專利名稱：一種兩平面間相對位姿的非接觸檢測裝置及其檢測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及機(jī)器人檢測技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種兩平面間相對位姿的非接觸檢測裝置及其檢測方法。
背景技術(shù)：
隨著科學(xué)技術(shù)的日新月異，自動化已廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，特別是工業(yè)生產(chǎn)中。在這些應(yīng)用中，檢測被操作物體相對于動作主體的位姿則是所有工序的第一步。其中有一類工作涉及平面與平面之間的相對位姿檢測，例如在工業(yè)搬運和爬壁機(jī)器人等應(yīng)用中，通常包含動平面(一般較小，例如吸盤平面)與靜平面(一般較大，例如被吸附物體表面)，如何利用簡單高效的傳感器保證動平面與靜平面快速緊密貼合，即是典型應(yīng)用之一。傳統(tǒng)技術(shù)一般采用接觸傳感器或者光纖曲率傳感器來解決這一問題，如美國密歇 根州立大學(xué)研制的兩種雙足式小型爬壁機(jī)器人FLIPPER和CRAWLER等。但是該方法存在諸多的不足
1)只有當(dāng)兩平面接觸后才有信號產(chǎn)生，而此時兩平面間相對位姿的調(diào)整量卻往往很有限，否則容易產(chǎn)生碰撞，顯得被動；
2)在兩平面靠近的過程中，無法提供有效的啟發(fā)和引導(dǎo)信息，顯得盲目；
3)調(diào)整量往往只是邏輯信號，而非量化信息，顯得低效。而要克服這些困難，非接觸式檢測是個極佳的選擇。機(jī)器視覺也是一種解決方法。但它對光照、背景等有要求，而且一般需要設(shè)置多視角和多個路標(biāo)點，相應(yīng)的圖像處理程序復(fù)雜、耗時多，檢測成本難免大幅提聞。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的發(fā)明目的是針對現(xiàn)有機(jī)器人檢測的技術(shù)不足，提供一種非接觸即可檢測的兩平面間相對位姿的非接觸檢測裝置。進(jìn)一步地，本發(fā)明提供一種非接觸即可檢測的兩平面間相對位姿的非接觸檢測方法。為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為
提供一種兩平面間相對位姿的非接觸檢測裝置，包括傾角傳感器、安裝架、基于單片機(jī)的主控系統(tǒng)與至少3個距離傳感器；所述傾角傳感器安裝在安裝架上且傾角傳感器的至少I個測量軸與安裝架垂直；所述基于單片機(jī)的主控系統(tǒng)通過I2C總線與3個距離傳感器連接；另外，所述傾角傳感器也與基于單片機(jī)的主控系統(tǒng)連接。優(yōu)選地，所述三個所述距離傳感器呈正三角形分布在安裝架上。優(yōu)選地，所述安裝架上設(shè)有三個真空吸盤，用于與外界平面相接觸；且三個距離傳感器組成的三角形與三個真空吸盤組成的三角形相錯開。優(yōu)選地，三個所述真空吸盤也呈正三角形分布，且三個距離傳感器組成的正三角形與三個真空吸盤組成的正三角形正相錯開，而且三個距離傳感器組成的正三角形的外圓與三個真空吸盤組成的正三角形的外圓同心。優(yōu)選地，所述距離傳感器為超聲波傳感器或紅外傳感器。優(yōu)選地，所述傾角傳感器采用單軸、雙軸或三軸傾角傳感器。優(yōu)選地，所述基于單片機(jī)的主控系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)線與上位機(jī)相連接。一種使用上述裝置的兩平面間相對位姿的非接觸檢測方法，包括如下步驟設(shè)有第一平面與第二平面；其中，第一平面作為動平面，第二平面為靜平面；上述距離傳感器與傾角傳感器設(shè)于第一平面內(nèi)；設(shè)第一平面與第二平面之間的夾角和增量轉(zhuǎn)角β以及第一平面到第二平面的距離if三種位姿信息；對于增量轉(zhuǎn)角#的測量，傾角傳感器的測量軸與第一平面垂直，當(dāng)?shù)谝黄矫胬@自身法向量轉(zhuǎn)動時，傾角傳感器在轉(zhuǎn)動前和轉(zhuǎn)動后所測得的相對于重力方向而言的角度之差即為第一平面相對于第二平面的增量轉(zhuǎn)角；3個距離傳感器在第一平面上呈三角形分布，其測量方向均垂直于第一平面、指向第二平面，通過如下公式計算即可獲取第一平面和第二平面之間的夾角β以及第一平面到第二平面的距離
