小型防爆機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)

傅曉平 陳建國(guó)

摘 要：隨著機(jī)器人在各領(lǐng)域的發(fā)展，小型防爆機(jī)器人在快速偵測(cè)、排除公共場(chǎng)所可疑危險(xiǎn)品等優(yōu)勢(shì)逐漸顯現(xiàn)。文中對(duì)小型防爆機(jī)器人的工作原理進(jìn)行了研究，提出了通過(guò)遠(yuǎn)程圖傳及無(wú)線搖桿控制器，能夠在遠(yuǎn)處觀測(cè)現(xiàn)場(chǎng)情況，并操作搖桿控制機(jī)器人執(zhí)行動(dòng)作指令，完成排險(xiǎn)和防爆任務(wù)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。系統(tǒng)主要由雙履帶底盤(pán)、雙機(jī)械臂、云臺(tái)、主控模塊和多種輔助傳感器構(gòu)成。

關(guān)鍵詞：STM32F03ZET6控制器；雙機(jī)械臂；防爆機(jī)器人；圖傳

中圖分類號(hào)：TP39；TM50 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2018）09-00-04

0 引 言

二十一世紀(jì)以來(lái)，隨著智能科技在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域的發(fā)展，智能機(jī)器人[1]的發(fā)展也隨之取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，智能機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域也不斷擴(kuò)展，人們希望機(jī)器人能夠靈活地適應(yīng)各種工作環(huán)境，完成更多復(fù)雜任務(wù)?？蛇h(yuǎn)程監(jiān)視及操控的機(jī)器人具有優(yōu)越的機(jī)動(dòng)性和靈活性，在實(shí)際中得到了廣泛應(yīng)用[2-3]，如公共場(chǎng)所、交通、醫(yī)療、軍事等領(lǐng)域。本文涉及的可遠(yuǎn)程監(jiān)視及操控的移動(dòng)機(jī)器人為保證公共場(chǎng)所安全執(zhí)行巡邏、排險(xiǎn)、防爆等任務(wù)，具有重要的社會(huì)作用。

1 小型防爆機(jī)器人系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)如圖1所示。

2 雙履帶底盤(pán)設(shè)計(jì)

考慮到小型防爆機(jī)器人所面臨的排爆環(huán)境因素較為復(fù)雜，因而對(duì)移動(dòng)平臺(tái)有多方面的要求，包括越障能力、地形適應(yīng)能力、轉(zhuǎn)彎效率、載重能力等。對(duì)比常用的三種底盤(pán)，輪式底盤(pán)、履帶底盤(pán)和腿式底盤(pán)，綜合三者的優(yōu)缺點(diǎn)和對(duì)公共場(chǎng)所的適應(yīng)性，本系統(tǒng)選擇雙履帶式底盤(pán)。

由于本系統(tǒng)使用的模塊較多，質(zhì)量較重，因此底盤(pán)的剛性要強(qiáng)，否則易造成車輛變形，影響機(jī)器人行走。因而雙履帶式底座在整體結(jié)構(gòu)上采用仿坦克型，材料上兼顧機(jī)器人的輕便性，與電機(jī)固定的底板承受著整個(gè)機(jī)器人的重量，材質(zhì)為不銹鋼，上部的蓋板主要承受機(jī)械臂和云臺(tái)的重量，材質(zhì)為8 mm厚的亞克力板。

3 雙機(jī)械臂設(shè)計(jì)

3.1 雙機(jī)械臂機(jī)構(gòu)

機(jī)械臂是小型防爆機(jī)器人的重要外設(shè)，承擔(dān)著抓取、搬運(yùn)、放下等動(dòng)作任務(wù)。因而要求機(jī)械臂具有機(jī)構(gòu)比例適當(dāng)、可活動(dòng)的關(guān)節(jié)和可靠的抓取裝置。對(duì)比單只機(jī)械手和多只機(jī)械手的優(yōu)缺點(diǎn)，雖然多只機(jī)械手在機(jī)構(gòu)上更加復(fù)雜、控制更加困難，但多只機(jī)械手可協(xié)同作業(yè)使操作性更加靈活，操作空間范圍更廣，更符合執(zhí)行多樣性任務(wù)的小型防爆機(jī)器人的要求。同時(shí)自由度對(duì)機(jī)械臂的動(dòng)作執(zhí)行效果影響較大，自由度較少時(shí)，機(jī)械臂能夠執(zhí)行的動(dòng)作較少、靈活性差，但其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性強(qiáng)；自由度較多時(shí)，機(jī)械臂能夠執(zhí)行的動(dòng)作較多，靈活性好，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可靠性差。

