独立平面，其在空间的关系任意，包括相交、重合或平行，而图中所示则为相交时的情形。 
建立如图所示坐标系，则第一平面2和第二平面6的关键相对位姿信息有三：第一平面2和第二平面6之间且绕
Figure 266949DEST_PATH_IMAGE022
轴的夹角；第一平面2和第二平面6之间且绕
Figure 536705DEST_PATH_IMAGE024
轴的增量转角
Figure 12685DEST_PATH_IMAGE002
；以及第一平面2中心点O到第二平面6的距离
Figure DEST_PATH_IMAGE025
，其中，本实施例中心点为例进行说明，但可扩展至第一平面内的任何一点。 
本发明公开的一种两平面间相对位姿的非接触检测方法及其装置，以期通过非接触检测方法来提供上述第一平面2和第二平面6之间的三个关键相对位姿信息。从方法上来看，对于夹角
Figure 178219DEST_PATH_IMAGE006
和距离
Figure 589608DEST_PATH_IMAGE004
的测量，以“三点确定一个平面”为基本原理，即三个距离传感器1、4与5在第一平面上呈正三角形分布。其测量方向均垂直于第一平面2、指向第二平面6，通过如下公式计算即可获取第一平面2和第二平面6之间的夹角以及第一平面2中心点O到第二平面6的距离
Figure 886597DEST_PATH_IMAGE004
： 
Figure DEST_PATH_IMAGE027
；
Figure 120264DEST_PATH_IMAGE010
；
其中，
Figure 61675DEST_PATH_IMAGE012
、
Figure 503021DEST_PATH_IMAGE014
、
Figure 972792DEST_PATH_IMAGE016
——各距离传感器所测得的值；
Figure 790575DEST_PATH_IMAGE018
——三个距离传感器的分布圆半径；。
对于增量转角
Figure 683893DEST_PATH_IMAGE002
的测量，倾角传感器3固定于第一平面2内，具体位置不限但倾角传感器3的测量轴必须与第一平面2垂直，该测量轴表征倾角传感器的敏感方向，其能测量的转动所绕的轴线即为测量轴，图2所示则为垂直于纸面向内。若第一平面2绕自身法向量转动时，倾角传感器3在转动前和转动后所测得的角度之差，此时两角度值均相对于重力方向而言，即为第一平面2相对于第二平面6的增量转角，且此过程中第二平面6始终静止。 
若定义第一平面2绕自身法向量转动至某一位置时的增量转角为零，即此位置即为零位，则倾角传感器3所测得值即为第一平面相对于第二平面的增量转角
Figure 565261DEST_PATH_IMAGE002
，而具体的“某一位置”可根据具体的应用需求来定义，图2所示则为其中一样例。 
从所使用的装置来看，本发明的方案包括：距离传感器1、距离传感器4、距离传感器5、倾角传感器3、基于单片片的主控系统（图中未标出）以及它们的安装架。该安装架亦即上述的第一平面2，是固定各设备的基板；基于单片机的主控系统，可以固定于安装架上，也可置于安装架之外，其通过相应的数据线与各传感器相连即可。 
如图3所示，主控系统管理和协调距离传感器1、距离传感器4、距离传感器5与倾角传感器3的工作，并负责采集和处理各传感器的数据，与其它系统相连时可兼备通讯功能，从而将所测得的两平面间的相对位姿信息发送出去。 
距离传感器1、4与5可通过I2C总线等方式接入主控系统，以便于多个传感设备共享同一单片机；倾角传感器3则可直接接入单片机的数模转换模块。距离传感器1、4与5可采用超声波传感器、红外测距传感器等各种具备获取点到平面直线距离的传感器。倾角传感器3可采用单轴、双轴或三轴的，只需保证其中一的测量轴必须与第一平面2垂直安装即可；单片机则可采用数字信号处理器（DSP）等具备类似功能的芯片。 
如图4所示，应用时，假设第一平面2运动，如搬运机器人的末端负压吸附手爪；第二平面6静止，如如大货物的表面；目标操作是使得第一平面2与第二平面6紧密贴合。在第一平面2运动过程中，如图5所示，利用本发明所公开的方法和装置，即可方便地检测出其相对于第二平面6的关键相对位姿信息。主控系统将该信息发送至上位机（例如控制机器人的可编程逻辑控制器与工控机等），上位机以此作为启发和引导，依次调整使得两平面间增量转角为零、夹角
Figure 837160DEST_PATH_IMAGE006
为零，此时第一平面2与第二平面6相互平行，即如图6所示。保持第一平面2的姿态不变，并沿图1所示
