孫丹丹

（哈爾濱職業(yè)技術(shù)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150000）

0 引言

3D傳感器具有較強(qiáng)的信號(hào)測(cè)定能力、較快的信號(hào)分析速度、優(yōu)異的信號(hào)處理效果，能夠保證參數(shù)設(shè)定準(zhǔn)確，形成信息存儲(chǔ)記憶。相較于原有的傳感器，3D傳感器的設(shè)計(jì)有效整合了微處理、集成等科技，可進(jìn)行信號(hào)采集、信息加工、信息傳輸，能夠?qū)⑥D(zhuǎn)化資料分享給機(jī)器人，連同PLC進(jìn)行使用，增強(qiáng)機(jī)器人使用智能性。結(jié)合3D傳感器的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，研究其在機(jī)器人設(shè)計(jì)中的用法，具有較高的研究?jī)r(jià)值。

1 3D-TCP傳感器的系統(tǒng)組成

1.1 硬件

在原有設(shè)備視覺設(shè)計(jì)時(shí)，采取2D視覺方式。3D傳感器增加了一個(gè)方向，以立體視角呈現(xiàn)視覺檢測(cè)結(jié)果。3D傳感器的硬件組成有：信號(hào)發(fā)射器、柱面物鏡、鏡頭、高精度信號(hào)處理裝置、感光芯片。

1.2 軟件

3D傳感器中添加了FPGA圖形處理程序、圖像算法、畫面濾波等科技，以此保障信息精確性。在各項(xiàng)軟件功能的幫助下，3D傳感器能夠進(jìn)行多種測(cè)量。例如，檢測(cè)設(shè)備操作的準(zhǔn)確性、設(shè)備方位校準(zhǔn)、人臉識(shí)別等［1］。

2 3D-TCP傳感器的用法

2.1 3D-TCP傳感器

3D傳感器具有設(shè)備校準(zhǔn)功能，含有檢測(cè)程序、控制單元等，可用于機(jī)器人設(shè)備方位的校準(zhǔn)檢測(cè)。3D傳感器的合理使用，可保障機(jī)器人方位的可控性。3D傳感器的檢測(cè)程序可用于設(shè)備檢測(cè)?？刂破饔糜诓杉Y料、數(shù)據(jù)判斷。控制器能夠進(jìn)行信息傳輸，與機(jī)器人形成互動(dòng)。一般情況下，傳感器的信號(hào)精度級(jí)別為0.02 mm，符合各行業(yè)機(jī)器人生產(chǎn)的工藝標(biāo)準(zhǔn)。3D傳感器的性能參數(shù)如表1所示。

表1 3D傳感器的性能參數(shù)

2.2 檢測(cè)原理

以裝焊車間為例，使用3D傳感器開展校準(zhǔn)工作。用于焊接生產(chǎn)的機(jī)器人，經(jīng)由內(nèi)置計(jì)數(shù)器統(tǒng)計(jì)完成生產(chǎn)的產(chǎn)品數(shù)量，依據(jù)戴姆勒原理，每完成10個(gè)產(chǎn)品的焊接任務(wù)，均需運(yùn)行3D傳感器進(jìn)行一次機(jī)器人位置的校準(zhǔn)工作。使用3D傳感器進(jìn)行機(jī)器人檢測(cè)時(shí)，將焊接機(jī)器人放置在檢測(cè)平臺(tái)上，讓機(jī)器人進(jìn)行有規(guī)律的生產(chǎn)運(yùn)動(dòng)，共計(jì)進(jìn)行3次圓周運(yùn)動(dòng)，采集各方向的位置偏移量。機(jī)器人完成3次運(yùn)動(dòng)后，檢測(cè)主體會(huì)將測(cè)定結(jié)果傳送給控制器，由控制器精準(zhǔn)獲取機(jī)器人的位移量?？刂破鲗⒎治鼋Y(jié)果傳送給機(jī)器人，進(jìn)行變量轉(zhuǎn)化，參照3D傳感器的使用規(guī)范，進(jìn)行數(shù)值處理，獲取偏移量的具體數(shù)值。運(yùn)行TCP程序，仿真展現(xiàn)機(jī)器人位置，結(jié)合偏移量結(jié)果，校準(zhǔn)機(jī)器人位置，便于機(jī)器人進(jìn)行后續(xù)生產(chǎn)任務(wù)，以此保障機(jī)器人位置校準(zhǔn)的精確性，顯著提升焊裝質(zhì)量。