本系統(tǒng)采用兩個(gè)自由度為5的機(jī)械臂，并各配有一個(gè)機(jī)械爪，整體較靈活，如圖2所示。

其中雙機(jī)械臂中主要使用了數(shù)字舵機(jī)作為動(dòng)力來(lái)源。數(shù)字舵機(jī)在體積和質(zhì)量上優(yōu)于步進(jìn)電機(jī)，更適合小型機(jī)械裝置，只需PWM信號(hào)就可完成精確控制。同時(shí)為了減輕機(jī)械臂的重量，關(guān)節(jié)連接件均選用鋁材料。

3.2 雙機(jī)械臂的控制

為提高系統(tǒng)指令的響應(yīng)速度和使機(jī)械臂模塊化，運(yùn)用舵機(jī)控制板控制機(jī)械臂上的數(shù)字舵機(jī)，分擔(dān)主控STM32處理器的處理的數(shù)據(jù)量。舵機(jī)控制板以微型控制器STM32F03VET6為核心，通過(guò)USART與主控板通信，輸出PWM信號(hào)給數(shù)字舵機(jī)，最多可同時(shí)控制24個(gè)數(shù)字舵機(jī)。

3.3 雙機(jī)械臂性運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

機(jī)器人操作手通常為開(kāi)鏈空間連桿機(jī)構(gòu)，各桿件間通常由轉(zhuǎn)動(dòng)副和移動(dòng)副相連接。開(kāi)鏈一段安裝在基座上，另一端為末端執(zhí)行器。各關(guān)節(jié)由驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)，關(guān)節(jié)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)引起連桿的運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而確定末端執(zhí)行器在空間的位置和姿態(tài)。齊次坐標(biāo)和齊次變換是解決機(jī)器人操作手運(yùn)動(dòng)學(xué)的常用數(shù)學(xué)

工具[4]。

采用齊次坐標(biāo)和齊次變換分析，首先列出單只機(jī)械臂結(jié)構(gòu)參數(shù)表，見(jiàn)表1所列。

運(yùn)用Matlab軟件，將表1中的數(shù)據(jù)帶入程序中，可得雙機(jī)械臂的工作空間[5]。兩個(gè)單獨(dú)機(jī)械臂工作空間重疊部分，為雙機(jī)械臂的協(xié)作空間。云空間及投影如圖3-圖6

所示。

4 云臺(tái)及圖傳設(shè)計(jì)

云臺(tái)及圖傳如同小型防爆機(jī)器人的眼睛，需采集現(xiàn)場(chǎng)畫(huà)面信息并通過(guò)無(wú)線傳輸給操作人員，因此云臺(tái)結(jié)構(gòu)以能夠提供更多視覺(jué)角度為設(shè)計(jì)原則。

云臺(tái)模塊由三個(gè)數(shù)字舵機(jī)和直流推桿組成，并配有舵機(jī)控制板，使用統(tǒng)一的串口通信格式與主控模塊通信，從而控制云臺(tái)。云臺(tái)的直流推桿可調(diào)節(jié)云臺(tái)的高度，使得小型防爆機(jī)器人能從較高處采集視覺(jué)信息，避免因高大的障礙物遮擋而無(wú)法觀測(cè)。云臺(tái)的最頂端配有圖傳模塊和燈光補(bǔ)償裝置，使機(jī)器人可在不同環(huán)境下從更多角度采集視頻信息。

圖傳模塊由攝像機(jī)、圖傳發(fā)射機(jī)和視頻接收器組成。攝像機(jī)輸出AV信號(hào)給圖傳發(fā)射機(jī)，圖傳發(fā)射機(jī)通過(guò)無(wú)線傳輸給視頻接收機(jī)，視頻接收機(jī)接收數(shù)據(jù)并解析，從而完成圖像傳輸。攝像機(jī)選用的是具有F2.8光圈和155°超廣角小蟻運(yùn)動(dòng)攝像機(jī)，能夠提供更優(yōu)質(zhì)的圖像信息。圖傳發(fā)射機(jī)選用奧姆威5.8 G圖傳發(fā)射機(jī)，發(fā)射頻率為5.8 GHz，四級(jí)可調(diào)功率，具有40個(gè)可調(diào)頻道。視頻接收器選用7寸內(nèi)置5.8雙路接收一體機(jī)顯示器，分辨率為800×480。

