多足機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

江志偉 李勝剛 蔣胤冰

摘要：隨著工業(yè)機(jī)器人向更深、更遠(yuǎn)、更廣、方向發(fā)展以及機(jī)器人智能化水平的提高，機(jī)器人的應(yīng)用范圍還在不斷地?cái)U(kuò)大，機(jī)器人正在為人類生活質(zhì)量發(fā)揮著重要的作用?，F(xiàn)實(shí)生活中常見的機(jī)器人一般為輪式和履帶式機(jī)器人，通過輪和履帶來實(shí)現(xiàn)行走，遇到復(fù)雜地形則難以實(shí)現(xiàn)正常行走，在某些方面已經(jīng)很難達(dá)到人們期望的要求，基于此背景下，為了提高機(jī)器人的環(huán)境適應(yīng)能力，本課題開發(fā)的多足機(jī)器人協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，以適應(yīng)不同環(huán)境，從而提高工作效率。

關(guān)鍵詞：MQTT;HTTP;多足控制;物聯(lián)網(wǎng)

中圖分類號(hào)： TP311? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2020）32-0192-03

近年來，由于人工智能的爆發(fā)式發(fā)展，眾多的智能仿生機(jī)器人爭先亮相。但是在機(jī)器人研究領(lǐng)域中，傳統(tǒng)的移動(dòng)機(jī)器人依然占有十分重要的地位。本課題設(shè)計(jì)的是一套多足機(jī)器人控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)是基于機(jī)器人硬件結(jié)構(gòu)上的軟件模式創(chuàng)新，即自主開發(fā)的一套六足機(jī)器人控制系統(tǒng)，包括硬件，Android終端，和服務(wù)器后端，該系統(tǒng)經(jīng)個(gè)人測試已經(jīng)成功運(yùn)行。本項(xiàng)目是基于硬件結(jié)構(gòu)上進(jìn)行優(yōu)化其軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。創(chuàng)意點(diǎn)在于控制模式的多樣性，構(gòu)建其與其他機(jī)器人的協(xié)同控制系統(tǒng)。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 國內(nèi)現(xiàn)狀

廣州大學(xué)華軟軟件學(xué)院電子系何等人開發(fā)了一套六足消防機(jī)器人，其團(tuán)隊(duì)采用s5p6818為主控制核心，，STM32為檢測系統(tǒng)，利用Android平臺(tái)，通過WIFI攝像頭以及傳感器對(duì)火災(zāi)現(xiàn)場環(huán)境信息實(shí)時(shí)采集、存儲(chǔ)，完成手機(jī)終端與機(jī)器人的實(shí)時(shí)通訊，最終實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和機(jī)器人的直線路徑、轉(zhuǎn)彎步態(tài)的規(guī)劃和控制等功能。

長沙環(huán)境保護(hù)職業(yè)技術(shù)學(xué)院繼續(xù)教育部楊等人，設(shè)計(jì)了一套采摘機(jī)器人的遠(yuǎn)程操作系統(tǒng)。借助大數(shù)據(jù)Hadoop技術(shù)原理以及架構(gòu)的研究，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的定位導(dǎo)航算法，同時(shí)完成了硬件以及軟件的設(shè)計(jì)，符合設(shè)計(jì)需求，對(duì)采摘機(jī)器人的遠(yuǎn)程控制具有一定的積極意義。

1.2 國外現(xiàn)狀

日本的某位教授首先提出蛇形機(jī)器人理念，并在20世紀(jì) 70 年代研制出了第一個(gè)蛇形機(jī)器人，較為典型的有日本的 Snakebot 機(jī)器人，能夠深入到災(zāi)難后廢墟的每個(gè)小角落，Sherbrook 大學(xué)研制的 AZIMUT 機(jī)器人，其主要特點(diǎn)是根據(jù)環(huán)境與任務(wù)的不同隨機(jī)改變自身形態(tài)。近日，意大利的Pembangunan Jay開發(fā)了一種低成本W(wǎng)iFi助教機(jī)器人。該機(jī)器人是一種三輪機(jī)器人搭載機(jī)械手，在機(jī)械手中使用WiFi模塊與智能手機(jī)相配對(duì)，通過互聯(lián)網(wǎng)連接Blynk IoT平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作，是一種用于教育輔助工具的WiFi多足型機(jī)器人。

2 整體結(jié)構(gòu)

