專利名稱：機器人補償式光纖距離方位集成傳感器的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及機器人光電接近覺傳感器，具體是指一種機器人補償式光纖距離方位集成傳感器。
現有機器人光電接近覺傳感器不足之處主要表現在(1)多數傳感器受光源輸出功率的變化、被測物體的方位或表面反射率變化的影響，測量精度低，可靠性差；(2)用一個傳感器不能同時測量距離和方位兩個信息，不能滿足機器人的應用要求。
本實用新型的目的在于克服上述現有技術存在的問題，設計和開發一種具有可以消除光源輸出功率波動和目標物體表面反射率變化對傳感器性能的影響、抗干擾能力強、結構簡單、成本低等特點的機器人補償式光纖距離方位集成傳感器。
實現本實用新型的目的機器人補償式光纖距離方位集成傳感器，由如下五個部分構成①光源單元由LD激光器、可控恒流源組成；②光纖傳感頭單元由分布在兩個正交平面上的五根光纖構成，設兩平面為π1、π2，入射光纖L0位于π1、π2的交線；另外四根光纖L1、L2、L3和L4為接收光纖，其中L1和L2在π1平面上，位于光纖L0兩側、與L0平行且等距離a；L3和L4位于光纖L0兩側，與L0成對稱分布于L0的兩邊且與L0構成5°～60°范圍內的傾斜角θ；③光電轉換單元由自掃描二極管陣列和驅動電路所構成；④信號處理單元由信號放大、調整、濾波和模數轉換電路組成；⑤微處理器系統及輸出單元主要由單片機及其它們的輸入輸出接口；各單元的連接關系為光源單元的LD激光器的輸出端與光纖傳感頭單元的入射光纖L0連接；光纖傳感頭單元的四根光纖L1、L2、L3和L4的光信號，照在光電轉換單元自掃描二極管陣列上；光電轉換單元的信號輸出端與信號處理單元的信號輸入端連接；信號處理單元的輸出與微處理器系統及接口單元連接；微處理器系統的控制線分別與光源單元的可控恒流源、光電轉換單元的驅動電路的掃描開始的輸入端、信號處理單元的模數轉換電路的采樣控制端連接。
光源發出的光信號通過發射光纖L0投射到被測量表面π0，發射光束可以假設為從L0的數值孔徑NA點出射，經光纖的末端圓周形成圓錐形光束，錐形光束在被測面產生一個近似橢圓的區域，稱為發射域。接收光纖的模型與發射光纖類似，接收光纖的端面圓周上的點與光纖的數值孔徑NA點的連線形成接收光錐，這個光錐在反射表面投射出另一個橢圓區域，稱之為接收域。發射域與接收域的重疊部分就是反射光線進入接收光纖的有效區域，接收到的光強就是重疊區域所有光強的累加。實際上，入射到接收光纖的光強是光源出射光強、被測表面反射率、傳感器的結構參數、傳感器與被測表面的相對距離和方位、環境光強等因素的函數。
通過建立傳感器的數學模型，可得到接收光纖L4、L3的光電信號強比值W43為W43=sin(θ+2γ)sin(θ-2γ)·[r0+k1tgα(-bsin2γ+d+dcos2γ)32]2[r0+k1tgα(+bsin2γ+d+dcos2γ)32]2.]]>exp{(bcos2γ+dsin2γ)2[r0+k1tgα(-bsin2γ+d+dcos2γ)32]2-(-bcos2γ+dsin2γ)2[r0+k1tgα(bsin2γ+d+dcos2γ)32]2}---(1)]]>＝f1(θ，α，r0，b，k1，d，γ)接收光纖L4、L2的光電信號比值W42為W42=sin(θ+2γ)cos2γ·[r0+k1tgα(d+dcos2γ)32]2[r0+k1tgα(+bsin2γ+d+dcos2γ)32]2.]]>exp{α2+(dsin2γ)2[r0+k1tgα(d+dcos2γ)32]2-(-bcos2γ+dsin2γ)2[r0+k1tgα(bsin2γ+d+dcos2γ)32]2}---(2)]]>＝f2(θ，α，r0，α，b，k1，d，γ)其中，d，γ為傳感器與被測表面的相對距離和方位；r0為發射光纖半徑；k1為光源種類參數；α為發射光纖最大發射角；α為L1、L2與L0距離；b為L3、L4的端部與L0的距離；θ為L3、L4與L0構成的傾斜角。
從公式(1)和(2)可知，W43，W42僅是變量α，b，r0、k1，α，θ，d，γ等的函數，在傳感器參數和光源種類確定后，只有變量d，γ未知，因此聯立方程(1)(2)就可以求出d，γ。方程組表明，傳感系統的測量結果與物體表面反射率、發射光纖的光功率等因數無關，也就是說傳感系統具有自我補償功能，較強的抗干擾能力。