Figure 292412DEST_PATH_IMAGE024
轴运动，实时监控两平面间的距离，即可实现快速高效的紧密贴合，从而为吸附做好准备，最终如图7所示。 
具体实施时，为避免距离传感器的测量盲区，距离传感器可布置在与第一平面2平行但有一段恒定距离的平面上，正如本实施例的吸附平面与距离传感器所在平面并不重合一样。当然，上述调整步骤在不产生碰撞的情况下，也可以一步到位，这并不能构成与本发明相异的本质区别。 
上述实施例仅为本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明的实施范围。即凡依本发明内容所作的均等变化与修饰，都为本发明权利要求所要求保护的范围所涵盖。 

Claims (10)

1.一种两平面间相对位姿的非接触检测装置，其特征在于：包括倾角传感器、安装架、基于单片机的主控系统与至少3个距离传感器；所述倾角传感器安装在安装架上且倾角传感器的至少1个测量轴与安装架垂直；所述基于单片机的主控系统通过I2C总线与3个距离传感器连接；另外，所述倾角传感器也与基于单片机的主控系统连接。
2.根据权利要求1所述的两平面间相对位姿的非接触检测装置，其特征在于：所述三个所述距离传感器呈正三角形分布在安装架上。
3.根据权利要求2所述的两平面间相对位姿的非接触检测装置，其特征在于：所述安装架上设有三个真空吸盘，用于与外界平面相接触；且三个距离传感器组成的三角形与三个真空吸盘组成的三角形相错开。
4.根据权利要求3所述的两平面间相对位姿的非接触检测装置，其特征在于：三个所述真空吸盘也呈正三角形分布，且三个距离传感器组成的正三角形与三个真空吸盘组成的正三角形正相错开，而且三个距离传感器组成的正三角形的外圆与三个真空吸盘组成的正三角形的外圆同心。
5.根据权利要求1所述的两平面间相对位姿的非接触检测装置，其特征在于：所述距离传感器为超声波传感器或红外传感器。
6.根据权利要求1所述的两平面间相对位姿的非接触检测装置，其特征在于：所述倾角传感器采用单轴、双轴或三轴倾角传感器。
7.根据权利要求1-6任一项所述的两平面间相对位姿的非接触检测装置，其特征在于：所述基于单片机的主控系统通过数据线与上位机相连接。
8.一种使用1-7任一项所述装置的两平面间相对位姿的非接触检测方法，其特征在于包括如下步骤：设有第一平面与第二平面；其中，第一平面作为动平面，第二平面为静平面；上述距离传感器与倾角传感器设于第一平面内；设第一平面与第二平面之间的夹角                                                
Figure 518627DEST_PATH_IMAGE002
和增量转角
Figure 904609DEST_PATH_IMAGE004
以及第一平面到第二平面的距离
Figure 294133DEST_PATH_IMAGE006
三种位姿信息；对于增量转角
Figure 158184DEST_PATH_IMAGE004
的测量，倾角传感器的测量轴与第一平面垂直，当第一平面绕自身法向量转动时，倾角传感器在转动前和转动后所测得的相对于重力方向而言的角度之差即为第一平面相对于第二平面的增量转角；3个距离传感器在第一平面上呈三角形分布，其测量方向均垂直于第一平面、指向第二平面，通过如下公式计算即可获取第一平面和第二平面之间的夹角
Figure 566032DEST_PATH_IMAGE002
以及第一平面到第二平面的距离
Figure 857336DEST_PATH_IMAGE006
：
Figure DEST_PATH_IMAGE008
；
Figure DEST_PATH_IMAGE010
； 
其中，、
Figure DEST_PATH_IMAGE014
、
Figure DEST_PATH_IMAGE016
——各距离传感器所测得的值；——三个距离传感器的分布圆半径；。
9.根据权利要求8所述的两平面间相对位姿的非接触检测方法，其特征在于：所述第一平面先绕自身法向量转动至增量转角为零的位置，则之后倾角传感器所测得值即为第一平面相对于第二平面的增量转角
Figure 609522DEST_PATH_IMAGE004
。
10.根据权利要求8所述的两平面间相对位姿的非接触检测方法，其特征在于：所述3个距离传感器在第一平面上呈正三角形分布。
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