超聲波測距裝置的工作原理及視覺觸覺傳感器介紹

　　測量第三維坐標(biāo)通常用激光測距裝置，因?yàn)檫@是量精確的。當(dāng)然也可以用其它類型的測距裝置。現(xiàn)在來分析由列寧格勒加里寧工學(xué)院研究試制的超聲波測距裝置。這種測距儀采用了立體超聲波定位原理。它有兩個完全相同的測距通道。每個通道的測距方法和上述方法相同。該裝置的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。由無線電脈沖發(fā)生器8產(chǎn)生按正弦規(guī)律變化的超聲波的信號波束。用這個波束在工作區(qū)內(nèi)進(jìn)行探測。發(fā)射器1和接收器2余接收器3在結(jié)構(gòu)上是分開的。發(fā)送器仍然是前面所講的靜電盒。它放在兩個相同的接收盒之間。發(fā)送器和接收器結(jié)構(gòu)尺寸不同。

　　為提高定位器定向精度和減少干擾影響，兩個接收器都在指數(shù)式通道導(dǎo)管的深處。因?yàn)橐鬁y量相當(dāng)遠(yuǎn)的距離，所以測距式接收器的通道靈敏度應(yīng)大大高于手爪傳感器的靈敏度。因此，在每一個盒式接收器的殼體內(nèi)部裝有前置放大器4和前置放大器5.放大器輸出信號傳送到裝置的核心部分。

　　信號在選擇放大器整形器6和選擇放大器整形器7中繼續(xù)放大。放大器調(diào)正在探測用的無線電脈沖頻率上。這就大大提高了裝置的抗干擾性。在放大成形裝置中實(shí)現(xiàn)信號檢波和信息脈沖成形。在整形調(diào)寬變換器9和整形調(diào)寬變換器10中形成信息脈沖的寬度。由標(biāo)準(zhǔn)頻率發(fā)生器12產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)頻率計數(shù)脈沖經(jīng)過開關(guān)11后，充滿已被整形的信息脈沖里。根據(jù)計數(shù)器13中脈沖數(shù)目就可確定與物體的距離。所測得的距離在數(shù)字式指示器14中顯示出來。

　　比較裝置15比較兩個通道的脈沖寬度。根據(jù)兩個通道脈沖寬度之差的正負(fù)號給測距儀的電氣傳動裝置加進(jìn)一種控制信號。電動機(jī)16經(jīng)過減速器17轉(zhuǎn)動定位系統(tǒng)，直到測距儀軸指向物體，即h1=h2為止。在此位置上，從角度傳感器18上取得可以確定臺面上的物體座標(biāo)的信息，即方位角和距離。測距范圍0.3~4米，誤差為±5厘米。由于采用了望遠(yuǎn)鏡測距工作原理，所以測量物體方向的誤差可達(dá)±2°。

　　采用電視攝像機(jī)光學(xué)聚焦（調(diào)節(jié)焦點(diǎn)）的方法也能測量到物體的距離。利用這種方法測量2米的距離，精度可達(dá)±1.5厘米。在參考文獻(xiàn)[47]中介紹了測量第三緯坐標(biāo)的方法；根據(jù)物體在電視攝像機(jī)屏幕上的兩個平面圖像，用不太復(fù)雜的模-數(shù)電路對電視信號進(jìn)行處理。這一方法在測距范圍為0.5~1.5米時，測量精度為±1厘米。

　　人們力圖獲得一種視覺信號。這種形式的信號與電視圖像相比，信息初步處理是比較簡單的。這就促使人們?nèi)パ芯揩@得視覺信息的新方法。在這方面，日本科學(xué)家研究的沿著零件外形照射的方法及區(qū)域照射法是令人感興趣的。

　　外部信息（如視像、各種傳感器綜合信息）的敏感裝置得到的復(fù)雜信號通常要經(jīng)過初步處理，以便求得信息形式的大致結(jié)構(gòu)，并找出主要特征，給出便于繼續(xù)詳細(xì)處理的信息形式。

　　當(dāng)利用觸覺傳感器排列成矩陣來確定物體外形時，初步處理信息的目的是對該矩陣輸出的大量信息進(jìn)行變換，確定物體表面的形狀，相對于傳感器矩陣的方位及彎曲度。經(jīng)過逐步的精確分析能夠確定出物體完整的形狀。

　　當(dāng)初步分析電視傳感器給出的視覺圖像時，同樣要分辨出圖像的有代表性的基本特征：線、它們的焦點(diǎn)、均勻區(qū)域等。而進(jìn)一步詳細(xì)處理視覺信息時應(yīng)保證判明工作區(qū)內(nèi)個物體間的排列關(guān)系及物體的方位。

　　對于給定的機(jī)器人機(jī)械手，當(dāng)設(shè)計外部信息的整套傳感裝置時，正確地、**限度地利用外界環(huán)境預(yù)先知道的信息，則能大大簡化設(shè)計工作。例如，在視覺反饋系統(tǒng)中，由于在工作臺上的電視攝像機(jī)安置的高度是已知的，因此用簡單的方法就可確定第三個坐標(biāo)。在整個工作區(qū)內(nèi)生產(chǎn)條件常常直接或簡介地含有預(yù)先可知道的信息，如工作臺高度、工作區(qū)個別不變的區(qū)段的大小和位置等等。考慮這些預(yù)先知道的信息，可以大大減少工作狀況中的不確定因素，因而簡化了對機(jī)器人敏感裝置的要求。

　　利用不同的敏感裝置和不同的方法可以獲得同一信息。例如，可用工業(yè)視覺裝置，或定位器，或接觸傳感系統(tǒng)獲得物體外形的信息。若待判明的物體數(shù)目不多、形狀簡單，用接觸敏感裝置解決這一問題最簡單。

　　在更復(fù)雜的問題中，可采用簡單的接觸傳感器進(jìn)行掃描的方法。一個傳感器沿著被探測物體上一條線移動，就能獲得關(guān)于某一物體一個斷面形狀的信息。許多傳感器排成一行，同時沿垂直于這行的方向移動，就能獲得工作區(qū)平面有關(guān)信息。但用這種方法時，通常要求實(shí)時地確定出工作區(qū)內(nèi)物體的參數(shù)，而機(jī)械掃描卻要占去很多時間。這是一個矛盾。因此，用電子掃描裝置，特別是用超聲波、激光掃描裝置是很有前途的。