-I1)1+(I3+I2-2 )2
SE
13^ 園
I ] 2 + j^+J3 ’
其中—各距離傳感器所測得的值;麗—三個距離傳感器的分布圓半徑;r。優(yōu)選地，所述第一平面先繞自身法向量轉(zhuǎn)動至增量轉(zhuǎn)角為零的位置，則之后傾角傳感器所測得值即為第一平面相對于第二平面的增量轉(zhuǎn)角#。優(yōu)選地，所述3個距離傳感器在第一平面上呈正三角形分布。本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)，具有以下有益效果本發(fā)明通過非接觸檢測，避免了“不接觸即無信號”的盲區(qū)，有效增大了測量距離和范圍；本發(fā)明的檢測方法簡單，易于實現(xiàn)，精度高，設(shè)備成本低，便于推廣應(yīng)用；本發(fā)明的檢測裝置獨立、完整，便于與其它系統(tǒng)融合。


圖I為本發(fā)明的檢測原理 圖2是本發(fā)明傾角傳感器安裝的示意 圖3是第一平面和第二平面之間且繞z軸的增量轉(zhuǎn)角為β時的傾角傳感器安裝示意
圖4是本發(fā)明所使用裝置的框 圖5是本發(fā)明的位姿檢測示意 圖6是調(diào)整夾角α和調(diào)整增量轉(zhuǎn)角β時的位姿檢測示意 圖7是調(diào)整距離d時的位姿檢測示意圖。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明的發(fā)明目的作進(jìn)一步詳細(xì)地描述，實施例不能在此一一贅述，但本發(fā)明的實施方式并不因此限定于以下實施例。除非特別說明，本發(fā)明采用的材料和加工方法為本技術(shù)領(lǐng)域常規(guī)材料和加工方法。如圖I、圖2和圖3所不，第一平面2和第二平面6分別為兩獨立平面，其在空間的關(guān)系任意，包括相交、重合或平行，而圖中所示則為相交時的情形。
建立如圖所示坐標(biāo)系，則第一平面2和第二平面6的關(guān)鍵相對位姿信息有三第一平面2和第二平面6之間且繞^軸的夾角·;第一平面2和第二平面6之間且繞Z軸的增量轉(zhuǎn)角;以及第一平面2中心點O到第二平面6的距離I,其中，本實施例中心點為例進(jìn)行說明，但可擴(kuò)展至第一平面內(nèi)的任何一點。本發(fā)明公開的一種兩平面間相對位姿的非接觸檢測方法及其裝置，以期通過非接觸檢測方法來提供上述第一平面2和第二平面6之間的三個關(guān)鍵相對位姿信息。從方法上來看，對于夾角·和距離rf的測量，以“三點確定一個平面”為基本原理，即三個距離傳感器
1、4與5在第一平面上呈正三角形分布。其測量方向均垂直于第一平面2、指向第二平面6，通過如下公式計算即可獲取第一平面2和第二平面6之間的夾角鍾以及第一平面2中心點O到第二平面6的距離rf
Ii = Arelmji----——-，
31
1 4m3+M2
其中，一各距離傳感器所測得的值 ,麗—三個距離傳感器的分布圓半徑;對于增量轉(zhuǎn)角f的測量，傾角傳感器3固定于第一平面2內(nèi)，具體位置不限但傾角傳感器3的測量軸必須與第一平面2垂直，該測量軸表征傾角傳感器的敏感方向，其能測量的轉(zhuǎn)動所繞的軸線即為測量軸，圖2所示則為垂直于紙面向內(nèi)。若第一平面2繞自身法向量轉(zhuǎn)動時，傾角傳感器3在轉(zhuǎn)動前和轉(zhuǎn)動后所測得的角度之差，此時兩角度值均相對于重力方向而言，即為第一平面2相對于第二平面6的增量轉(zhuǎn)角，且此過程中第二平面6始終靜止。