专利名称：机器人补偿式光纤距离方位集成传感器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及机器人光电接近觉传感器，具体是指一种机器人补偿式光纤距离方位集成传感器。
现有机器人光电接近觉传感器不足之处主要表现在(1)多数传感器受光源输出功率的变化、被测物体的方位或表面反射率变化的影响，测量精度低，可靠性差；(2)用一个传感器不能同时测量距离和方位两个信息，不能满足机器人的应用要求。
本实用新型的目的在于克服上述现有技术存在的问题，设计和开发一种具有可以消除光源输出功率波动和目标物体表面反射率变化对传感器性能的影响、抗干扰能力强、结构简单、成本低等特点的机器人补偿式光纤距离方位集成传感器。
实现本实用新型的目的机器人补偿式光纤距离方位集成传感器，由如下五个部分构成①光源单元由LD激光器、可控恒流源组成；②光纤传感头单元由分布在两个正交平面上的五根光纤构成，设两平面为π1、π2，入射光纤L0位于π1、π2的交线；另外四根光纤L1、L2、L3和L4为接收光纤，其中L1和L2在π1平面上，位于光纤L0两侧、与L0平行且等距离a；L3和L4位于光纤L0两侧，与L0成对称分布于L0的两边且与L0构成5°～60°范围内的倾斜角θ；③光电转换单元由自扫描二极管阵列和驱动电路所构成；④信号处理单元由信号放大、调整、滤波和模数转换电路组成；⑤微处理器系统及输出单元主要由单片机及其它们的输入输出接口；各单元的连接关系为光源单元的LD激光器的输出端与光纤传感头单元的入射光纤L0连接；光纤传感头单元的四根光纤L1、L2、L3和L4的光信号，照在光电转换单元自扫描二极管阵列上；光电转换单元的信号输出端与信号处理单元的信号输入端连接；信号处理单元的输出与微处理器系统及接口单元连接；微处理器系统的控制线分别与光源单元的可控恒流源、光电转换单元的驱动电路的扫描开始的输入端、信号处理单元的模数转换电路的采样控制端连接。
光源发出的光信号通过发射光纤L0投射到被测量表面π0，发射光束可以假设为从L0的数值孔径NA点出射，经光纤的末端圆周形成圆锥形光束，锥形光束在被测面产生一个近似椭圆的区域，称为发射域。接收光纤的模型与发射光纤类似，接收光纤的端面圆周上的点与光纤的数值孔径NA点的连线形成接收光锥，这个光锥在反射表面投射出另一个椭圆区域，称之为接收域。发射域与接收域的重叠部分就是反射光线进入接收光纤的有效区域，接收到的光强就是重叠区域所有光强的累加。实际上，入射到接收光纤的光强是光源出射光强、被测表面反射率、传感器的结构参数、传感器与被测表面的相对距离和方位、环境光强等因素的函数。
通过建立传感器的数学模型，可得到接收光纤L4、L3的光电信号强比值W43为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)接收光纤L4、L2的光电信号比值W42为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为传感器与被测表面的相对距离和方位；r0为发射光纤半径；k1为光源种类参数；α为发射光纤最大发射角；α为L1、L2与L0距离；b为L3、L4的端部与L0的距离；θ为L3、L4与L0构成的倾斜角。
从公式(1)和(2)可知，W43，W42仅是变量α，b，r0、k1，α，θ，d，γ等的函数，在传感器参数和光源种类确定后，只有变量d，γ未知，因此联立方程(1)(2)就可以求出d，γ。方程组表明，传感系统的测量结果与物体表面反射率、发射光纤的光功率等因数无关，也就是说传感系统具有自我补偿功能，较强的抗干扰能力。
光纤传感头的测量姿态是使待测点M处的法线n’-n与接收光纤L3、L4共面，即法线n’-n在平面π2上。在通常状态下，当光纤传感头接近被测量表面时，很难恰好在测量姿态，这时可以巧妙地利用机器人操作手末端的旋转自由度，光纤传感头先作姿态调整。理论和实验已证明，调整方法是使传感头绕发射光纤L0的轴线旋转，直到接收光纤L1、L2的接收光信号相等，在该位置接收光纤L3、L4所在平面与法线共面。微处理器系统根据测得的信号强弱，可以通过控制激光电源恒流电路实现对激光器输出功率的控制，调整自扫描二极管阵列的时钟频率改变曝光时间，达到扩大传感系统测量范围的目的。
