遙操作機(jī)器人平臺(tái)及其技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

張靜

摘 要：近年來，機(jī)器人開始應(yīng)用于各行各業(yè)，比如工業(yè)、國(guó)防和餐飲行業(yè)，而遙操作機(jī)器人因其可應(yīng)用于危險(xiǎn)環(huán)境下的各種作業(yè)，比如太空探索、遠(yuǎn)程教育等，成為了各國(guó)專家研究的熱點(diǎn)。因此，對(duì)遙操作機(jī)器人平臺(tái)和相應(yīng)技術(shù)進(jìn)行了研究。

關(guān)鍵詞：遙操作機(jī)器人；Internet；Web瀏覽器；傳感器

中圖分類號(hào)：TP242 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.06.088

機(jī)器人的研究是人類歷史上的一大變革，它代替了一部分人工勞動(dòng)，提高了生產(chǎn)的效率和精度，在航空航天、工業(yè)生產(chǎn)和餐飲等方面都得到了廣泛應(yīng)用。機(jī)器人不僅可以進(jìn)行遠(yuǎn)程操作，也可以執(zhí)行危險(xiǎn)任務(wù)。隨著智能和反饋控制技術(shù)的不斷應(yīng)用和發(fā)展，機(jī)器人在日常生活、生產(chǎn)中將發(fā)揮更加重要的作用。因此，本文對(duì)遙操作機(jī)器人平臺(tái)及其技術(shù)進(jìn)行了探討。

1 遙操作機(jī)器人平臺(tái)研究方案

遙操作機(jī)器人平臺(tái)可分為2種，即基于Internet的雙向力反饋遙操作機(jī)器人系統(tǒng)和基于Web瀏覽器的系統(tǒng)。其中，基于Web瀏覽器的遙操作機(jī)器人系統(tǒng)又可分為智能型和輪式型。就目前而言，遙操作機(jī)器人已經(jīng)在多個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，比如在化工領(lǐng)域，輪式機(jī)器人得到了充分應(yīng)用，主要用于檢測(cè)場(chǎng)內(nèi)的有毒、有害氣體的泄漏情況。輪式機(jī)器人具體的操作過程為：在輪式機(jī)器人上配有紅外設(shè)備、氣體和超聲傳感器，當(dāng)進(jìn)入檢測(cè)范圍時(shí)，自身的傳感器等設(shè)備將檢測(cè)到的信息和相應(yīng)的視頻信息會(huì)從無線網(wǎng)絡(luò)傳到控制端口，再在控制端口上顯示相應(yīng)的信息，操作人員根據(jù)傳回的信息辨識(shí)，并根據(jù)實(shí)時(shí)情況，對(duì)機(jī)器人進(jìn)行相關(guān)的指令控制，以完成必要的工作。針對(duì)以上功能要求，可采用遙操作機(jī)器人平臺(tái)方案。

遙操作機(jī)器人平臺(tái)是一種通過各種傳感器系統(tǒng)對(duì)外界環(huán)境的變化做出自主導(dǎo)航的一系列任務(wù)的系統(tǒng)。但在自主應(yīng)對(duì)復(fù)雜環(huán)境的過程中，需要多個(gè)特殊功能模塊的相互配合和協(xié)調(diào)工作，比如電源、驅(qū)動(dòng)設(shè)備、傳感器模塊和紅外設(shè)備等。因此，在設(shè)計(jì)遙操作機(jī)器人時(shí)，需要考慮多方面的內(nèi)容，其主要功能設(shè)計(jì)如下。

1.1 模塊化設(shè)計(jì)

在選擇模塊化時(shí)，要遵循一定的模塊化設(shè)計(jì)原則，要保證所選擇模塊的機(jī)械連接接口與輸入、輸出接口配套。因此，用戶可以根據(jù)自己的需求進(jìn)行相應(yīng)組合，以實(shí)現(xiàn)不同的功能要求。

1.2 平臺(tái)智能體的架構(gòu)設(shè)計(jì)

該平臺(tái)共有4層架構(gòu)，分別是遠(yuǎn)程用戶層、本地決策層、傳感器決策層和運(yùn)動(dòng)執(zhí)行層。遠(yuǎn)程用戶層為個(gè)人計(jì)算機(jī)，可以通過編寫監(jiān)控端的應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)控制，也可以通過基于USB的手柄實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的控制；本地決策層采用單片機(jī)控制系統(tǒng)，兩者通過無線路由通信；傳感器決策層包括氣體傳感器和超聲紅外傳感器；運(yùn)動(dòng)執(zhí)行層包括直流減速電機(jī)和舵機(jī)。

1.3 配件系統(tǒng)

該平臺(tái)配有云臺(tái)、變焦無線攝像頭（可達(dá)到360°無死角）和無線以太網(wǎng)通訊系統(tǒng)等。但在配置云臺(tái)時(shí)，要配置與其相適應(yīng)的電源系統(tǒng)。