2.3 檢測(cè)分析

使用焊接機(jī)器人時(shí)，接觸板件進(jìn)行焊接操作，焊絲處極易形成偏移量。焊接處理后，運(yùn)行傳感器的TCP程序，模擬機(jī)器人初期、校準(zhǔn)結(jié)果的方位，獲取偏移量，進(jìn)行機(jī)器人位置調(diào)整。經(jīng)檢測(cè)應(yīng)用發(fā)現(xiàn)：焊接機(jī)器人在傳感器的幫助下，可校準(zhǔn)生產(chǎn)方位，重置初期生產(chǎn)坐標(biāo)點(diǎn)。實(shí)際檢測(cè)發(fā)現(xiàn)：焊接機(jī)器人在水平方向發(fā)生了1.22 mm長(zhǎng)度的偏移，其他兩個(gè)方向并未發(fā)生偏移問題［2］。

3 機(jī)器人視覺單元融合傳感器的設(shè)計(jì)分析

3.1 硬件框架

視覺單元的系統(tǒng)由3D傳感器、藍(lán)牙、圖像分析、邏輯控制等組成。視覺系統(tǒng)的運(yùn)行流程為藍(lán)牙獲取的計(jì)算機(jī)指令信息，包括系統(tǒng)開始、系統(tǒng)暫停、目標(biāo)區(qū)掃描等；運(yùn)行步進(jìn)電機(jī)，調(diào)取攝像頭的捕獲信息，依據(jù)轉(zhuǎn)角方位數(shù)據(jù)進(jìn)行陣列測(cè)算，經(jīng)藍(lán)牙回傳監(jiān)測(cè)信息，反饋至地圖程序中，完善地圖資料，增加圖繪信息的完善性。

3.2 設(shè)備選型

3.2.1 激光器

選用激光器時(shí)，以較低發(fā)散性、較強(qiáng)系統(tǒng)平穩(wěn)性、運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)、占據(jù)空間小為選擇依據(jù)，以此提升視覺系統(tǒng)的運(yùn)行質(zhì)量，確保檢測(cè)精確性，回避檢測(cè)長(zhǎng)度差異帶來的檢測(cè)問題。在設(shè)計(jì)中選用的激光器類型為RL808，可作為傳感設(shè)備光源。此種型號(hào)的激光器，整體規(guī)格較小、功耗不高，激光傳輸具有平穩(wěn)性，可用于各類環(huán)境，比如夜間監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程測(cè)距等。此種激光器的技術(shù)性能如表2所示。

表2 RL808激光器技術(shù)性能

3.2.2 濾光片

濾光片選擇窄帶型，直徑為φ8，厚度取0.5 mm，濾光波長(zhǎng)參數(shù)為808 nm，可保證至少85%的光線順利透過，使系統(tǒng)具有優(yōu)異的濾光性［3］。

3.2.3 攝像頭

攝像頭型號(hào)選為PTC06，系統(tǒng)功能含有視頻采集、壓縮信息等單元，擁有優(yōu)異的圖片壓縮處理能力，可融合于各類圖像處理系統(tǒng)。攝像頭的具體參數(shù)為：圖像清晰度為30萬，圖像信噪比值為45 DB，運(yùn)行電流為

100 mA。

3.2.4 電機(jī)

選用具有驅(qū)動(dòng)功能的電機(jī)，使用控制芯片傳輸驅(qū)動(dòng)指令，運(yùn)行周期為20 ms。步進(jìn)電機(jī)型號(hào)為SG90，結(jié)合傳入型號(hào)測(cè)定電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向，運(yùn)行電機(jī)設(shè)備。此電機(jī)可用于角度動(dòng)態(tài)改變、系統(tǒng)平穩(wěn)性要求較高的控制程序。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度值固定時(shí)，可進(jìn)行級(jí)聯(lián)減速處理，增加電位器旋轉(zhuǎn)能力，使電壓差值為零，停止電機(jī)運(yùn)行。電機(jī)運(yùn)行角度值域?yàn)椋?，180］°。

3.3 驅(qū)動(dòng)電路

使用的驅(qū)動(dòng)電路型號(hào)為APC，基礎(chǔ)電壓設(shè)計(jì)為0.5倍，如果電壓參數(shù)無法達(dá)到規(guī)范，需進(jìn)行數(shù)值更換處理。功率取值為4 mW時(shí)，最高電流取值0.64 mA，可變電阻取2.2 kΩ。如果最低電流取值為0.16 mA，則可變電阻取值為10 kΩ。高溫環(huán)境下，LD電流會(huì)趨近于100 mA，選用運(yùn)算放大器，以此保障驅(qū)動(dòng)電壓的平穩(wěn)性。限流電阻的使用，可防止基級(jí)電流參數(shù)較高，降低電路振動(dòng)幅度，保持電路運(yùn)行能力。當(dāng)線路內(nèi)有短路問題時(shí)，限流電阻可控制電流值。限流電阻值域?yàn)椋?，10］kΩ。