本項(xiàng)目采用的整體結(jié)構(gòu)是六足機(jī)器人與機(jī)械手相結(jié)合。對(duì)比輪式機(jī)器人以及單足機(jī)器人，六足機(jī)器人有著更加卓越的應(yīng)對(duì)復(fù)雜地形的能力。并且在六足的基礎(chǔ)之上，搭載了六個(gè)自由度的機(jī)械手?，F(xiàn)在市面上的機(jī)械手80%為工業(yè)機(jī)械手，其體型巨大，不能移動(dòng)，功能單一，而本項(xiàng)目的創(chuàng)意增加了機(jī)械手的靈活性，可實(shí)現(xiàn)抓取的動(dòng)作，亦增加了六足機(jī)器人的功能性。機(jī)械手可替換成其他功能的器件，適應(yīng)不同的場景和需求。同時(shí)整體結(jié)構(gòu)可與其他機(jī)器人構(gòu)建協(xié)同工作系統(tǒng)。硬件端為機(jī)器人（群）系統(tǒng)，借助WiFi模塊，使用MQTT協(xié)議上傳數(shù)據(jù)至服務(wù)器端，并由服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)至客戶端。

3 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)為機(jī)器人控制核心，控制舵機(jī)（動(dòng)作）以及攝像頭（視覺），并預(yù)留動(dòng)作接口，與通信核心板進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。通信核心處理各類傳感器信息并驅(qū)動(dòng)WiFi模塊與服務(wù)器進(jìn)行通信，進(jìn)而轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)至客戶端。同時(shí)接收遠(yuǎn)端發(fā)出的動(dòng)作指令，并通過串口驅(qū)動(dòng)機(jī)器人控制核心，執(zhí)行動(dòng)作。硬件框圖如圖1所示。

4 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)均為自主開發(fā)。Android APP使用Android? Studio安卓編程軟件，開發(fā)與機(jī)器人配套的APP硬件端軟件流程圖如圖2所示，單片機(jī)編程：機(jī)械手與移動(dòng)底盤六足式機(jī)器人底層代碼都采用Keil編寫，用于控制機(jī)械手多個(gè)舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。

同時(shí)搭載WiFi模塊和溫濕度等傳感器，編程使其與手機(jī)App聯(lián)機(jī)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的運(yùn)作控制。同時(shí)，每個(gè)機(jī)器人單獨(dú)開發(fā)，通過自定義的指令協(xié)議，使用串口通信實(shí)現(xiàn)對(duì)六足和機(jī)械手軟件系統(tǒng)合并與協(xié)作運(yùn)行。

上位機(jī)軟件采用Java語言編寫，機(jī)械手和移動(dòng)底盤六足式機(jī)器人分別與PC機(jī)通過有線相連接，通過串口通信，可對(duì)機(jī)器人動(dòng)作組添加、調(diào)試，以適應(yīng)不同地形。

5 特色亮點(diǎn)

5.1 硬件設(shè)備創(chuàng)意

本項(xiàng)目創(chuàng)新性地將機(jī)械手的運(yùn)行方式，從傳統(tǒng)的調(diào)整舵機(jī)角度控制調(diào)整為三維坐標(biāo)控制，不僅運(yùn)行動(dòng)作簡單干練，還大幅度地降低了對(duì)于傳統(tǒng)方式的計(jì)算精力，減少了計(jì)算與試驗(yàn)時(shí)間，可由手機(jī)等移動(dòng)設(shè)備操縱，更為實(shí)驗(yàn)演示所需要的高效率提供了重要的基礎(chǔ)。六足機(jī)器人可拆裝成為四足等機(jī)器人，其上的機(jī)械手可替換成噴射水或粉末的裝置，或是加上攝像頭等傳感裝置。

5.2 控制模式創(chuàng)新

多個(gè)機(jī)器人可通過組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)多種控制模式。根據(jù)實(shí)際需求，選擇相適應(yīng)的控制模式?？刂颇Ｊ秸w框圖如圖3所示。