1.4 擴(kuò)展功能

該平臺(tái)在擴(kuò)展功能方面不僅具有擴(kuò)展空間、配件豐富等特點(diǎn)，而且在多路電子方面實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的輸入、輸出、轉(zhuǎn)換、數(shù)模和模數(shù)之間的轉(zhuǎn)換等。因此，用戶可以根據(jù)自己的需要選擇相應(yīng)的功能。

2 平臺(tái)的總體結(jié)構(gòu)和技術(shù)分析

遙操作機(jī)器人平臺(tái)主要由電源、驅(qū)動(dòng)設(shè)備模塊、控制模塊（驅(qū)動(dòng)控制電路、本體驅(qū)動(dòng)電機(jī)和視覺云臺(tái)控制電機(jī)）、視覺模塊（攝像頭）、傳感器模塊（紅外、超聲等傳感器）、通信模塊和上位機(jī)模塊等組成。

2.1 性能指標(biāo)

機(jī)器人的主要參數(shù)為：外形尺寸500 mm×200 mm×190 mm，為了達(dá)到輕便、便于攜帶的目的，設(shè)計(jì)質(zhì)量大約為10 kg，負(fù)載達(dá)20 kg；工作電壓為12 VD，采用直流驅(qū)動(dòng)，轉(zhuǎn)速為100 r/min，減速比為60. 因此，遙操作機(jī)器人平臺(tái)可應(yīng)用于沙土地等環(huán)境，適應(yīng)環(huán)境的能力較強(qiáng)。

2.2 電源和設(shè)備驅(qū)動(dòng)模塊

遙操作機(jī)器人平臺(tái)配備了12 V/2 200 mA的動(dòng)力鋰電池，循環(huán)壽命>500次，可連續(xù)工作4～6 h。功率放大模塊采用33886大功率電機(jī)驅(qū)動(dòng)板，該高速光耦隔離的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器可實(shí)現(xiàn)雙路剎車，支持50 k以上的PWM信號(hào)。信號(hào)畸變很小，可獲得理想的上、下沿。采用雙電源供應(yīng)的方式，可實(shí)現(xiàn)電機(jī)功率電路與單片機(jī)控制電路實(shí)現(xiàn)電氣上的完全隔離，具有較強(qiáng)的抗干擾能力，不會(huì)出現(xiàn)反脈沖沖擊單片機(jī)電路等現(xiàn)象，適用于一些對(duì)電磁干擾要求較高的場(chǎng)合。

2.3 傳感器模塊

遙操作機(jī)器人平臺(tái)配有超聲波傳感器、紅外傳感器，可進(jìn)行導(dǎo)航避障；配有網(wǎng)絡(luò)攝像頭，像素為130萬；配有檢測(cè)氯氣、氨氣和混合可燃?xì)怏w的氣體傳感器。

2.4 控制模塊

控制模塊可采用個(gè)人PC，ARM是單片機(jī)的最小系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)方案采用由美國(guó)公司研發(fā)的一種新型S51系列的單片機(jī)，S51系列的單片機(jī)內(nèi)部配有相應(yīng)的程序存儲(chǔ)器、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊和PWM等，不僅實(shí)現(xiàn)了多種功能的轉(zhuǎn)換，而且其基本功能可與普通的51系列的單片機(jī)完全兼容。單片機(jī)可控制遙小車的前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)等運(yùn)動(dòng)，以及云臺(tái)的俯仰和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

2.5 視覺模塊

視覺模塊采用網(wǎng)絡(luò)攝像頭，采用可國(guó)際上比較知名的攝像頭品牌AXIS，可以提供具有SVGA分辨率的優(yōu)質(zhì)圖像，并可提供能針對(duì)寬帶和存儲(chǔ)效率單獨(dú)進(jìn)行優(yōu)化的多個(gè)H.264和Motion JPEG流。視覺模塊采用以太網(wǎng)供電，不需要提供電源電纜，從而降低了安裝成本。像素計(jì)數(shù)器可進(jìn)一步幫助安裝人員確認(rèn)物體像素分辨率是否滿足法規(guī)或特定客戶的要求。

2.6 通信處理模塊

要想在網(wǎng)絡(luò)通信方面具備一定的優(yōu)勢(shì)，就必須注意在通信處理模塊方面進(jìn)行良好的選擇。就目前而言，通信方式大致分為面向連接和無連接兩種方式。

本文在設(shè)計(jì)中采用了TCP/IP通信方式，這種方式的優(yōu)點(diǎn)較多，比如其不僅可為用戶提供安全、可靠的服務(wù)，而且具有數(shù)據(jù)的確認(rèn)和重組功能，可保證數(shù)據(jù)傳送的準(zhǔn)確性。

參考文獻(xiàn)

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[2]劉曙光.基于Internet的遙操作機(jī)器人系統(tǒng)控制研究[D].西安：西北工業(yè)大學(xué)，2010.

〔編輯：張思楠〕