特殊環(huán)境遠(yuǎn)程操作機(jī)器人設(shè)計(jì)

邱楠

在一些人不能進(jìn)入的特殊環(huán)境中，如有毒氣體或核污染的環(huán)境，需要一種特殊的機(jī)器人能夠?yàn)槿祟愡M(jìn)行某些操作。筆者通過(guò)研究手勢(shì)控制相關(guān)資料[1-6]，設(shè)計(jì)了一種特殊環(huán)境遠(yuǎn)程操作機(jī)器人。該機(jī)器人由智能感應(yīng)手套和搭載機(jī)械手、機(jī)械臂的智能小車組成，能夠使人體通過(guò)簡(jiǎn)單的手套進(jìn)行簡(jiǎn)單的手勢(shì)操作，完成某些人類不能進(jìn)入的特殊環(huán)境中的操作。

1特殊環(huán)境遠(yuǎn)程操作機(jī)器人介紹

特殊環(huán)境遠(yuǎn)程操作機(jī)器人主要由智能感應(yīng)手套和機(jī)器人智能小車組成。其中機(jī)器人智能小車包括了手勢(shì)控制車、機(jī)械旋轉(zhuǎn)臂和機(jī)械手。在一次行為指令完成過(guò)程中，智能感應(yīng)手套通過(guò)傳感器對(duì)人手指運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行感應(yīng)（如手指彎曲檢測(cè)傳感器對(duì)應(yīng)彎曲角度指令），將感應(yīng)到的數(shù)據(jù)信息通過(guò)單片機(jī)和無(wú)線射頻模塊進(jìn)行處理傳遞給手勢(shì)控制車、機(jī)械旋轉(zhuǎn)臂和機(jī)械手，使有需要者可以通過(guò)手勢(shì)準(zhǔn)確遠(yuǎn)程控制搭載了仿人機(jī)械手及機(jī)械臂的移動(dòng)平臺(tái)，從而輔助完成受限行動(dòng)。相比于曰前較為廣泛的運(yùn)用圖像識(shí)別技術(shù)實(shí)現(xiàn)手勢(shì)控制的方法，該算法無(wú)需借助手機(jī)、電腦、攝像頭等其他電子設(shè)備，最直觀的控制仿人機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)，有效提高了仿人機(jī)械手操作性能和作業(yè)水平。

2各部分組成及工作原理

2.1智能感應(yīng)手套組成及工作原理

特殊環(huán)境遠(yuǎn)程操作機(jī)器人智能感應(yīng)手套的主體模塊由開源硬件單片機(jī)（Arduino）、彎曲度傳感器、六軸陀螺儀和無(wú)線射頻模塊（XBee）組成，實(shí)物圖如圖1所示。通過(guò)彎曲度傳感器感知五根手指的手勢(shì)及手腕的彎曲，由六軸陀螺儀捕捉手部的空間位置及移動(dòng)，以無(wú)線射頻作為通訊工具，并將這些功能用單片機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程手勢(shì)控制目的。

感應(yīng)遙控控制手套的陀螺儀在工作過(guò)程中主要通過(guò)橫滾角（roll）、俯仰角（pitch）及航向角（yaw）的變化來(lái)完成機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。

彎曲度傳感器可隨其彎曲連續(xù)的改變阻值，其與手指彎曲度保持一致。阻值由arduinoIDE中預(yù)設(shè)的程序由單片機(jī)的模擬串口接收，同時(shí)將其轉(zhuǎn)化為1024個(gè)高低電平信號(hào)。與單片機(jī)連接的電腦可檢測(cè)出其中的高或低電頻信號(hào)數(shù)量（以下簡(jiǎn)稱“pwm”值），將其轉(zhuǎn)化為預(yù)設(shè)變量的值。

與智能感應(yīng)手套相連接的為傳送端XBee模塊與傳送端單片機(jī)，當(dāng)智能感應(yīng)手套上傳感器對(duì)手勢(shì)進(jìn)行感應(yīng)后，將感應(yīng)到的信息傳遞給傳送端XBee模塊與傳送端單片機(jī)進(jìn)行處理。

2.2智能車組成及其工作原理

為了實(shí)現(xiàn)特殊環(huán)境遠(yuǎn)程操作機(jī)器人遠(yuǎn)距離的操作和自由運(yùn)動(dòng).筆者研制了通過(guò)手勢(shì)控制的智能車模型，（如圖2所示）。該模型主體由接收端XBee模塊與接收端單片機(jī)、JY61空間運(yùn)動(dòng)傳感器（簡(jiǎn)稱“陀螺儀”）、自主設(shè)計(jì)搭建的智能車組成。該接收端單片機(jī)和XBee模塊與上述傳送端XBee模塊與傳送端單片機(jī)進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的連接，最終實(shí)現(xiàn)信息的傳送。

