机器人触须传感器的设计

机器人同样需要具备在外界环境中探测、识别物体的能力,为了实现这些任务,机器人必须安装一些传感器,作为机器人的眼、耳、鼻和手,其中,视觉传感器是最常见的选择。然而,机器人往往被要求工作在各种不同的恶劣环境中,如,黑暗、肮脏、泥泞的环境,以及大雾天和水下环境中,这时,触觉传感器便成为了首选。

与视觉传感系统相比,触觉传感器在结构上要简单得多,价钱也便宜得多,因此,给机器人安装上触觉传感器,使机器人具有一定的触觉感知能力,就具有了非常重要的意义。

1 触须传感器的工作原理触

须作为一种有效的触觉器官,在结构上也较为简单,例如:猫的触须“栽种”在毛囊中,其根部被毛囊所包裹,毛囊的顶端被一个充满血液的小囊所封闭。当触须被触动时,弯曲的触须挤压小囊中的血液,挤压力通过血液传送至囊壁,经血液放大的挤压力信号会刺激神经,由神经元对挤压力的大小、变化率信号进行编码,使大脑感受到那怕是最为微弱的触碰。因此,猫能够通过触须来感知外部的环境,外界的信息(接触物的位置、轮廓)都能够通过触须根部的弯曲来体现。

图1 触须传感器的结构

新的触须传感器基于了同样的工作原理,由采样卡实时记录PSD输出信号(人工触须根部由于物体接触所产生的微小位移) ,以此来判断接触物的位置、轮廓。微小位移量的大小、变化的速率表征了目标物的位置、距离、角度位置信息,其中,微小位移的幅值大小反比于接触物的距离,且距离近微小位移的变化较为迅速,由此机器人利用触须传感器可实现了对外界环境的感知。

2 触须传感器的结构设计

触须根部的位移量是一个微小的变化迅速的二维信号,采样频率要求较高,其中,高频信号还包含有被接触物的纹理、粗糙度等信息,为了实现此信号的实时采集与分析,设计了新型的基于PSD的触须传感器,结构如图1所示。

传感器的触须采用了弹性材料制成的细杆(长度15～20 cm) ,在长度上由粗到细以提高灵敏度。在接近触须根部的位置(2～3mm) ,固连一轻质的遮光片,在遮光片正对光源中心的位置上开了一个直径为0.8～1.0mm的透光小孔,作为二维PSD (3 cm ×3 cm)的检测光源。触须根部所固连的弹性元件起到触须复位的作用,当触须传感器与待测物体不接触时,触须传感器会自动回复到初始位置。

与光源位置正对的为二维PSD传感器,用来检测由于触须弯曲在遮光片平面所产生的X, Y 向的位移量大小。

PSD将触须根部机械量位移转换成相应的电压信号输出,信号分辨力为0.05mm。

当触须传感器扫描待测物体表面时,检测元件PSD实时获取触须所产生相应的变形量,变形量信号包含了触须所接触被测物体的位置、轮廓信息,由主机完成信号的提取、分析。

3 应用实例

随着接触点的位置不同,触须根部位移量的大小、方向及变化率会有很大的差别。通过与多组测试样品的比较,就可以确定接触点在整个触须上的相对位置,及被测物体的位置、轮廓信息。同样,机器人在运动的过程中,可以根据触须反馈的信息确定障碍与其的位置关系,进而调整运动路线,使得机器人能自主地、灵活地避开障碍。

3.1 运动路线的探寻

机器人在快速移动的时候,为避免碰撞,机器人与障碍物应保持一定的安全距离,如机器人的沿墙体运动。一种比较简便的控制策略,机器人移动时,触须保持固定的状态(触须保持水平位置和固定的角度)。此时,触须是否弯曲、弯曲的变化过程完全取决于与周围物体的距离、角度。

机器人沿着墙壁运动时,若触须与墙壁未接触,触须不产生弯曲变形,触觉传感器PSD输出为零,即水平X 方向的输出信号为零,此时,机器人可保持原有的运动状态;若触须与墙壁发生接触,触须会产生弯曲变形,触觉传感器PSD有输出,采样卡读取X -输出信号, X 值代表了水平位移量。

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