3.4 電源單元設(shè)計(jì)

多數(shù)情況下，輸出電壓有變動(dòng)時(shí)，引起其發(fā)生變化的因素有：環(huán)境溫度、電流值、傳輸電壓。當(dāng)穩(wěn)壓系數(shù)值較低時(shí)，可保證電壓平穩(wěn)性。使用78XX型號(hào)的穩(wěn)壓設(shè)備，傳輸電壓值為5 V。當(dāng)電流值增加時(shí)，需增設(shè)散熱裝置。

3.5 通信設(shè)計(jì)

需要由傳感器發(fā)出信息連接申請(qǐng)。機(jī)器人系統(tǒng)作為信息接收端，依據(jù)連接協(xié)議，完成兩個(gè)程序的連接。

3.6 圖像處理

3.6.1 數(shù)據(jù)格式

PT06攝像頭傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，采用圖文“JPEG”格式，進(jìn)行圖像資料的收集與加工，具備一般攝像頭的各項(xiàng)功能，可壓縮采集資料。使用數(shù)字加工芯片，確保數(shù)據(jù)壓縮質(zhì)量。此種芯片性能較強(qiáng)，能夠進(jìn)行較高級(jí)別的數(shù)據(jù)壓縮。JPEG格式的圖文資料相比其他類型的文件，比如GIF，PCX等，壓縮比例更高。例如，系統(tǒng)自主配置的圖片，圖文規(guī)格長(zhǎng)為640，寬為480，顏色值為256。對(duì)其進(jìn)行格式轉(zhuǎn)化時(shí)，可獲得JPEG圖文，數(shù)據(jù)壓縮處理后的圖片大小為17 707 Byte，相比其他格式較小，其中BMP圖文壓縮后的圖片大小為921 654 Byte。由此說明：JPEG格式具有較高的圖片壓縮能力［4］。

3.6.2 JPEG圖片轉(zhuǎn)化

從JPEG向BMP轉(zhuǎn)變時(shí)，是利用壓縮方式進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后獲得的壓縮圖片。JPEG格式圖片格式組成為亮度與色差，此種圖片中亮度較為重要。格式轉(zhuǎn)化會(huì)進(jìn)行亮度級(jí)別的細(xì)致量化處理。

3.6.3 數(shù)據(jù)處理

視覺傳感器接收BMP資料后，對(duì)視覺信息進(jìn)行質(zhì)量?jī)?yōu)化，確保圖片分析、圖片加工進(jìn)展的順暢性。(1）灰度處理。初期由攝像頭傳輸?shù)膱D片，具有彩色特征，需對(duì)其進(jìn)行灰度處理?；叶葓D中僅含有圖片亮度資料，未添加色彩內(nèi)容。灰度處理能夠?qū)в蓄伾膱D片轉(zhuǎn)化為僅有亮度的圖片。各類圖片加工時(shí)，灰度處理極為關(guān)鍵，作為其他數(shù)據(jù)處理的前提條件。視覺系統(tǒng)初期采集的圖片，多數(shù)為BMP格式，此種圖片文件含有4類信息：文件名、調(diào)色板、影像、位圖。對(duì)此種BMP圖片開展亮度處理時(shí)，需設(shè)計(jì)0至255個(gè)亮度級(jí)別。0級(jí)對(duì)應(yīng)的亮度是“全黑”，255對(duì)應(yīng)的亮度級(jí)別為“最亮”。(2）平滑處理?；叶忍幚硗瓿?，對(duì)亮度處理后的圖片進(jìn)行平滑處理，以此減少圖片噪聲。為劃分噪聲類別，可進(jìn)行噪聲的分類處理，將其劃分成高斯白型、椒鹽型、脈沖3種類型。椒鹽類型，此種噪聲會(huì)表現(xiàn)出黑白亮度參數(shù)。脈沖類型，此種噪聲僅含有一種顏色亮度，比如黑色強(qiáng)度。高斯白類型，此種噪聲是參照噪聲亮度，分布具有正態(tài)規(guī)律。圖像平滑處理期間，需結(jié)合噪聲自身特點(diǎn)，綜合給出處理方法。在噪聲空間范圍內(nèi)采取各類處理方法，保證噪聲處理效果。

