移動機器人安全防撞技術探討

侯霄

摘 要：安全防撞是移動機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，每種形式根據原理又可區分成不同的傳感器及機構，各種方案具有不同特點，移動機器人只有設計合理的避障方案才能更好的適應工作環境，以達到安全可靠的運行。本文就多種安全防撞技術的原理及應用做了總結，探討了其優劣勢及應用環境。

關鍵詞：移動機器人；安全；避障

當代機器人技術的快速發展和應用推動了人類社會的進步，有效替代了大量的人工勞動，使生產能力和效率得到很大的提高。移動機器人是機器人領域很重要的一部分，主要從事自動導航和搬運等工作，由于其在地面上有很大的工作空間范圍和擴展能力，安全就成為了一項關鍵的課題和技術。本文總結了目前主流的安全防撞方案，對關鍵技術做了一定深度的研究和探討，對比了其優勢和不足，對移動機器人的設計及應用有很大的指導意義。

1 非接觸式防撞技術

非接觸式防撞是移動機器人通過非接觸式的傳感器探測障礙物與本體的距離，根據距離調節速度和停止保護，達到防撞的目的。這種方式由于可以提前感知，是最安全和平穩的防撞方式，也是目前主流的應用和發展方向。

1.1 超聲波避障

傳感器發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算聲波的傳輸時間從而得到障礙物的距離。這種技術應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，受環境影響較小的優勢，并且探測精度較高，可達到毫米級別。但受聲波的傳播速度和衰減影響，探測距離有限，響應也較慢，一般需要幾十毫秒，不適合高速移動的機器人系統。另外超聲波的有效探測區域是個圓錐形區域，盲區較大，一般需要采用多個傳感器組合，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計時重要的研究方向，會直接影響這種避障方式的應用效果。

1.2 紅外避障

傳感器具有一對紅外信號發射與接收二極管，通過發射一定頻率的紅外信號，遇到障礙物反射后被接收管接收，經過數字處理定性反饋障礙物的狀態，一般通過手動電位器調節輸出信號強度來調節探測距離。由于其簡單有效成本低，大量應用在對防撞要求不高的環境中。紅外避障傳感器依靠接收到一定強度的紅外信號才會觸發避障輸出，在實際應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，不利于移動機器人的提前減速處理，加上盲區問題使這種避障方式只適合簡單應用。

1.3 激光避障

激光避障傳感器是通過探頭發出激光脈沖，計算脈沖達到被測物體后返回的時間，通過時間差計算距離。再結合一個高速的旋轉機構，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，無盲區探測到環境更多的信息。這種技術的先進性使它更適合導航的應用，兼顧避障功能，成為近年來最火熱的技術，前景廣闊。激光避障方式在探測距離、探測精度、反饋速度、抗干擾能力和盲區問題都要明顯優于其它避障方式。但傳感器體積較大，需要考慮安裝位置，并且價格昂貴，更適合高端移動機器人的應用。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算機深度視覺技術，也叫雙目視覺，是通過多個攝像頭拍攝一維照片，利用一些列復雜的算法，計算融合得到一個三維景深信息，從而識別障礙物的距離。這是一種較前沿的技術，核心算法掌握在少數公司手里，技術難度較高，受環境干擾較大，市場應用并不成熟，但也是未來一個很重要的發展方向。

2 接觸式防撞技術

接觸式防撞是通過接觸式的傳感器感知障礙物，這種方式是沒有預見性的，直到接觸到障礙物才會觸發保護機制，不如非接觸式防撞安全，但是不可或缺，這是保護的最后一道防線，不會被環境等因素干擾，當非接觸式傳感器失靈，他會保證移動機器人不會產生更嚴重的破壞。

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品，一般安裝在移動機器人外圍，障礙物會首先接觸安全觸邊，彈性觸邊產生形變，對障礙物與移動機器人起到緩沖保護作用，同時擠壓傳感器，通過壓力傳感器或接觸開關的形式輸出觸發信號，移動機器人進入避障狀態。由于觸邊的彈性只能起到一定的保護作用，移動機器人這種突發避障急停沒有減速過程，往往這種保護會造成一定的損傷，與移動機器人的移動慣量大小成正比。以前的移動機器人產品應用較多，隨著非接觸式防撞技術的進步，在新產品上逐漸被替代。

2.2 防撞探針

這是一種伸縮形式的接觸開關，觸碰到障礙物后探頭會縮回觸發信號。這種傳感器很容易損壞，只能應用在很慢的速度下，而且是只真針對一點作用，避障盲區很大。這種特色使他很適合一些要求特殊的環境，如移動機器人上移栽設備的對接，對接區域一般為嵌入式的，這時無盲區的避障方式會造成干涉，而且此時的操作速度很慢，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用。這種防撞方式是對傳統防撞形式的一種補充，在開闊空間防撞技術外獨立處理狹小空間的防撞技術要求，根據環境調整安裝方式，機構簡單通用性很強。

2.3 防撞護欄

防撞護欄是一種韌性較高的金屬片折成弧形安裝在移動機器人外圍，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器人占地面積，對一些機器人體積要求不高的場合比安全觸邊更加有效。目前市場上的產品自動叉車上的應用較多。

3 結語

機器人技術及產品的發展解放了大量的勞動力，越來越多的應用到社會各個領域，移動機器人的防撞技術是保障生產安全的重要手段。多種形式的方案及傳感器各有其特點，很難達到通用性，這就需要工程師充分掌握各種防撞技術，使移動機器人產品更好的適用不同環境下的需求。

參考文獻：

[1]鄒青華.基于多傳感器的移動機器人避障[D].浙江大學，2011.

[2]張曙光，熊偉.基于雙目視覺的移動機器人研究[J].現代電子技術，2012，35（18）：89-98.

[3]胡克維.自動導引小車AGV的導航和避障技術研究[D].浙江大學，2012.