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案例分享 | 移動機器人防跌落及碰撞處理辦法集合

2020年05月11日

移動機器人按照室內外應用場景分類,可以分為室內機器人、室外機器人。室內機器人包括倉儲AGV、室內掃地機器人、服務機器人、餐飲機器人等,室外機器人包括物流配送機器人、電力巡檢機器人、室外安防機器人、室外清掃機器人等。

圖1 機器人部分應用場景
當移動機器人在工作過程中,遇到如樓梯、深坑、墻壁等阻礙時,能夠及時停止并繞行,防止摔壞造成誤工是體現機器人智能化的重要一環。本文從各類機器人防跌落、防碰撞需求出發,介紹一款專為機器人設計的激光雷達距離傳感器TFmini-S(產品傳送門),并結合實際案例分別詳述其安裝方法及特點。


圖2 臺階和墻壁等阻礙物

01機器人防跌落&避障需求

機器人在選擇防跌落&避障傳感器的時候,考慮因素眾多,可以從周圍使用環境,以及障礙物的尺寸、形狀、距離位置、姿態、材質等需求出發,選擇最佳傳感器,使機器人及時做出例如剎車、減速、轉彎等反應,避免在臺階或凹陷處跌落。
按避障距離分類:
近距離(1m內)中距離(4m內)遠距離(4m外)
按被測物體分類:
體積大or小,移動or靜止,顏色明or暗,材質及平整度等等
按使用環境分類:
雨水潮濕,高溫強光,漆黑昏暗等等

圖3在黑暗環境下不同大小障礙物


02激光雷達防跌落&防撞傳感器

涉及機器人防跌落和防撞的傳感器眾多,普遍被大家所熟知的:紅外、超聲波、視覺,還有大眾認知相對較少的激光雷達。以北醒TF系列單點測距&避障激光雷達來看,其身材嬌小,波束角小誤報率低,測量精度高,刷新頻率高,滿足人眼安全,不易受到強光等外在環境干擾。最重要的是,基于北醒不斷量產和技術更迭,價格已不再是激光雷達傳感器的門檻。

圖4 TFmini-S激光雷達實拍圖
應用原理
通過對目標物發射一束小角度的激光或近紅外光,通過ToF (Time of Flight) 時間飛行原理,根據從物體反射回來的信號時間差來計算這段距離,從而得出物體與激光雷達的相對位置,及時躲避障礙物或深坑。

圖5 北醒激光雷達原理示意圖

表一、各傳感器優劣分析

安裝方式
大多數機器人有兩個車輪,北醒TF系列激光雷達視場角較小(2°~3.6°),建議使用2個雷達、分別安裝在車身的左右兩側,增大探測范圍和安全冗余,若機器人本身尺寸較小,也可以機身前方僅安裝1個雷達。

雷達的安裝高度建議距離地面30~50cm,傾斜角度(如圖6所示β:雷達出光方向與水平面的夾角)建議在20-60°中間。注意:安裝時不能遮擋雷達的視場范圍,否則會造成測距不準確、有效量程衰減,在遇到波動的水面等高反光路況下,雷達數據的可信度會有所降低。多傳感器數據綜合應用是一個可以提升可靠性的方法。

圖6 北醒激光雷達安裝示意圖
舉個例子:如圖6所示,當激光雷達安裝高度42cm,即圖中AB=42cm;∠a=30°,根據三角函數得出BC=42/Sin∠a=84cm。總結:角度∠a參數建議在:20°-60°,安裝高度建議在30-50cm,否則會造成精度降低和有效量程縮短。

03案例分享

一、平衡車

機器人機身距離地面42cm高度處,安裝2臺TFmini-S分別向左下方、右下方探測,機器人直立狀態下雷達出光方向與水平地面夾角為15°,機器人在前傾、后仰過程中與地面夾角變化為10~57°,雷達實時探測機器人斜下方的距離并反饋給MCU,MCU結合雷達距離信息和機器人俯仰角度,判斷前方是否有臺階、凹陷,進而做出減速、剎車或轉向等動作。

二、防疫機器人

機器人機身距離地面30cm高度處,安裝1臺TFmini-S與地面夾角16°,傾斜探測斜下方1.1m處的障礙物,當有臺階時,雷達距離會變大,機器人根據雷達數據的變化可以做出減速直至停止運動的反應。

三、清掃機器人

機器人機身距離地面50cm高度處,安裝1臺TFmini-S與地面夾角約30°,傾斜探測斜下方1m處的障礙物,當有臺階時,雷達距離會變大,機器人根據雷達數據的變化可以做出減速直至停止運動的反應。

四、巡檢機器人

機器人機身距離地面15cm高度處,安裝1臺TFmini-S與地面夾角約60°,傾斜探測斜下方的障礙物,當有臺階或凹坑時,雷達距離會變大,機器人根據雷達數據的變化可以做出減速直至停止運動的反應。

五、醫院搬運機器人

機器人機身距離地面10cm高度處,安裝1臺TFmini Plus,傾斜探測前方50cm范圍內是否有臺階、凹坑等影響機器人行進的物體,當雷達探測到距離發生較大變化時,機器人會做出減速停止的動作,避免整個機器人發生跌倒、損壞等事故。

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