工业机器人超声波传感器避障算法设计与优化研究

孙涛

摘要：超声波传感器具有成本低、精度高、运算快、避障算法设计简单的特点，在工业机器人避障、路径规划领域表现出良好的前景。文章以超声波避障算法为基本原理，探讨其在工业机器人领域的应用价值、算法设计及优化方向，以便于改善现有技术在避障设计中的缺点，使工业机器人更好地服务于工業企业的生产需要。

关键词：工业机器人;超声波传感器;避障算法

中图分类号： TP311      文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2021）04-0175-02

工业机器人发展至今已有近70年的历史，在其搭载人工智能、计算机技术的背景下，其智能性、易用性的优势凸显，而自主发展、人机协作正成为工业机器人领域的发展趋势之一[1-2]。随着物流、电子、工业生产领域的技术革新、新旧动能转换，在工业机器人移动时实现高效、高精度的避障，是工业机器人行业转型升级、产业化应用的关键，其避障性能也是衡量工业机器人实用性的指标[3]。目前以模糊逻辑控制、人工势场法为代表的避障算法，在工业机器人运行中扮演者至关重要的角色，但该类技术仅适用于简单环境下的避障，对于多障碍环境、复杂工况的避障效果欠佳，存在中途停顿、摆动等问题通病。与之相比，超声波传感器方法在避障中，能够为机器人提供开阔的视野、障碍物信息，给工业机器人避障策略的设计提供了新的研究思路和方向。

1 超声波传感器避障的原理

超声波传感器由压电晶片组成，是基于超声波波长短、频率高、传播定向、绕射频率低的特性设计的传感器，因具有较大的机电耦合系数，输出能量大，工作中有着较高的灵敏度，可以适合高负荷条件下的传感器运行需要。纵向振荡为基础的超声波技术应用，能够在固体、液体、气体不同环境中传播，传播效率也存在明显的差异，但无论是在液体、固体中的高频率传输，还是在空气中的低频率传输，都伴随着衰减现象，针对超声波的这一特性，在工业机器人行进过程中，可以运用超声波测距模块，实时测量其和障碍物间的距离，在设定的安全范围内，机器人可以自动进行障碍物的规避[4]。该避障方法是在时间差测距法的基础上经演化、实践形成的，即按照空气中超声波在单位时间内的移动时间、距离，测算超声波在空气中从发射器发出信号，至接收器收到回波的距离，运算公式为：

S=Tυ

在表达式中：

S代表超声波在空气中的移动路程;T代表超声波在移动时所耗费的时间;υ代表空气中超声波在单位时间内的移动距离。

超声波传感器在工业机器人行走中的障碍物检测方式为持续探测，参照常见的超声波传感器模块，检测误差一般在4%内，因此利用超声波传感器避障，可以获得良好的避障效果。

2 工业机器人超声波传感器避障算法与流程设计

基于超声波传感器避障的原理，在工业机器人避障设计中，以声速、时间、障碍物距离的关系为基础，三者的表达式可表示如下[5]：

S=1/2ct

在上述表达式中，C代表声速;

S表示工业机器人和障碍物之间的距离;T表示发射脉冲时刻与首个回波达到时刻的时间差。

依据上述避障公式、超声波测距原理，采用MATLAB平台中的Line函数，FIS模糊推理系统编辑器，整合工业机器人障碍物信息获取、检测、处理、模糊推理过程，建立简易的模型，减少建模过程对机器人自身力学模型的依赖性。借助模糊推理、控制，加强避障算法在应用中的精度，便于进行机器人左、右、前方各个方位障碍物的识别与控制。以设计的超声波避障算法为例，确定了工业机器人的主要运行流程：

图1流程图中，工业机器人工作时，首先，依据工业生产、机器人的功能定位需求，进行参数初始化设置，调试机器人的避障参数，使工业机器人在安全距离内及时选择无障碍路线。之后，利用超声波传感器，采集机器人周边的声波信号，检测工业机器人和障碍物间的距离，联合模糊推理方法，对障碍物进行预判，按照机器人所处位置，推荐可靠的行进路线，生成探测结果，再将数据传输至工业机器人配置的显示屏，可显示不同方位的障碍物信息、距离检测结果。接着，在遭遇障碍物的条件下，机器人可以避开障碍，旋转90°继续选择安全的行程。若机器人判断预定的行走路线无障碍物时，可以直接选择对应方位的路线，完成规定的任务。