燈光補(bǔ)償裝置選用四個(gè)功率為2 W的高亮LED燈組成的LED燈模塊。主控模塊可以輸出的控制信號(hào)通過(guò)L298N驅(qū)動(dòng)電路，來(lái)控制LED燈的開(kāi)關(guān)，為小型防爆機(jī)器人提供燈光補(bǔ)償。

5 主控模塊與輔助傳感器

機(jī)器人主控模塊采用微型控制器STM32F03 ZET6。STM32系列微控制器是由意法半導(dǎo)體公司以ARM Cortex-M3為內(nèi)核開(kāi)發(fā)生產(chǎn)的32位微控制器，專為高性能、低成本的嵌入式應(yīng)用設(shè)計(jì)。STM32F03ZET6為“增強(qiáng)型”系列，最高工作頻率為72 MHz，內(nèi)置高速存儲(chǔ)器（最高可達(dá)512 kB的閃存和64 kB的SRAM），擁有豐富的外設(shè)資源，12通道的DMA控制器、16通道的A/D轉(zhuǎn)換器、最高達(dá)112個(gè)快速I/O口（I/O口翻轉(zhuǎn)速度可達(dá)18 MHz）和11個(gè)定時(shí)器等，還具有多個(gè)通信接口方便與外接模塊通信[6]。開(kāi)發(fā)人員可在Keil軟件上編譯好程序，通過(guò)下載器下載到芯片中，完成在線調(diào)試。

主控模塊通過(guò)通信指令控制輔助傳感器采集和發(fā)送數(shù)據(jù)，從而使小型防爆機(jī)器人能夠完成周圍環(huán)境信息采集，接受數(shù)據(jù)并將信息回傳搖桿控制器。主要的輔助傳感器包括無(wú)線通信模塊、GPS模塊和電子羅盤(pán)模塊。

GPS的作用在于能夠獲取小型防爆機(jī)器人的室外定位信息，操作人員能實(shí)時(shí)了解小型防爆機(jī)器人所處的位置。GPS模塊使用U-BLOX公司生產(chǎn)的以NEO-7N為內(nèi)核的衛(wèi)星定位器，最高定位精度為2.5 m。模塊上搭載微處理器，可解析GPS模塊中的原始數(shù)據(jù)，并通過(guò)串口將定位信息傳到主控模塊。

電子羅盤(pán)模塊采用體積小、功耗小的AHRS模塊GY953，將得到的三軸陀螺儀、三軸加速度計(jì)和三軸磁力計(jì)的數(shù)據(jù)利用四元數(shù)進(jìn)行互補(bǔ)融合，解算出姿態(tài)角[7]，從而得到小型防爆機(jī)器人姿態(tài)數(shù)據(jù)。其中的融合算法運(yùn)算量較大，占用的CPU資源較多，因而由配有的微處理器處理，將數(shù)據(jù)結(jié)果通過(guò)串口傳回主控模塊。使用額外處理器能夠大大節(jié)省主控模塊的CPU資源，從而加快整個(gè)系統(tǒng)的響應(yīng)速度[8]。

無(wú)線通信模塊采用的是SX1278/76射頻模塊，通信方式為USART串行接口。射頻模塊功率為1 W（30 dBm），SX1278/SX1276芯片方案采用先進(jìn)的LoRa擴(kuò)頻技術(shù)[9]，通信距離為8 000 m，抗干擾能力強(qiáng)。在地域復(fù)雜的情況下，保證通過(guò)搖桿控制器能對(duì)小型防爆機(jī)器人平臺(tái)進(jìn)行有效控制。

串口通信[10]是一種常見(jiàn)的數(shù)據(jù)通信方式。串口通信按位發(fā)送和接收字節(jié)，僅使用3條線TX，RX和地線，并在微處理器中進(jìn)行簡(jiǎn)單的初始化配置，就可完成數(shù)據(jù)傳輸。本系統(tǒng)中無(wú)線通信模塊與主控模塊之間的串口通信，采用的是半雙工單線通信方式，波特率為9 600 b/s。

