移動機(jī)器人安全防撞技術(shù)探討

侯霄

摘 要：安全防撞是移動機(jī)器人的重要功能之一，按探測形式可分為非接觸式和接觸式兩種，每種形式根據(jù)原理又可區(qū)分成不同的傳感器及機(jī)構(gòu)，各種方案具有不同特點(diǎn)，移動機(jī)器人只有設(shè)計(jì)合理的避障方案才能更好的適應(yīng)工作環(huán)境，以達(dá)到安全可靠的運(yùn)行。本文就多種安全防撞技術(shù)的原理及應(yīng)用做了總結(jié)，探討了其優(yōu)劣勢及應(yīng)用環(huán)境。

關(guān)鍵詞：移動機(jī)器人；安全；避障

當(dāng)代機(jī)器人技術(shù)的快速發(fā)展和應(yīng)用推動了人類社會的進(jìn)步，有效替代了大量的人工勞動，使生產(chǎn)能力和效率得到很大的提高。移動機(jī)器人是機(jī)器人領(lǐng)域很重要的一部分，主要從事自動導(dǎo)航和搬運(yùn)等工作，由于其在地面上有很大的工作空間范圍和擴(kuò)展能力，安全就成為了一項(xiàng)關(guān)鍵的課題和技術(shù)。本文總結(jié)了目前主流的安全防撞方案，對關(guān)鍵技術(shù)做了一定深度的研究和探討，對比了其優(yōu)勢和不足，對移動機(jī)器人的設(shè)計(jì)及應(yīng)用有很大的指導(dǎo)意義。

1 非接觸式防撞技術(shù)

非接觸式防撞是移動機(jī)器人通過非接觸式的傳感器探測障礙物與本體的距離，根據(jù)距離調(diào)節(jié)速度和停止保護(hù)，達(dá)到防撞的目的。這種方式由于可以提前感知，是最安全和平穩(wěn)的防撞方式，也是目前主流的應(yīng)用和發(fā)展方向。

1.1 超聲波避障

傳感器發(fā)出特定頻段的超聲波，超聲波遇到障礙物后會反射，傳感器通過接收回波計(jì)算聲波的傳輸時(shí)間從而得到障礙物的距離。這種技術(shù)應(yīng)用的較早也相對成熟，是主流避障方式之一。超聲波傳感器具有體積小，成本低，受環(huán)境影響較小的優(yōu)勢，并且探測精度較高，可達(dá)到毫米級別。但受聲波的傳播速度和衰減影響，探測距離有限，響應(yīng)也較慢，一般需要幾十毫秒，不適合高速移動的機(jī)器人系統(tǒng)。另外超聲波的有效探測區(qū)域是個(gè)圓錐形區(qū)域，盲區(qū)較大，一般需要采用多個(gè)傳感器組合，這種方式又會增加傳感器之間的干擾。故傳感器的安裝位置，過濾和掃描算法成為工程師設(shè)計(jì)時(shí)重要的研究方向，會直接影響這種避障方式的應(yīng)用效果。

1.2 紅外避障

傳感器具有一對紅外信號發(fā)射與接收二極管，通過發(fā)射一定頻率的紅外信號，遇到障礙物反射后被接收管接收，經(jīng)過數(shù)字處理定性反饋障礙物的狀態(tài)，一般通過手動電位器調(diào)節(jié)輸出信號強(qiáng)度來調(diào)節(jié)探測距離。由于其簡單有效成本低，大量應(yīng)用在對防撞要求不高的環(huán)境中。紅外避障傳感器依靠接收到一定強(qiáng)度的紅外信號才會觸發(fā)避障輸出，在實(shí)際應(yīng)用中障礙物的顏色對紅外線的吸收程度會有較大差異，外部光源也會對紅外信號產(chǎn)生干擾，還有反射面的粗糙度和平整度也會影響紅外信號的反射強(qiáng)度。這些問題使紅外避障的探測精度誤差很大，還有紅外避障的輸出方式一般為定性輸出，不利于移動機(jī)器人的提前減速處理，加上盲區(qū)問題使這種避障方式只適合簡單應(yīng)用。