3 工业机器人超声波传感器避障算法优化策略

考虑到基础的超声波传感器算法在短距离内测距精度缺陷问题，通过延迟电路时间，来控制避障过程中的超声波测距精度，优化后的避障算法表达式为：

△t=s1t1-s2t2/s2-s1

上述表达式中：

s1、s2表示已知测量距离;△t表示延迟时间;t1、t2表示对应的测量时间。

根据优化后的超声波避障算法，对工业机器人和障碍物间的距离参数进行分析和设定，共计包含前方障碍物、左侧障碍物、右侧障碍物3个指标[16]。采用超声波传感器探测各部位信息，要求工业机器人前方行走时，当障碍物距离工业机器人的距离≥25cm，则视为安全路线，机器人可继续行走。随着与障碍物距离的拉进，当障碍物距离<25cm时，探测工业机器人左侧、右侧的障碍物信息，当识别到左侧、右侧的距离到机器人均≥30cm时，可以向左侧或者右侧旋转90°后行进。若探测到左右两侧的安全距离均<25cm时，工业机器人可后退一段距离，当有一侧的距离≥25cm，则可向该方向行走，直到选择最佳的无障碍路线为止。

4 超声波传感器避障算法验证

为验证超声波传感器避障算法的精度与可靠性，采用XX公司生产的AIR3工业机器人和XX公司生产的200F18TR-2超声波传感器为试验工具。其中，工业机器人为6轴，最大运动范围560mm，定位精度±0.02mm，6个轴的运动范围分别为：-170°/+170°、-110°/+120°、-110°/+155°、-200°/+200°、-120°/+120°、-350°/+350°，6个轴的运动速度分别为450°/s、450°/s、540°/s、800°/s、800°/s、800°/s。超声波传感器的标称频率为200.0±10%KHz，测量范围为0.07-0.8M，标准检测板为100x100mm，输出方式为NPN/PNP/0-10V/4-20mA。以工业机器人现行的工作速度为依据，使其向障碍物方向行进，测量工业机器人和障碍物间的最小距离，分别在前方障碍物、左侧障碍物、右侧障碍物3种不同的工况条件下，测试工业机器人的运行状态：

经过不同工况下的工业机器人运行状态测试，发现超声波传感器避障算法在避障中，对于工业机器人的运行环境有固定要求，機器人行走过程需保证路面平整、光滑，无坑槽、凹凸不平现象，方可按照设定的参数进行避障处理，一旦路面出现坑槽，则会影响超声波传感器的测量精度，机器人的行走也可能存在一定的概率偏离原有的路线。另外，超声波传感器量程内对稍远距离的障碍物，有着较好的测量效果，而对于近距离的障碍物可能存在检测盲区，但得益于测试中模糊推理策略的应用，可以增强超声波传感器识别障碍物的能力，提升其应对障碍物的反应能力，减少了探测误差，这也有效指导了工业机器人的正常运行，但模糊推理策略对于近距离的超声波传感器探测精度有限。

5 结语

文章运用超声波传感器设计了工业机器人避障算法，建立了工业机器人避障流程，确定了障碍物到工业机器人间的安全距离控制阀值，测距的灵敏度、精度高，可以适用于一般环境下的工业机器人简单作业，对于复杂工况，尤其是动态障碍物的避障处理及近距离的避障设计，超声波传感器避障算法还存在着本身的劣势，将超声波避障算法与遗传算法、人工智能技术等结合进行算法优化，是工业机器人超声波避障未来一项重要的命题。

参考文献：

[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 Micromachines， 2018，138（2）：54-58.

[2] AlMohimeed I，Ono Y.Ultrasound measurement of skeletal muscle contractile parameters using flexible and wearable single-element ultrasonic sensor[J].Sensors， 2020，20（13）：3616.

[3] 华丹.基于区块链技术的工业机器人视觉检测及避障系统设计[J].计算机测量与控制，2020，28（7）：69-73.

[4] 于燕.智能机器人的超声波避障技术研发及应用[J].南方农机，2019，50（21）：263.

[5] 吴翩卉，卢杜晓，罗忠辉，等.智能机器人的超声波避障技术研发及应用[J].机床与液压，2019，47（9）：46-50，57.

【通联编辑：李雅琪】