遙操作機器人系統(tǒng)中6自由度輸入設備的設計
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傳統(tǒng)的2－D輸入設備，如鼠標，軌跡球和繪圖板等只能提供二維(平面)位置信息，不能提供其在空間坐標系中的三維位置和方向信息，從而限制了它們在未來3－D圖形化人機交互界面系統(tǒng)，尤其是遙操作機器人和虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中的應用。
當前的3－D輸入設備依據(jù)原理可分為機械式、電磁式、光學式、聲學式和慣性式等[1]。由于聲學式的3－D輸入設備具有易于實現(xiàn)、成本低、對光線不敏感、無電磁輻射等優(yōu)點，我們采用超聲波測距技術來實現(xiàn)具有6個自由度(DOF)的3－D輸入設備，并結合自動增益控制(AGC)，自適應可變閾值技術和溫度補償技術，以提高距離檢測精度，從而測得安裝在輸入設備上的超聲波發(fā)射探頭到三個接收探頭的距離。經過空間解析幾何運算，可得3－D輸入設備在空間坐標系中的6個自由度信息：位置(x,y,z)和方向(γ,β,α)(即姿態(tài)，也就是繞X、Y和Z軸的旋轉角)，如圖1所示。同時，檢測3－D輸入設備上的按鍵狀態(tài)，確定所要實現(xiàn)的操作。
1 超聲波測距
1.1 測距原理
輸入設備的三維定位與定向基于一維測距技術。要實現(xiàn)三維定位與定向，就需要獲得發(fā)射點到接收點的距離值。超聲波測距的方法有多種：如相位檢測法、聲波幅值檢測法和渡越時間檢測法等[2]。相位檢測法雖然精度高，但檢測范圍有限；聲波幅值檢測法易受反射波的影響。本文采用渡越時間檢測法，其原理為：檢測從發(fā)射換能器發(fā)出的超聲波，經氣體介質傳播到接收換能器的時間，即渡越時間。渡越時間與氣體介質中的聲速相乘，便可得到超聲波發(fā)射器和接收器之間的距離。
在3－D輸入設備定位與定向系統(tǒng)中，選用工作頻率為40kHz的PZT5壓電陶瓷振動模式的超聲波換能器。超聲波測距原理結構框圖如圖2所示。三路超聲波發(fā)射接收框圖都相同，圖2只畫出了一路超聲波發(fā)射接收框圖。
1.2 渡越時間檢測
時序電路控制超聲波換能器以固定的時間間隔來發(fā)射超聲波。電路時序及各信號波形如圖3所示[3]。
整個電路的時序由TRIGGER信號控制。CONTROL信號由TRIGGER信號負跳沿觸發(fā)，它把觸發(fā)周期T1和T2合并為一個檢測周期，這樣是為了達到可變閾值檢測的目的。其中，T1為精密峰值檢測周期，T2為可變閾值檢測周期。GATE信號是為了屏蔽虛假接收波。WAVE信號為超聲波發(fā)射及接收信號。發(fā)射的脈沖數(shù)應選擇合適，脈沖個數(shù)多有不少優(yōu)點：脈沖能量大，受其它聲波模式影響較小等；但脈沖個數(shù)多，盲區(qū)大，且余振波頭也多。通過實驗，取4個脈沖。PEAK信號是精密峰值信號，由積分充電電路得到。由于接收波隨距離增加迅速衰減，為了使接收波的幅值不隨測量距離的變化而大幅度地變化，采用可變增益控制(AGC)技術，有利于獲得精確的距離信息。
THRESHOLD信號為自適應可變閾值信號，它反映前一周期接收波信號的幅值大小。相鄰兩個接收波信號的峰值相差不大，將T1周期得到的精密峰值乘以一個比例因子，得到THRESHOLD信號，作為T2周期的閾值，和WAVE信號相比較，保證每次在同一個接收波頭(在本系統(tǒng)中，n＝4)后開始封鎖計數(shù)器，獲得渡越時間(如圖4和圖5)，從而不受接收波幅值大小的影響，提高了測量的精度。
1.3 距離計算和溫度補償
超聲波發(fā)射點到接收點的距離D為：
因此，溫度每變化1度，聲波的速度變化0.6(mm/ms)。若渡越時間達到9ms(距離約為3m)，就會產生約5mm的誤差。溫度變化2度時，則產生約1cm的誤差，因而必須進行溫度補償。
用4MHz的方波信號作為計數(shù)脈沖，計數(shù)器的時間分辨率為Tres＝0.25×10－3(ms)。設在渡越時間ttof內，計數(shù)器的值為ncount，由于計數(shù)器是在第n個接收波頭后被封鎖，則有：
這種采用檢測超聲波渡越時間的方法，結合自動增益控制(AGC)和自適應可變閾值技術，并加入溫度補償，提高了距離檢測精度，有利于獲得3－D輸入設備精確的位置和姿態(tài)信息。
2 6DOF輸入設備的設計原理
2.1 三維定位原理