若定義第一平面2繞自身法向量轉(zhuǎn)動至某一位置時的增量轉(zhuǎn)角為零，即此位置即為零位，則傾角傳感器3所測得值即為第一平面相對于第二平面的增量轉(zhuǎn)角f，而具體的“某一位置”可根據(jù)具體的應(yīng)用需求來定義，圖2所示則為其中一樣例。從所使用的裝置來看，本發(fā)明的方案包括距離傳感器I、距離傳感器4、距離傳感器5、傾角傳感器3、基于單片片的主控系統(tǒng)(圖中未標(biāo)出)以及它們的安裝架。該安裝架亦即上述的第一平面2，是固定各設(shè)備的基板；基于單片機(jī)的主控系統(tǒng)，可以固定于安裝架上，也可置于安裝架之外，其通過相應(yīng)的數(shù)據(jù)線與各傳感器相連即可。如圖3所示，主控系統(tǒng)管理和協(xié)調(diào)距離傳感器I、距離傳感器4、距離傳感器5與傾角傳感器3的工作，并負(fù)責(zé)采集和處理各傳感器的數(shù)據(jù)，與其它系統(tǒng)相連時可兼?zhèn)渫ㄓ嵐δ?，從而將所測得的兩平面間的相對位姿信息發(fā)送出去。距離傳感器1、4與5可通過I2C總線等方式接入主控系統(tǒng)，以便于多個傳感設(shè)備共享同一單片機(jī)；傾角傳感器3則可直接接入單片機(jī)的數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊。距離傳感器1、4與5可采用超聲波傳感器、紅外測距傳感器等各種具備獲取點到平面直線距離的傳感器。傾角傳感器3可采用單軸、雙軸或三軸的，只需保證其中一的測量軸必須與第一平面2垂直安裝即可；單片機(jī)則可采用數(shù)字信號處理器(DSP)等具備類似功能的芯片。如圖4所示，應(yīng)用時，假設(shè)第一平面2運動，如搬運機(jī)器人的末端負(fù)壓吸附手爪;第二平面6靜止，如如大貨物的表面；目標(biāo)操作是使得第一平面2與第二平面6緊密貼合。在第一平面2運動過程中，如圖5所示，利用本發(fā)明所公開的方法和裝置，即可方便地檢測出其相對于第二平面6的關(guān)鍵相對位姿信息。主控系統(tǒng)將該信息發(fā)送至上位機(jī)(例如控制機(jī)器人的可編程邏輯控制器與工控機(jī)等)，上位機(jī)以此作為啟發(fā)和引導(dǎo)，依次調(diào)整使得兩平面間增量轉(zhuǎn)角為零、夾角ff為零，此時第一平面2與第二平面6相互平行，即如圖6所示。保 持第一平面2的姿態(tài)不變，并沿圖I所示Z軸運動，實時監(jiān)控兩平面間的距離，即可實現(xiàn)快速高效的緊密貼合，從而為吸附做好準(zhǔn)備，最終如圖7所示。具體實施時，為避免距離傳感器的測量盲區(qū)，距離傳感器可布置在與第一平面2平行但有一段恒定距離的平面上，正如本實施例的吸附平面與距離傳感器所在平面并不重合一樣。當(dāng)然，上述調(diào)整步驟在不產(chǎn)生碰撞的情況下，也可以一步到位，這并不能構(gòu)成與本發(fā)明相異的本質(zhì)區(qū)別。上述實施例僅為本發(fā)明的較佳實施例，并非用來限定本發(fā)明的實施范圍。即凡依本發(fā)明內(nèi)容所作的均等變化與修飾，都為本發(fā)明權(quán)利要求所要求保護(hù)的范圍所涵蓋。
權(quán)利要求
1.一種兩平面間相對位姿的非接觸檢測裝置，其特征在于包括傾角傳感器、安裝架、基于單片機(jī)的主控系統(tǒng)與至少3個距離傳感器；所述傾角傳感器安裝在安裝架上且傾角傳感器的至少I個測量軸與安裝架垂直；所述基于單片機(jī)的主控系統(tǒng)通過I2C總線與3個距離傳感器連接；另外，所述傾角傳感器也與基于單片機(jī)的主控系統(tǒng)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的兩平面間相對位姿的非接觸檢測裝置，其特征在于所述三個所述距離傳感器呈正三角形分布在安裝架上。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的兩平面間相對位姿的非接觸檢測裝置，其特征在于所述安裝架上設(shè)有三個真空吸盤，用于與外界平面相接觸；且三個距離傳感器組成的三角形與三個真空吸盤組成的三角形相錯開。