基于双超声波发生器对未知表面的探测研究

    1 引言

    随着科学技术的飞速发展, 工业机器人的工作环境越来越复杂, 人们对于工业机器人的要求也越来越高, 不再是简单的工厂生产线般固定的位置, 简单的操作, 而是更加智能化, 机器人也不只是完成一项工作内容, 环境的改变也要求机器人具有自识别功能, 例如: 打磨、抛光等机器人, 必须具有探测出未知环境下物体表面参数的能力, 才能智能化的完成它的任务。超声波探测以其检测迅速、方便、计算简单、易于实时控制、价格低廉、硬件易于实现等优点, 在移动机器人的研制和工业机器人环境识别的道路中, 起到越来越重要的作用。

    2 超声波探测原理及本实验探测方法

    超声测距原理一般采用渡越时间法: 即 ds=C·!t/2, 其中 ds为机器人与视测物之间的距离, C 为声波在介质中的传播速度m/s, t 为摄氏温度) , "t 为超声发射到返回的时间间隔。

    结合以上原理和本实验的双超声波发生器的方法, 推导出每个超声波发生器可以测得的未知表面的参数点的计算公式如下:

    第一个超声波发生器所测数据公式:

    第二个超声波发生器所测数据公式:

    式中: v—大臂速度;

    l1、l2—分别为两个发生器的长度;

    a1、a2—分别为两个焊接支架的高度;

    s—两个发生器的距离;

    t—计时时间点;

    θ1、θ2—分别为两个超声波的摆角。

θ1max=θ2max=60°

    di—超声波发生器所测的距离 i=1, 2, L n。

    机器人的工作过程: 将两个超声波发生器分别连接在各自的伺服电机上, 起初机器人的执行机构抬起, 大臂带动超声波发生器前进探测。探测的过程中, 两个伺服电机分别带动两个发生器形成周期为 6s 的来回周期摆动, 第一个发生器转动范围是从竖直方向向左转动, 最大偏角为 60 度。第二个发生器是从竖直方向向右转动, 最大偏角也为 60 度, 这样两个发生器就不会彼此干扰, 并且能够测得较大范围的物体形状数据。

    当机器人到达未知物体的端部时, 工控机将所得到的数据送入 MATLAB 中的 Curve Fitting Tool 工具箱进行数据拟合处理, 并将结果传入控制机构, 此时大臂左行, 末端执行机构按照拟合好的控制路径进行不同的操作工作, 直至完成。

    3 实验环境

    为了验证已提出的探测原理和方法, 作者搭建了如图 3 所示的带双超声波发生器的机器人系统。系统由三自由度机器人本体和两个超声波测距仪组成, 机器人本体包括大臂、小臂和末端执行器等三个关节, 分别由三个伺服电动机驱动。系统硬件结器控制伺服电动机, 电动机上的编码盘实时反馈电机运行信息。超声波发生器探测到环境信息数据送给工控机, 工控机将探测数据进行处理后作为环境探测信息, 从而实现对机器人执行机构的各种控制。