光纖傳感頭的測量姿態是使待測點M處的法線n’-n與接收光纖L3、L4共面，即法線n’-n在平面π2上。在通常狀態下，當光纖傳感頭接近被測量表面時，很難恰好在測量姿態，這時可以巧妙地利用機器人操作手末端的旋轉自由度，光纖傳感頭先作姿態調整。理論和實驗已證明，調整方法是使傳感頭繞發射光纖L0的軸線旋轉，直到接收光纖L1、L2的接收光信號相等，在該位置接收光纖L3、L4所在平面與法線共面。微處理器系統根據測得的信號強弱，可以通過控制激光電源恒流電路實現對激光器輸出功率的控制，調整自掃描二極管陣列的時鐘頻率改變曝光時間，達到擴大傳感系統測量范圍的目的。
本實用新型與現有技術相比具有如下特色和創新之處①傳感器頭結構僅有四根接收光纖，可同時測量操作手相對于目標物體的距離和方位，實現兩種功能集成，具有結構簡單、體積小的特點；②該傳感器能消除了因光源輸出功率波動和目標物體表面反射率變化給傳感器帶來的影響，具有抗干擾能力強，可以獲得具有較高測量精度，可靠性高；③傳感器的光電轉換單元采用自掃描二極管陣列，在一片自掃描二極管陣列器件上實現多路信號探測，信號串行輸出，共用同一信號處理電路，保證了光電探測器件和電路放大特性的一致性，消除由于信號的識別對傳感精度的影響，提高測量精度，具有成本低、性能可靠的優點；④采取光源功率適度輸出的動態控制和改變自掃描二極管陣列曝光時間技術，有效地擴大了傳感器測量范圍。


圖1為機器人補償式光纖距離方位集成傳感器的結構原理框圖；圖2為光纖傳感頭結構示意圖；圖3為機器人補償式光纖距離方位集成傳感器的實驗框圖。
下面將通過實施例及其附圖對本實用新型做進一步詳述機器人補償式光纖距離方位集成傳感器實驗框圖如圖3所示。圖3中，光纖傳感頭的結構如圖2所示，它由分布在兩個正交平面上的五根光纖構成，設兩平面為π1、π2，入射光纖L0位于π1、π2的交線；另外四根光纖L1、L2、L3和L4為接收光纖，其中L1和L2在π1平面上，位于光纖L0兩側、與L0平行，且與L0等距，距離α為200μm；L3和L4位于光纖L0兩側，以L0為對稱軸成對稱分布，且與L0構成的傾斜角θ為50°，L3、L4的端部與L0的距離b為200μm；出射光纖L0選用直徑為200μm、數值孔徑NA為0.5的多模光纖，包覆層直徑為300μm；接收光纖L1、L2、L3、L4選用直徑為50μm、數值孔徑NA為0.25μm的多模光纖，包覆層直徑為100μm。光電轉換器件采用重慶大學的CL64E型自掃描二極管陣列器件；A/D轉換器件采用AD574A型快速12位逐次比較式A/D轉換器，微處理器采用ATMEL公司的AT89C51單片機；激光器選用波長0.83μm半導體二極管激光器。微型計算機和AT89C51之間通過RS232接口通訊，同時微型計算機與SCARA機器人控制器通訊，由機器人控制器控制機器人末端操作手調整傳感頭的工作姿態。實驗結果傳感器的測距范圍為0.2mm～20mm，精度小于±0.01mm；傳感器的測角范圍為±20°，精度小于±0.3°；采用不同的測量面(分別用鋁片和銅片)，測量結果相差小于0.3％。這些表明該傳感器具有自我補償能力和距離方位集成傳感能力。
權利要求1.機器人補償式光纖距離方位集成傳感器，它包括光源單元、光纖傳感頭單元、光電轉換單元、信號處理單元和微處理系統及輸出單元，其特征在于光纖傳感頭單元是由分布在兩個正交平面上的五根光纖構成，設兩平面為π1、π2，入射光纖L0位于π1、π2的交線；另外四根光纖L1、L2、L3和L4為接收光纖，其中L1和L2在π1平面上，位于光纖L0兩側、與L0平行且等距離a；L3和L4位于光纖L0兩側，與L0成對稱分布于L0的兩邊且與L0構成5°～60°范圍內的傾斜角θ；各單元的連接關系為光源單元的LD激光器的輸出端與光纖傳感頭單元的入射光纖L0連接；光纖傳感頭單元的四根光纖L1、L2、L3和L4的光信號，照在光電轉換單元自掃描二極管陣列上；光電轉換單元的信號輸出端與信號處理單元的信號輸入端連接；信號處理單元的輸出與微處理器系統及接口單元連接；微處理器系統的控制線分別與光源單元的可控恒流源、光電轉換單元的驅動電路的掃描開始的輸入端、信號處理單元的模數轉換電路的采樣控制端連接。
專利摘要本實用新型涉及機器人光電接近覺傳感器,具體是指一種機器人補償式光纖距離方位集成傳感器。該傳感器由如下五個部分構成:①光源單元,②由分布在兩個正交平面上的五根光纖構成的光纖傳感頭單元,③光電轉換單元,④信號處理單元,⑤微處理器系統及輸出單元。本傳感器可以消除光源輸出功率波動和目標物體表面反射率變化對傳感器性能的影響、抗干擾能力強、結構簡單、成本低。
文檔編號B25J13/08GK2489931SQ0022856
公開日2002年5月8日 申請日期2000年6月20日 優先權日2000年6月20日
發明者劉桂雄, 鄭時雄 申請人:華南理工大學