一對(duì)多控制模式，適用于需要多個(gè)機(jī)器人協(xié)同工作情景，本模式中，各個(gè)機(jī)器人將自動(dòng)接入控制端，實(shí)現(xiàn)多用戶交互;單機(jī)器人控制模式，控制端主動(dòng)連接搭載在機(jī)器人上的WiFi，相比較于多鏈接模式接入更迅速;遠(yuǎn)程模式，使用云服務(wù)器，通過MQTT或HTTP協(xié)議，手機(jī)App對(duì)機(jī)器人遠(yuǎn)距離控制，亦可進(jìn)行異地操作，實(shí)現(xiàn)控制距離最大化;自動(dòng)避障模式，六足機(jī)器人上搭載的超聲波測距模塊，可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自動(dòng)避障模式。連接控制模式上的多樣性。使用無線WiFi控制和自主開發(fā)的手機(jī)App與機(jī)器人進(jìn)行交互。通過軟件編程，摒棄傳統(tǒng)的PS手柄和有線控制模式。

模式一：多鏈接模式。本項(xiàng)目使用了2個(gè)機(jī)器人進(jìn)行系統(tǒng)測試，雙足機(jī)器人作為六足式機(jī)械手機(jī)器人的輔助，進(jìn)行系統(tǒng)測試。優(yōu)點(diǎn)：多用戶交互，可在同一運(yùn)行下同時(shí)控制多個(gè)機(jī)器人共同運(yùn)作;如圖4所示。

模式二：單連接模式。通過連接了搭載在機(jī)器人上的WiFi，可迅速接入。優(yōu)點(diǎn)：操作便利方便，且啟動(dòng)迅捷;如圖5所示。

模式三：遠(yuǎn)程控制。使用阿里云，在阿里云中搭建MQTT服務(wù)器，機(jī)器人接入后可通過手機(jī)App進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。優(yōu)點(diǎn)：實(shí)現(xiàn)控制距離的最大化;如圖6所示。

模式四：自動(dòng)模式。搭載一個(gè)超聲波測距傳感器，簡單地實(shí)現(xiàn)超聲波直線方向避障。在App中集成自動(dòng)控制指令，用戶即可脫離手動(dòng)，使機(jī)器人進(jìn)入自動(dòng)避障模式。優(yōu)點(diǎn)：自動(dòng)模式，智能化。

本項(xiàng)目的設(shè)計(jì)在系統(tǒng)操作上簡單易于上手，支持電腦端控制和手機(jī)App控制的控制方式，并且在給定特定指令接口的情況下，用戶可根據(jù)需要自行擴(kuò)展控制方式，適合各年齡階段的人使用。

6 總結(jié)

6.1 技術(shù)成果

本課題在各類大賽（如參加物聯(lián)網(wǎng)類、機(jī)器人類）中多次獲獎(jiǎng)，并根據(jù)專家們的指導(dǎo)進(jìn)行了完善和進(jìn)一步的開發(fā)。

6.2 改進(jìn)計(jì)劃

在后期的優(yōu)化中，機(jī)械手六足式機(jī)器人可作為在小型災(zāi)后救援機(jī)器人，方便進(jìn)入救援人員難以進(jìn)入的地方，進(jìn)行勘探取樣，改進(jìn)后亦可以用于運(yùn)輸物資。另一方面，若在視覺方面集中研究，使機(jī)器人具有通過視覺圖像識(shí)別物體的能力，可實(shí)現(xiàn)通過辨別，在眾多物體中抓取想要的物體，則會(huì)有更加廣闊的應(yīng)用前景。

同時(shí)，從研究的角度看，多機(jī)器人協(xié)調(diào)研究比單機(jī)器人增加了許多新問題，主要有：1）復(fù)雜協(xié)調(diào)任務(wù)的描述;2）同一工作空間中多機(jī)器人協(xié)調(diào)和集中;3）多機(jī)器人協(xié)調(diào)系統(tǒng)的自適應(yīng)控制;4）多機(jī)器人協(xié)調(diào)系統(tǒng)的負(fù)載分配;5）以多傳感器為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)檢測和障礙描述;6）多機(jī)器人協(xié)調(diào)系統(tǒng)的建模和控制結(jié)構(gòu)的模式;7）多機(jī)器人坐標(biāo)間的標(biāo)定;8）AI技術(shù)和控制系統(tǒng)與多機(jī)器人協(xié)調(diào)系統(tǒng)的結(jié)合。為完成同一任務(wù)，多個(gè)機(jī)器人協(xié)作應(yīng)具有靈活性、低代價(jià)和高性能的優(yōu)點(diǎn)。就上述問題所而言，本項(xiàng)目控制機(jī)器人的協(xié)調(diào)工作系統(tǒng)還可在此基礎(chǔ)上完善和再次開發(fā)。

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【通聯(lián)編輯：唐一東】