3D-TCP 傳感器技術在機器人領域中的運用分析

孫丹丹

（哈爾濱職業(yè)技術學院，黑龍江 哈爾濱 150000）

0 引言

3D傳感器具有較強的信號測定能力、較快的信號分析速度、優(yōu)異的信號處理效果，能夠保證參數(shù)設定準確，形成信息存儲記憶。相較于原有的傳感器，3D傳感器的設計有效整合了微處理、集成等科技，可進行信號采集、信息加工、信息傳輸，能夠將轉化資料分享給機器人，連同PLC進行使用，增強機器人使用智能性。結合3D傳感器的應用優(yōu)勢，研究其在機器人設計中的用法，具有較高的研究價值。

1 3D-TCP傳感器的系統(tǒng)組成

1.1 硬件

在原有設備視覺設計時，采取2D視覺方式。3D傳感器增加了一個方向，以立體視角呈現(xiàn)視覺檢測結果。3D傳感器的硬件組成有：信號發(fā)射器、柱面物鏡、鏡頭、高精度信號處理裝置、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。在各項軟件功能的幫助下，3D傳感器能夠進行多種測量。例如，檢測設備操作的準確性、設備方位校準、人臉識別等［1］。

2 3D-TCP傳感器的用法

2.1 3D-TCP傳感器

3D傳感器具有設備校準功能，含有檢測程序、控制單元等，可用于機器人設備方位的校準檢測。3D傳感器的合理使用，可保障機器人方位的可控性。3D傳感器的檢測程序可用于設備檢測?？刂破饔糜诓杉Y料、數(shù)據(jù)判斷?？刂破髂軌蜻M行信息傳輸，與機器人形成互動。一般情況下，傳感器的信號精度級別為0.02 mm，符合各行業(yè)機器人生產(chǎn)的工藝標準。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 檢測原理

以裝焊車間為例，使用3D傳感器開展校準工作。用于焊接生產(chǎn)的機器人，經(jīng)由內(nèi)置計數(shù)器統(tǒng)計完成生產(chǎn)的產(chǎn)品數(shù)量，依據(jù)戴姆勒原理，每完成10個產(chǎn)品的焊接任務，均需運行3D傳感器進行一次機器人位置的校準工作。使用3D傳感器進行機器人檢測時，將焊接機器人放置在檢測平臺上，讓機器人進行有規(guī)律的生產(chǎn)運動，共計進行3次圓周運動，采集各方向的位置偏移量。機器人完成3次運動后，檢測主體會將測定結果傳送給控制器，由控制器精準獲取機器人的位移量?？刂破鲗⒎治鼋Y果傳送給機器人，進行變量轉化，參照3D傳感器的使用規(guī)范，進行數(shù)值處理，獲取偏移量的具體數(shù)值。運行TCP程序，仿真展現(xiàn)機器人位置，結合偏移量結果，校準機器人位置，便于機器人進行后續(xù)生產(chǎn)任務，以此保障機器人位置校準的精確性，顯著提升焊裝質量。

2.3 檢測分析

使用焊接機器人時，接觸板件進行焊接操作，焊絲處極易形成偏移量。焊接處理后，運行傳感器的TCP程序，模擬機器人初期、校準結果的方位，獲取偏移量，進行機器人位置調(diào)整。經(jīng)檢測應用發(fā)現(xiàn)：焊接機器人在傳感器的幫助下，可校準生產(chǎn)方位，重置初期生產(chǎn)坐標點。實際檢測發(fā)現(xiàn)：焊接機器人在水平方向發(fā)生了1.22 mm長度的偏移，其他兩個方向并未發(fā)生偏移問題［2］。

3 機器人視覺單元融合傳感器的設計分析

3.1 硬件框架

視覺單元的系統(tǒng)由3D傳感器、藍牙、圖像分析、邏輯控制等組成。視覺系統(tǒng)的運行流程為藍牙獲取的計算機指令信息，包括系統(tǒng)開始、系統(tǒng)暫停、目標區(qū)掃描等；運行步進電機，調(diào)取攝像頭的捕獲信息，依據(jù)轉角方位數(shù)據(jù)進行陣列測算，經(jīng)藍牙回傳監(jiān)測信息，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 設備選型

3.2.1 激光器

選用激光器時，以較低發(fā)散性、較強系統(tǒng)平穩(wěn)性、運行時間長、占據(jù)空間小為選擇依據(jù)，以此提升視覺系統(tǒng)的運行質量，確保檢測精確性，回避檢測長度差異帶來的檢測問題。在設計中選用的激光器類型為RL808，可作為傳感設備光源。此種型號的激光器，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、遠程測距等。此種激光器的技術性能如表2所示。

表2 RL808激光器技術性能

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，運行電流為

100 mA。

3.2.4 電機

選用具有驅動功能的電機，使用控制芯片傳輸驅動指令，運行周期為20 ms。步進電機型號為SG90，結合傳入型號測定電機轉動方向，運行電機設備。此電機可用于角度動態(tài)改變、系統(tǒng)平穩(wěn)性要求較高的控制程序。當電機轉動速度值固定時，可進行級聯(lián)減速處理，增加電位器旋轉能力，使電壓差值為零，停止電機運行。電機運行角度值域為［0，180］°。