本实用新型与现有技术相比具有如下特色和创新之处①传感器头结构仅有四根接收光纤，可同时测量操作手相对于目标物体的距离和方位，实现两种功能集成，具有结构简单、体积小的特点；②该传感器能消除了因光源输出功率波动和目标物体表面反射率变化给传感器带来的影响，具有抗干扰能力强，可以获得具有较高测量精度，可靠性高；③传感器的光电转换单元采用自扫描二极管阵列，在一片自扫描二极管阵列器件上实现多路信号探测，信号串行输出，共用同一信号处理电路，保证了光电探测器件和电路放大特性的一致性，消除由于信号的识别对传感精度的影响，提高测量精度，具有成本低、性能可靠的优点；④采取光源功率适度输出的动态控制和改变自扫描二极管阵列曝光时间技术，有效地扩大了传感器测量范围。
图1为机器人补偿式光纤距离方位集成传感器的结构原理框图；图2为光纤传感头结构示意图；图3为机器人补偿式光纤距离方位集成传感器的实验框图。
下面将通过实施例及其附图对本实用新型做进一步详述机器人补偿式光纤距离方位集成传感器实验框图如图3所示。图3中，光纤传感头的结构如图2所示，它由分布在两个正交平面上的五根光纤构成，设两平面为π1、π2，入射光纤L0位于π1、π2的交线；另外四根光纤L1、L2、L3和L4为接收光纤，其中L1和L2在π1平面上，位于光纤L0两侧、与L0平行，且与L0等距，距离α为200μm；L3和L4位于光纤L0两侧，以L0为对称轴成对称分布，且与L0构成的倾斜角θ为50°，L3、L4的端部与L0的距离b为200μm；出射光纤L0选用直径为200μm、数值孔径NA为0.5的多模光纤，包覆层直径为300μm；接收光纤L1、L2、L3、L4选用直径为50μm、数值孔径NA为0.25μm的多模光纤，包覆层直径为100μm。光电转换器件采用重庆大学的CL64E型自扫描二极管阵列器件；A/D转换器件采用AD574A型快速12位逐次比较式A/D转换器，微处理器采用ATMEL公司的AT89C51单片机；激光器选用波长0.83μm半导体二极管激光器。微型计算机和AT89C51之间通过RS232接口通讯，同时微型计算机与SCARA机器人控制器通讯，由机器人控制器控制机器人末端操作手调整传感头的工作姿态。实验结果传感器的测距范围为0.2mm～20mm，精度小于±0.01mm；传感器的测角范围为±20°，精度小于±0.3°；采用不同的测量面(分别用铝片和铜片)，测量结果相差小于0.3％。这些表明该传感器具有自我补偿能力和距离方位集成传感能力。
权利要求1.机器人补偿式光纤距离方位集成传感器，它包括光源单元、光纤传感头单元、光电转换单元、信号处理单元和微处理系统及输出单元，其特征在于光纤传感头单元是由分布在两个正交平面上的五根光纤构成，设两平面为π1、π2，入射光纤L0位于π1、π2的交线；另外四根光纤L1、L2、L3和L4为接收光纤，其中L1和L2在π1平面上，位于光纤L0两侧、与L0平行且等距离a；L3和L4位于光纤L0两侧，与L0成对称分布于L0的两边且与L0构成5°～60°范围内的倾斜角θ；各单元的连接关系为光源单元的LD激光器的输出端与光纤传感头单元的入射光纤L0连接；光纤传感头单元的四根光纤L1、L2、L3和L4的光信号，照在光电转换单元自扫描二极管阵列上；光电转换单元的信号输出端与信号处理单元的信号输入端连接；信号处理单元的输出与微处理器系统及接口单元连接；微处理器系统的控制线分别与光源单元的可控恒流源、光电转换单元的驱动电路的扫描开始的输入端、信号处理单元的模数转换电路的采样控制端连接。
专利摘要本实用新型涉及机器人光电接近觉传感器,具体是指一种机器人补偿式光纤距离方位集成传感器。该传感器由如下五个部分构成:①光源单元,②由分布在两个正交平面上的五根光纤构成的光纤传感头单元,③光电转换单元,④信号处理单元,⑤微处理器系统及输出单元。本传感器可以消除光源输出功率波动和目标物体表面反射率变化对传感器性能的影响、抗干扰能力强、结构简单、成本低。
文档编号B25J13/08GK2489931SQ0022856
公开日2002年5月8日 申请日期2000年6月20日 优先权日2000年6月20日
发明者刘桂雄, 郑时雄 申请人:华南理工大学