3.6.4 光斑條方位確定方法

視覺機(jī)器人運(yùn)行時(shí)，其激光測(cè)距結(jié)果的準(zhǔn)確性主要的影響條件是：激光器性能、測(cè)距長(zhǎng)度。如果測(cè)距長(zhǎng)度表現(xiàn)出的幾何特征為非線性，保證測(cè)距結(jié)果準(zhǔn)確的重要因素是：光斑方位。如果被測(cè)物體的整體狀態(tài)具有粗糙性，使用3D傳感器獲取測(cè)量結(jié)果，應(yīng)具有高斯分布特點(diǎn)，此時(shí)測(cè)定光斑方位，可使用高斯擬合法。然而，如果激光光束亮度較高，會(huì)引起信號(hào)分布存在偏差。傳感器獲取的圖片資料，會(huì)受到驅(qū)動(dòng)程序影響［5］。

3.7 控制程序設(shè)計(jì)

在視覺機(jī)器人程序中，融合傳感器，需進(jìn)行4類軟件設(shè)計(jì)：主板控制、圖像采集、通信設(shè)計(jì)、電機(jī)控制。其中控制程序設(shè)計(jì)尤為關(guān)鍵，直接決定著系統(tǒng)運(yùn)行質(zhì)量。

3.7.1 主板控制

主板控制設(shè)備選用“Arduino”板，功能為：系統(tǒng)重啟、流程控制、各項(xiàng)資源調(diào)配、異常反饋等。芯片通電后，重置攝像頭、芯片的信息。如果上位機(jī)獲取了信息采集指令，需對(duì)采集程序給予準(zhǔn)確配置。配置方案包括采樣頻率、信息采集的清晰度等。對(duì)采集資料開展處理，形成點(diǎn)云格式，借助藍(lán)牙通信方式，將處理結(jié)果傳送給上位機(jī)。

3.7.2 圖像采集

采集視頻資料時(shí)，供電壓力設(shè)計(jì)為5 V，運(yùn)行電流取100 mA，電量消耗值較高。為此，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)連接攝像頭的接口，將其供電電壓設(shè)計(jì)為3.3 V。攝像頭初期連電后，指令響應(yīng)會(huì)發(fā)生2.5 s延時(shí)。

3.7.3 通信設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的信息傳輸主要使用藍(lán)牙?？赡芙邮盏乃{(lán)牙參數(shù)有兩種：分屬形式、通信波。分屬形式使用“從機(jī)”設(shè)備，通訊波取值為“9 600”。藍(lán)牙單元中配置的波特值共有兩類。波特率具體表示最終確定的波特值，比如單片機(jī)、藍(lán)牙各處此參數(shù)均取值為“9 600”。藍(lán)牙程序中設(shè)計(jì)了AT指令，便于信息傳輸、設(shè)備連接。

3.7.4 電機(jī)控制

利用脈沖寬度信號(hào)進(jìn)行調(diào)整，達(dá)到電機(jī)各角度轉(zhuǎn)動(dòng)的控制目標(biāo)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)選用的電機(jī)型號(hào)為“SG90舵機(jī)”。各類舵機(jī)在接收信號(hào)后，給予差異性處理方法，形成的旋轉(zhuǎn)角度具有一定差異性。

3.7.5 控制效果

(1）運(yùn)行視覺機(jī)器人，進(jìn)行圖像采集測(cè)試。攝像頭采集的圖片，拍攝傾角取3個(gè)值：角度1為45°，角度2為90°，角度3為145°。運(yùn)行系統(tǒng)可校準(zhǔn)圖片參數(shù)。(2）在電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)配置的攝像頭可動(dòng)態(tài)捕獲圖片資料，進(jìn)行資料加工、數(shù)據(jù)分析，經(jīng)藍(lán)牙傳輸分析結(jié)果。傳輸?shù)馁Y料中，圖像資料清晰，系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)。(3）經(jīng)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)：3D傳感器可融合于視覺機(jī)器人中，借助TCP進(jìn)行資料展現(xiàn)，可保證視覺機(jī)器人的運(yùn)行效果。在后續(xù)系統(tǒng)功能完善時(shí)，需加強(qiáng)信息處理精度控制，降低圖片采集的誤差量，積極發(fā)揮3D傳感器的融合價(jià)值。

4 結(jié)語

綜上所述，3D傳感器融合于機(jī)器人各項(xiàng)功能中，可顯著增強(qiáng)機(jī)器人的運(yùn)行能力，提升機(jī)器人的操控智能性。在實(shí)踐中，3D傳感器可有效校準(zhǔn)生產(chǎn)位置，自動(dòng)調(diào)整焊接設(shè)備的生產(chǎn)偏移量，保證生產(chǎn)質(zhì)量。在視覺系統(tǒng)中，可進(jìn)行高精度圖片采集，保證圖片采集效果。此種新型傳感器在汽車生產(chǎn)、航空觀測(cè)等各個(gè)行業(yè)中獲得使用。在未來，將會(huì)為各行業(yè)機(jī)器人使用、系統(tǒng)智能發(fā)展帶來更多可能性。