2.2.1智能車運(yùn)動(dòng)機(jī)理

智能車的運(yùn)動(dòng)主要通過(guò)陀螺儀角度的變化控制。其運(yùn)動(dòng)機(jī)理主要表現(xiàn)為以下兩個(gè)方面。

①利用智能感應(yīng)手套上的陀螺儀橫滾角變化控制小車前進(jìn)與后退

該部分的制作與研究中，調(diào)試了JY61空問(wèn)運(yùn)動(dòng)傳感器，成功將其數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)榭捎?jì)算的角度數(shù)據(jù)，完成對(duì)手部運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的捕捉。將角度值通過(guò)一定算法轉(zhuǎn)化小車兩馬達(dá)的pwm值，控制兩馬達(dá)的電壓值，進(jìn)而控制馬達(dá)的轉(zhuǎn)速，以實(shí)現(xiàn)將手部的超過(guò)一定范圍的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)轉(zhuǎn)化為小車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的目標(biāo)。同時(shí)，通過(guò)XBee完成了智能感應(yīng)手套與小車的無(wú)線通訊，從而實(shí)現(xiàn)了手套對(duì)執(zhí)行端進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

為了通過(guò)手勢(shì)變化來(lái)控制小車前后的運(yùn)動(dòng)，筆者選擇調(diào)用陀螺儀讀數(shù)中的俯仰角（pitch）的值，并基于arduino中脈沖寬度調(diào)制方法（pwm），來(lái)控制智能車電機(jī)的電壓值，而電機(jī)電壓值就可以用來(lái)反映電機(jī)相對(duì)的轉(zhuǎn)速。

②利用智能感應(yīng)手套上的陀螺儀橫滾角變化控制小車左右滑移

在智能車上使用了麥克納姆輪。這種輪胎的特點(diǎn)是在保持朝向不變的情況下，能夠?qū)崿F(xiàn)平面內(nèi)的滑移。尤其針對(duì)室內(nèi)障礙較多的復(fù)雜環(huán)境，該輪胎更體現(xiàn)了全方位無(wú)死角的運(yùn)動(dòng)優(yōu)勢(shì)，能夠?yàn)樘厥猸h(huán)境工作人員的相關(guān)操作提供更好的幫助。

在發(fā)送端程序中，將陀螺儀輸出的橫滾角（roll）通過(guò)算法轉(zhuǎn)化成了四個(gè)電機(jī)不同的pwm值，以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)輸入電壓的控制，進(jìn)而完成智能車的左右滑移。

2.2.2機(jī)械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

手勢(shì)控制機(jī)械臂具有四個(gè)自由度，可以實(shí)現(xiàn)靈活度較高的操作指令，其本身移動(dòng)范圍也可以滿足普通任務(wù)的需求，達(dá)到手勢(shì)控制的日的。手勢(shì)控制機(jī)械臂實(shí)物圖如圖3所示。

在該部分中，將陀螺儀和彎曲度傳感器在智能感應(yīng)手套上結(jié)合，通過(guò)陀螺儀感知手部的空問(wèn)位置及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，通過(guò)腕部的彎曲度傳感器捕捉手腕抬落變化，再經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理完成了對(duì)機(jī)械臂上各個(gè)舵機(jī)的控制，從而達(dá)到機(jī)械臂實(shí)時(shí)模擬小臂動(dòng)作的效果。最終實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂和仿人機(jī)械手結(jié)合。

3結(jié)論與展望

結(jié)合上述特殊環(huán)境遠(yuǎn)程操作機(jī)器人設(shè)計(jì)及其工作原理的闡述，得出以下結(jié)論：

（1）本文提出了一種特殊環(huán)境遠(yuǎn)程操作機(jī)器人，能夠成功地解決特殊環(huán)境工作人員行動(dòng)受限的難題。

（2）本文研究了特殊環(huán)境遠(yuǎn)程操作機(jī)器人各個(gè)組成部分的工作機(jī)理并對(duì)其性能進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果表明設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)程操作機(jī)器人性能穩(wěn)定，能夠幫助工作人員在特殊領(lǐng)域完成相應(yīng)的工作任務(wù)。

（3）特殊環(huán)境遠(yuǎn)程操作機(jī)器人無(wú)需借助手機(jī)、電腦、攝像頭等其他電子設(shè)備，可直觀控制仿人機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)，有效提高了仿人機(jī)械手操作性能和作業(yè)水平，可適應(yīng)多種不同環(huán)境的應(yīng)用需求，易于推廣與應(yīng)用。