根據(jù)三角測量原理可以實現(xiàn)三維定位。在參考坐標系的原點、X軸和Y軸分別安裝上三個超聲波接收器Ro、Rx、Ry，在輸入設備上安裝超聲波發(fā)射器T，其在參考坐標系中的位置為(x,y,z)，如圖6所示。
設Ro與Rx之間的距離為lox，Ro與Ry之間的距離為loy。通過超聲波測距，測出Ro到發(fā)射器T的距離為dot，Rx到發(fā)射器T的距離為dxt，Ry到發(fā)射器T的距離為dyt，根據(jù)三角測量原理，有(6)式，可解得發(fā)射點T的三維直角坐標表示形式，如式(7)所示。
2.2 三維定向原理
要進行三維定向測量，需在輸入設備上安裝三個超聲波發(fā)射器Ta、Tb、Tc，這三個發(fā)射點在參考坐標系中的位置可通過上述的方法依次獲得，如圖7所示。
三角形TaTbTc所在坐標系為Tx－y－z，它在參考坐標系Bx－y－z中的位置與姿態(tài)的描述可用一個4×4的變換矩陣
表示[4]：
設三角形TaTbTc三條邊的中線交點為T。定義坐標系Tx－y－z:T為坐標原點，三角形的法線D為坐標系Tx－y－z的z軸、TTa為坐標系Tx－y－z的x軸，y軸則由右手法則確定。則變換矩陣描述了坐標系{Tx－y－z}相對于參考坐標系{Bx－y－z}的方位，即有：:Tx－y－z→Bx－y－z。于是，法線D的方向矢量為：
三角形TaTbTc三條邊的中線交點T在參考坐標系BX－Y－Z中的位置(xT,yT,zT)可由下式求出：
經歸一化后，變換矩陣為：
然后，根據(jù)(8)式就可求出3－D輸入設備在參考坐標系Bx－y－z中的6個自由度信息：位置(x,y,z)和方向(γ,β,α)(即姿態(tài)，也就是繞X、Y和Z軸的旋轉角)。從中可知，只要測出三個超聲波發(fā)射器到三個超聲波接收器的距離，經過空間解析幾何運算，就可求出描述輸入設備位置與姿態(tài)的變換矩陣。
3 實驗
基于超聲波測距技術的3－D輸入設備系統(tǒng)主要是由三路超聲波檢測電路、溫度補償電路和89C51單片機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。單片機通過RS232串行口把3路ncount、溫度Tenv以及按鍵K1和K2的閉合情況傳送給上位機。數(shù)據(jù)通信的波特率為19.2Kbps。數(shù)據(jù)發(fā)送格式為：
三路計數(shù)值和環(huán)境溫度用兩個字節(jié)表示，低位在前，高位在后；K1和K2用一個字節(jié)的低兩位表示，1表示斷開，0表示閉合，且bit0代表左鍵K1的閉合情況，bit1代表右鍵K2的閉合情況。上位機接收到各測量值后，根據(jù)空間解析幾何法計算出輸入設備在參考坐標系中的位置和姿態(tài)，完成6DOF輸入設備的三維定位與定向。并根據(jù)按鍵K1和K2的閉合情況，確定所要實現(xiàn)的操作。
3－D輸入設備的設計關鍵在于精確的距離測量。為了檢驗本系統(tǒng)測距的精確度和可靠性，我們在實驗室中把超聲波發(fā)射裝置安裝在機器人MOVEMASTER－EX的末端執(zhí)行器上，這樣機器人的末端執(zhí)行器就相當于一個3－D輸入設備，在工作平臺上安裝三個超聲波接收器。實驗時，移動機器人到任一位置，通過本系統(tǒng)測量超聲波發(fā)射裝置在空間參考坐標系中的三維位置(x,y,z)和方向(γ,β,α)(即姿態(tài)，也就是繞X、Y和Z軸的旋轉角)，并和末端執(zhí)行器的真實位置與姿態(tài)做比較，測量值和真實值是一致的。其中，距離測量誤差在滿量程3m的范圍內可達±0.2mm，三維位置坐標在1m3工作空間內的最大誤差為±3mm。由于缺乏精確的旋轉角度測試平臺標準，沒有進行有關旋轉角度的誤差試驗。實驗表明了這種基于超聲波測距技術的6DOF輸入設備的定位與定向方法的有效性和可靠性。
本文提出了基于超聲波測距技術的3－D輸入設備的設計原理和方法。除了可提供輸入設備在三維(空間)坐標系中的位置和姿態(tài)的6個自由度信息外，還克服了傳統(tǒng)機械式、光電式等二維(平面)輸入設備，如鼠標、軌跡球易磨損，易受粉塵影響等缺點?？捎糜跈C器人操作手的空間定位與定向，3－D圖形化人機交互系統(tǒng)的輸入設備，以及虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中的頭盔跟蹤、視點導航和目標操縱等領域。具有精度高、成本低、易于實現(xiàn)、抗電磁干擾能力強，對光線不敏感、無電磁輻射等優(yōu)點。
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