3.3 驅動電路

使用的驅動電路型號為APC，基礎電壓設計為0.5倍，如果電壓參數(shù)無法達到規(guī)范，需進行數(shù)值更換處理。功率取值為4 mW時，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電流會趨近于100 mA，選用運算放大器，以此保障驅動電壓的平穩(wěn)性。限流電阻的使用，可防止基級電流參數(shù)較高，降低電路振動幅度，保持電路運行能力。當線路內(nèi)有短路問題時，限流電阻可控制電流值。限流電阻值域為［1，10］kΩ。

3.4 電源單元設計

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

3.5 通信設計

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

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，進行圖像資料的收集與加工，具備一般攝像頭的各項功能，可壓縮采集資料。使用數(shù)字加工芯片，確保數(shù)據(jù)壓縮質量。此種芯片性能較強，能夠進行較高級別的數(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)格長為640，寬為480，顏色值為256。對其進行格式轉化時，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圖片轉化

從JPEG向BMP轉變時，是利用壓縮方式進行數(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。格式轉化會進行亮度級別的細致量化處理。

3.6.3 數(shù)據(jù)處理

視覺傳感器接收BMP資料后，對視覺信息進行質量優(yōu)化，確保圖片分析、圖片加工進展的順暢性。(1）灰度處理。初期由攝像頭傳輸?shù)膱D片，具有彩色特征，需對其進行灰度處理?；叶葓D中僅含有圖片亮度資料，未添加色彩內(nèi)容?；叶忍幚砟軌驅в蓄伾膱D片轉化為僅有亮度的圖片。各類圖片加工時，灰度處理極為關鍵，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。對此種BMP圖片開展亮度處理時，需設計0至255個亮度級別。0級對應的亮度是“全黑”，255對應的亮度級別為“最亮”。(2）平滑處理?；叶忍幚硗瓿?，對亮度處理后的圖片進行平滑處理，以此減少圖片噪聲。為劃分噪聲類別，可進行噪聲的分類處理，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，需結合噪聲自身特點，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

視覺機器人運行時，其激光測距結果的準確性主要的影響條件是：激光器性能、測距長度。如果測距長度表現(xiàn)出的幾何特征為非線性，保證測距結果準確的重要因素是：光斑方位。如果被測物體的整體狀態(tài)具有粗糙性，使用3D傳感器獲取測量結果，應具有高斯分布特點，此時測定光斑方位，可使用高斯擬合法。然而，如果激光光束亮度較高，會引起信號分布存在偏差。傳感器獲取的圖片資料，會受到驅動程序影響［5］。

3.7 控制程序設計

在視覺機器人程序中，融合傳感器，需進行4類軟件設計：主板控制、圖像采集、通信設計、電機控制。其中控制程序設計尤為關鍵，直接決定著系統(tǒng)運行質量。

3.7.1 主板控制

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

3.7.2 圖像采集

采集視頻資料時，供電壓力設計為5 V，運行電流取100 mA，電量消耗值較高。為此，系統(tǒng)設計時連接攝像頭的接口，將其供電電壓設計為3.3 V。攝像頭初期連電后，指令響應會發(fā)生2.5 s延時。

3.7.3 通信設計

系統(tǒng)的信息傳輸主要使用藍牙。可能接收的藍牙參數(shù)有兩種：分屬形式、通信波。分屬形式使用“從機”設備，通訊波取值為“9 600”。藍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、藍牙各處此參數(shù)均取值為“9 600”。藍牙程序中設計了AT指令，便于信息傳輸、設備連接。

3.7.4 電機控制

利用脈沖寬度信號進行調(diào)整，達到電機各角度轉動的控制目標。系統(tǒng)設計時選用的電機型號為“SG90舵機”。各類舵機在接收信號后，給予差異性處理方法，形成的旋轉角度具有一定差異性。

3.7.5 控制效果

(1）運行視覺機器人，進行圖像采集測試。攝像頭采集的圖片，拍攝傾角取3個值：角度1為45°，角度2為90°，角度3為145°。運行系統(tǒng)可校準圖片參數(shù)。(2）在電機轉動時，系統(tǒng)配置的攝像頭可動態(tài)捕獲圖片資料，進行資料加工、數(shù)據(jù)分析，經(jīng)藍牙傳輸分析結果。傳輸?shù)馁Y料中，圖像資料清晰，系統(tǒng)運行平穩(wěn)。(3）經(jīng)實踐發(fā)現(xiàn)：3D傳感器可融合于視覺機器人中，借助TCP進行資料展現(xiàn)，可保證視覺機器人的運行效果。在后續(xù)系統(tǒng)功能完善時，需加強信息處理精度控制，降低圖片采集的誤差量，積極發(fā)揮3D傳感器的融合價值。

4 結語

綜上所述，3D傳感器融合于機器人各項功能中，可顯著增強機器人的運行能力，提升機器人的操控智能性。在實踐中，3D傳感器可有效校準生產(chǎn)位置，自動調(diào)整焊接設備的生產(chǎn)偏移量，保證生產(chǎn)質量。在視覺系統(tǒng)中，可進行高精度圖片采集，保證圖片采集效果。此種新型傳感器在汽車生產(chǎn)、航空觀測等各個行業(yè)中獲得使用。在未來，將會為各行業(yè)機器人使用、系統(tǒng)智能發(fā)展帶來更多可能性。