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的兩平面間相對位姿的非接觸檢測裝置，其特征在于三個所述真空吸盤也呈正三角形分布，且三個距離傳感器組成的正三角形與三個真空吸盤組成的正三角形正相錯開，而且三個距離傳感器組成的正三角形的外圓與三個真空吸盤組成的正三角形的外圓同心。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的兩平面間相對位姿的非接觸檢測裝置，其特征在于所述距離傳感器為超聲波傳感器或紅外傳感器。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的兩平面間相對位姿的非接觸檢測裝置，其特征在于所述傾角傳感器采用單軸、雙軸或三軸傾角傳感器。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6任一項所述的兩平面間相對位姿的非接觸檢測裝置，其特征在于所述基于單片機(jī)的主控系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)線與上位機(jī)相連接。
8.一種使用1-7任一項所述裝置的兩平面間相對位姿的非接觸檢測方法，其特征在于包括如下步驟設(shè)有第一平面與第二平面；其中，第一平面作為動平面，第二平面為靜平面；上述距離傳感器與傾角傳感器設(shè)于第一平面內(nèi)；設(shè)第一平面與第二平面之間的夾角ff和增量轉(zhuǎn)角以及第一平面到第二平面的距離三種位姿信息；對于增量轉(zhuǎn)角#的測量，傾角傳感器的測量軸與第一平面垂直，當(dāng)?shù)谝黄矫胬@自身法向量轉(zhuǎn)動時，傾角傳感器在轉(zhuǎn)動前和轉(zhuǎn)動后所測得的相對于重力方向而言的角度之差即為第一平面相對于第二平面的增量轉(zhuǎn)角；3個距離傳感器在第一平面上呈三角形分布，其測量方向均垂直于第一平面、指向第二平面，通過如下公式計算即可獲取第一平面和第二平面之間的夾角_以及第一平面到第二平面的距離Uf :
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的兩平面間相對位姿的非接觸檢測方法，其特征在于所述第一平面先繞自身法向量轉(zhuǎn)動至增量轉(zhuǎn)角為零的位置，則之后傾角傳感器所測得值即為第一平面相對于第二平面的增量轉(zhuǎn)角#。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的兩平面間相對位姿的非接觸檢測方法，其特征在于所述3個距離傳感器在第 一平面上呈正三角形分布。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種兩平面間相對位姿的非接觸檢測裝置，包括傾角傳感器、安裝架、基于單片機(jī)的主控系統(tǒng)與至少3個距離傳感器；傾角傳感器安裝在安裝架上且傾角傳感器的至少1個測量軸與安裝架垂直；基于單片機(jī)的主控系統(tǒng)通過I2C總線與3個距離傳感器連接；另外，傾角傳感器也與基于單片機(jī)的主控系統(tǒng)連接。本發(fā)明通過非接觸檢測，避免了“不接觸即無信號”的盲區(qū)，有效增大了測量距離和范圍；本發(fā)明的檢測方法簡單，易于實現(xiàn)，精度高，設(shè)備成本低，便于推廣應(yīng)用；本發(fā)明的檢測裝置獨立、完整，便于與其它系統(tǒng)融合。
文檔編號G01S5/18GK102890266SQ20121030282
公開日2013年1月23日 申請日期2012年8月24日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月24日
發(fā)明者管貽生, 朱海飛, 蘇滿佳, 張聯(lián)盟, 張宏 申請人:華南理工大學(xué)