1.3 激光避障

激光避障傳感器是通過探頭發(fā)出激光脈沖，計(jì)算脈沖達(dá)到被測物體后返回的時(shí)間，通過時(shí)間差計(jì)算距離。再結(jié)合一個(gè)高速的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，使一維的測量變成二維的掃描，多線激光可完成三維的掃描，能高精度的識別障礙物的形狀，無盲區(qū)探測到環(huán)境更多的信息。這種技術(shù)的先進(jìn)性使它更適合導(dǎo)航的應(yīng)用，兼顧避障功能，成為近年來最火熱的技術(shù)，前景廣闊。激光避障方式在探測距離、探測精度、反饋速度、抗干擾能力和盲區(qū)問題都要明顯優(yōu)于其它避障方式。但傳感器體積較大，需要考慮安裝位置，并且價(jià)格昂貴，更適合高端移動機(jī)器人的應(yīng)用。很多激光傳感器公司也推出了專用的激光避障傳感器，分區(qū)定性輸出，減小體積，降低成本，使這種避障方式越來越普及。

1.4 視覺避障

視覺避障采用的是計(jì)算機(jī)深度視覺技術(shù)，也叫雙目視覺，是通過多個(gè)攝像頭拍攝一維照片，利用一些列復(fù)雜的算法，計(jì)算融合得到一個(gè)三維景深信息，從而識別障礙物的距離。這是一種較前沿的技術(shù)，核心算法掌握在少數(shù)公司手里，技術(shù)難度較高，受環(huán)境干擾較大，市場應(yīng)用并不成熟，但也是未來一個(gè)很重要的發(fā)展方向。

2 接觸式防撞技術(shù)

接觸式防撞是通過接觸式的傳感器感知障礙物，這種方式是沒有預(yù)見性的，直到接觸到障礙物才會觸發(fā)保護(hù)機(jī)制，不如非接觸式防撞安全，但是不可或缺，這是保護(hù)的最后一道防線，不會被環(huán)境等因素干擾，當(dāng)非接觸式傳感器失靈，他會保證移動機(jī)器人不會產(chǎn)生更嚴(yán)重的破壞。

2.1 安全觸邊

安全觸邊是一種帶有傳感器的彈性裙邊型產(chǎn)品，一般安裝在移動機(jī)器人外圍，障礙物會首先接觸安全觸邊，彈性觸邊產(chǎn)生形變，對障礙物與移動機(jī)器人起到緩沖保護(hù)作用，同時(shí)擠壓傳感器，通過壓力傳感器或接觸開關(guān)的形式輸出觸發(fā)信號，移動機(jī)器人進(jìn)入避障狀態(tài)。由于觸邊的彈性只能起到一定的保護(hù)作用，移動機(jī)器人這種突發(fā)避障急停沒有減速過程，往往這種保護(hù)會造成一定的損傷，與移動機(jī)器人的移動慣量大小成正比。以前的移動機(jī)器人產(chǎn)品應(yīng)用較多，隨著非接觸式防撞技術(shù)的進(jìn)步，在新產(chǎn)品上逐漸被替代。

2.2 防撞探針

這是一種伸縮形式的接觸開關(guān)，觸碰到障礙物后探頭會縮回觸發(fā)信號。這種傳感器很容易損壞，只能應(yīng)用在很慢的速度下，而且是只真針對一點(diǎn)作用，避障盲區(qū)很大。這種特色使他很適合一些要求特殊的環(huán)境，如移動機(jī)器人上移栽設(shè)備的對接，對接區(qū)域一般為嵌入式的，這時(shí)無盲區(qū)的避障方式會造成干涉，而且此時(shí)的操作速度很慢，很適合采用防撞探針的避障方式，比如自動叉車和自動充電的應(yīng)用。這種防撞方式是對傳統(tǒng)防撞形式的一種補(bǔ)充，在開闊空間防撞技術(shù)外獨(dú)立處理狹小空間的防撞技術(shù)要求，根據(jù)環(huán)境調(diào)整安裝方式，機(jī)構(gòu)簡單通用性很強(qiáng)。

2.3 防撞護(hù)欄

防撞護(hù)欄是一種韌性較高的金屬片折成弧形安裝在移動機(jī)器人外圍，效果與安全觸邊類似，但壓縮行程要比安全觸邊大很多，對防撞的緩沖更大一些，安全性也就更好，但大大增加了移動機(jī)器人占地面積，對一些機(jī)器人體積要求不高的場合比安全觸邊更加有效。目前市場上的產(chǎn)品自動叉車上的應(yīng)用較多。

3 結(jié)語

機(jī)器人技術(shù)及產(chǎn)品的發(fā)展解放了大量的勞動力，越來越多的應(yīng)用到社會各個(gè)領(lǐng)域，移動機(jī)器人的防撞技術(shù)是保障生產(chǎn)安全的重要手段。多種形式的方案及傳感器各有其特點(diǎn)，很難達(dá)到通用性，這就需要工程師充分掌握各種防撞技術(shù)，使移動機(jī)器人產(chǎn)品更好的適用不同環(huán)境下的需求。

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