工業(yè)機器人發(fā)展至今已有近70年的歷史，在其搭載人工智能、計算機技術的背景下，其智能性、易用性的優(yōu)勢凸顯，而自主發(fā)展、人機協(xié)作正成為工業(yè)機器人領域的發(fā)展趨勢之一。隨著物流、電子、工業(yè)生產領域的技術革新、新舊動能轉換，在工業(yè)機器人移動時實現(xiàn)高效、高精度的避障，是工業(yè)機器人行業(yè)轉型升級、產業(yè)化應用的關鍵，其避障性能也是衡量工業(yè)機器人實用性的指標。目前以模糊邏輯控制、人工勢場法為代表的避障算法，在工業(yè)機器人運行中扮演者至關重要的角色，但該類技術僅適用于簡單環(huán)境下的避障，對于多障礙環(huán)境、 復雜工況的避障效果欠佳，存在中途停頓、擺動等問題通病。 與之相比，超聲波傳感器方法在避障中，能夠為機器人提供開闊的視野、障礙物信息，給工業(yè)機器人避障策略的設計提供了 新的研究思路和方向。

1、超聲波傳感器避障的原理

      超聲波傳感器由壓電晶片組成，是基于超聲波波長短、頻率高、傳播定向、繞射頻率低的特性設計的傳感器，因具有較大 的機電耦合系數(shù)，輸出能量大，工作中有著較高的靈敏度，可以適合高負荷條件下的傳感器運行需要。縱向振蕩為基礎的超聲波技術應用，能夠在固體、液體、氣體不同環(huán)境中傳播，傳播 效率也存在明顯的差異，但無論是在液體、固體中的高頻率傳輸，還是在空氣中的低頻率傳輸，都伴隨著衰減現(xiàn)象，針對超聲波的這一特性，在工業(yè)機器人行進過程中，可以運用超聲波測距模塊，實時測量其和障礙物間的距離，在設定的安全范圍內， 機器人可以自動進行障礙物的規(guī)避。該避障方法是在時間差測距法的基礎上經演化、實踐形成的，即按照空氣中超聲波在單位時間內的移動時間、距離，測算超聲波在空氣中從發(fā)射器發(fā)出信號，至接收器收到回波的距離，運算公式為：S=Tυ

在表達式中：

S代表超聲波在空氣中的移動路程；T代表超聲波在移動 時所耗費的時間；υ 代表空氣中超聲波在單位時間內的移動距離。

      超聲波傳感器在工業(yè)機器人行走中的障礙物檢測方式為持續(xù)探測，參照常見的超聲波傳感器模塊，檢測誤差一般在4%內，因此利用超聲波傳感器避障，可以獲得良好的避障效果。

2 工業(yè)機器人超聲波傳感器避障算法與流程設計

      基于超聲波傳感器避障的原理，在工業(yè)機器人避障設計 中，以聲速、時間、障礙物距離的關系為基礎，三者的表達式可 表示如下：S=1/2ct

在上述表達式中，C代表聲速；

S表示工業(yè)機器人和障礙物之間的距離；T表示發(fā)射脈沖 時刻與首個回波達到時刻的時間差。

      依據上述避障公式、超聲波測距原理，采用MATLAB平臺 中的Line函數(shù)，F(xiàn)IS模糊推理系統(tǒng)編輯器，整合工業(yè)機器人障礙 物信息獲取、檢測、處理、模糊推理過程，建立簡易的模型，減少建模過程對機器人自身力學模型的依賴性。借助模糊推理、控制，加強避障算法在應用中的精度，便于進行機器人左、右、前 方各個方位障礙物的識別與控制。以設計的超聲波避障算法為例，確定了工業(yè)機器人的主要運行流程：

圖1 工業(yè)機器人避障算法運行流程示意

      圖1流程圖中，工業(yè)機器人工作時，首先，依據工業(yè)生產、機器人的功能定位需求，進行參數(shù)初始化設置，調試機器人的避障參數(shù)，使工業(yè)機器人在安全距離內及時選擇無障礙路線。 之后，利用超聲波傳感器，采集機器人周邊的聲波信號，檢測工 業(yè)機器人和障礙物間的距離，聯(lián)合模糊推理方法，對障礙物進 行預判，按照機器人所處位置，推薦可靠的行進路線，生成探測結果，再將數(shù)據傳輸至工業(yè)機器人配置的顯示屏，可顯示不同方位的障礙物信息、距離檢測結果。接著，在遭遇障礙物的條 件下，機器人可以避開障礙，旋轉90°繼續(xù)選擇安全的行程。若 機器人判斷預定的行走路線無障礙物時，可以直接選擇對應方位的路線，完成規(guī)定的任務。