6 軟件設(shè)計(jì)

小型防爆機(jī)器人平臺(tái)的程序流程如圖7所示。系統(tǒng)通電后，各模塊初始化。若有模塊初始化不成功，蜂鳴器響起，提示操作人員。各模塊初始化后，系統(tǒng)進(jìn)入循環(huán)，依次讀取通信模塊的數(shù)據(jù)、模塊數(shù)據(jù)，對(duì)通信數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析，判斷通信數(shù)據(jù)包是否正確。若數(shù)據(jù)正確，刷新所顯示的通信數(shù)據(jù)，否則LED閃爍，重新讀取數(shù)據(jù)。當(dāng)通信數(shù)據(jù)正確，將它模塊數(shù)據(jù)比較，確定系統(tǒng)是否可執(zhí)行，防止操作人員誤操作，保證系統(tǒng)的可靠性。若可操作，則執(zhí)行并讀取執(zhí)行指令后的模塊數(shù)據(jù)，再發(fā)送模塊數(shù)據(jù)，否則直接發(fā)送模塊數(shù)據(jù)，進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)。

搖桿控制器的程序流程如圖8所示。系統(tǒng)通電后，各模塊初始化，判斷各模塊初始化是否成功，若初始化成功，則進(jìn)入循環(huán)，否則蜂鳴器響起，提醒操作人員。依次讀取遙感數(shù)據(jù)、編碼遙感數(shù)據(jù)、發(fā)送遙感數(shù)據(jù)，刷新所顯示的遙感數(shù)據(jù)。再讀取通信模塊數(shù)據(jù)，判斷通信模塊數(shù)據(jù)是否正確，若數(shù)據(jù)正確，則刷新所顯示的通信模塊數(shù)據(jù)進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)，否則LED閃爍，重新開(kāi)始讀取數(shù)據(jù)。

7 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)小型防爆機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)，制作出一臺(tái)可通過(guò)遠(yuǎn)程圖傳及無(wú)線搖桿進(jìn)行控制的小型防爆機(jī)器人，如圖9所示。通過(guò)屏幕觀測(cè)遠(yuǎn)處的現(xiàn)場(chǎng)情況，操作搖桿控制機(jī)器人完成各種動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)在公共場(chǎng)所活動(dòng)中，幫助安保人員執(zhí)行巡邏、排險(xiǎn)、防爆等任務(wù)，具有廣范的應(yīng)用價(jià)值和前景。

參考文獻(xiàn)

[1]孟慶春，齊勇，張淑軍，等. 智能機(jī)器人及其發(fā)展[J].中國(guó)海洋大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2004（5）：831-838.

[2]方向，高振儒，周守強(qiáng)，等. 反爆炸恐怖襲擊防排爆技術(shù)綜述 [J].中國(guó)工程科學(xué)，2013（5）：80-83.

[3]莫海軍，吳少煒.排爆機(jī)器人及相關(guān)技術(shù)[J].機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用，2005（4）：31-36.

[4]孟慶鑫，王曉東.機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2009：52-74.

[5]寇彥云，萬(wàn)熠，趙修林，等.震救援雙臂機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)學(xué)分析[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2016（10）：142-146.

[6]彭剛，秦志強(qiáng). 基于ARM Cortex-M3的STM32系列嵌入式微控制器應(yīng)用實(shí)踐[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2011.

[7]關(guān)越魏，何波賢，于仁清，等. 基于四元數(shù)解算陀螺儀姿態(tài)角算法的實(shí)現(xiàn)[J]電腦編程技巧與維護(hù)，2015（9）：32-34.

[8]李瑞峰，亢雪英.基于雙DSP的防爆機(jī)器人控制器的設(shè)計(jì)[J].制造業(yè)自動(dòng)化，2005（7）：43-45，64.

[9]龍維珍，覃琳，孫衛(wèi)寧.LoRa傳輸技術(shù)特性分析[J].企業(yè)科技與發(fā)展，2017（5）：108-110.

[10]勾慧蘭，劉光超.基于STM32的最小系統(tǒng)及串口通信的實(shí)現(xiàn)[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2012（9）： 26-28.