3 工業(yè)機器人超聲波傳感器避障算法優(yōu)化策略

      考慮到基礎的超聲波傳感器算法在短距離內測距精度缺 陷問題，通過延遲電路時間，來控制避障過程中的超聲波測距 精度，優(yōu)化后的避障算法表達式為：△t=s1t1-s2t2/s2-s1

s1、s2表示已知測量距離；△t表示延遲時間；t1、t2表示對應 的測量時間。

      根據優(yōu)化后的超聲波避障算法，對工業(yè)機器人和障礙物間 的距離參數(shù)進行分析和設定，共計包含前方障礙物、左側障礙 物、右側障礙物3個指標[16] 。采用超聲波傳感器探測各部位信 息，要求工業(yè)機器人前方行走時，當障礙物距離工業(yè)機器人的 距離≥25cm，則視為安全路線，機器人可繼續(xù)行走。隨著與障 礙物距離的拉進，當障礙物距離＜25cm時，探測工業(yè)機器人左 側、右側的障礙物信息，當識別到左側、右側的距離到機器人均 ≥30cm時，可以向左側或者右側旋轉90°后行進。若探測到左 右兩側的安全距離均＜25cm時，工業(yè)機器人可后退一段距離， 當有一側的距離≥25cm，則可向該方向行走，直到選擇最佳的 無障礙路線為止。

4 超聲波傳感器避障算法驗證

      為驗證超聲波傳感器避障算法的精度與可靠性，采用XX 公司生產的AIR3工業(yè)機器人和XX公司生產的200F18TR-2超 聲波傳感器為試驗工具。其中，工業(yè)機器人為6軸，最大運動 范圍 560mm，定位精度±0.02mm，6 個軸的運動范圍分別為：- 170°/+170°、-110°/+120°、-110°/+155°、-200°/+200°、-120°/+ 120°、-350°/+350°，6 個軸的運動速度分別為 450°/s、450°/s、 540°/s、800°/s、800°/s、800°/s。超聲波傳感器的標稱頻率為200.0±10%KHz，測量范圍為 0.07-0.8M，標準檢測板為 100x100mm，輸出方式為 NPN/PNP/0-10V/4-20mA。以工業(yè)機器人現(xiàn)行的工作速度為依據，使其向障礙物方向行進，測量工業(yè)機器人和障礙物間的最小距離，分別在前方障礙物、左側障 礙物、右側障礙物3種不同的工況條件下，測試工業(yè)機器人的 運行狀態(tài)：

      經過不同工況下的工業(yè)機器人運行狀態(tài)測試，發(fā)現(xiàn)超聲波 傳感器避障算法在避障中，對于工業(yè)機器人的運行環(huán)境有固定 要求，機器人行走過程需保證路面平整、光滑，無坑槽、凹凸不平現(xiàn)象，方可按照設定的參數(shù)進行避障處理，一旦路面出現(xiàn)坑 槽，則會影響超聲波傳感器的測量精度，機器人的行走也可能存在一定的概率偏離原有的路線。另外，超聲波傳感器量程內對稍遠距離的障礙物，有著較好的測量效果，而對于近距離的障礙物可能存在檢測盲區(qū)，但得益于測試中模糊推理策略的應用，可以增強超聲波傳感器識別障礙物的能力，提升其應對障 礙物的反應能力，減少了探測誤差，這也有效指導了工業(yè)機器 人的正常運行，但模糊推理策略對于近距離的超聲波傳感器探 測精度有限。

5 結語

      文章運用超聲波傳感器設計了工業(yè)機器人避障算法，建立了工業(yè)機器人避障流程，確定了障礙物到工業(yè)機器人間的安全 距離控制閥值，測距的靈敏度、精度高，可以適用于一般環(huán)境下的工業(yè)機器人簡單作業(yè)，對于復雜工況，尤其是動態(tài)障礙物的避障處理及近距離的避障設計，超聲波傳感器避障算法還存在著本身的劣勢，將超聲波避障算法與遺傳算法、人工智能技術等結合進行算法優(yōu)化，是工業(yè)機器人超聲波避障未來一項重要的命題。

參考文獻：

[1] Takei Y,Matsui R,Minh-Dung N, et al.Velocity measurement using MEMS ultrasonic sensor for non-invasive blood pressure measurement[J]. IEEJ Transactions on Sensors and Microma⁃ chines, 2018,138(2):54-58.

[2] AlMohimeed I,Ono Y.Ultrasound measurement of skeletal mus⁃ cle contractile parameters using flexible and wearable singleelement ultrasonic sensor[J].Sensors, 2020,20(13):3616. 

[3] 華丹.基于區(qū)塊鏈技術的工業(yè)機器人視覺檢測及避障系統(tǒng)設 計[J].計算機測量與控制,2020,28(7):69-73. 

[4] 于燕.智能機器人的超聲波避障技術研發(fā)及應用[J].南方農 機,2019,50(21):263. 

[5] 吳翩卉,盧杜曉,羅忠輝,等.智能機器人的超聲波避障技術研 發(fā)及應用[J].機床與液壓,2019,47(9):46-50,57.

班寧產品匯總