機(jī)械手智能移動機(jī)器人論文

1、配置機(jī)械手的智能移動機(jī)器人摘要：本文設(shè)計(jì)一個配置機(jī)械手的智能移動機(jī)器人，可以完成一些簡單的操作，例如可以自主工作，使其可以按照我們所要求的路徑行走。完成基于多傳感器信息融合技術(shù)的自主定位、路徑規(guī)劃和導(dǎo)航。關(guān)鍵字：機(jī)器人 機(jī)械臂 傳感器系統(tǒng)Abstract：this paper design a smart mobile robot with mechanical hand, it can do some simple operations, such as do something itself, make it do what we want it to do. Complete the a

2、utonomous positioning, route planning and navigation based on multi-sensor information fusion technology.KEY WORDS: robot mechanical hand sensor system20引言：近年來移動機(jī)器人的應(yīng)用越來越廣泛，對移動機(jī)器人的研究也隨之越來越多研究移動機(jī)器的一個重要方向是實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航和有效地避開障礙物。在對常用的多傳感器數(shù)據(jù)融合算法做了概述的基礎(chǔ)上，介紹了多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)在國內(nèi)外發(fā)展的概況以及在移動機(jī)器人中的應(yīng)用情況。目前移動機(jī)器人領(lǐng)域中常用的多傳感器信息融

3、合方法有加權(quán)平均法、Kalman濾波、擴(kuò)展Kalaan濾波、Bayes估計(jì)，DempsterShaferi證據(jù)推理、模糊邏輯、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。一、移動機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)傳感器是機(jī)器人感知外部世界的直接手段。根據(jù)本文的設(shè)計(jì)，機(jī)器人需要在實(shí)現(xiàn)避障和路徑規(guī)劃的基礎(chǔ)上，完成自主式移動，因此機(jī)器人必須對其周圍環(huán)境狀況有一清楚的了解。同時(shí)，考慮到機(jī)器人涉及到不同的工作場合、成本的高低、安裝尺寸等要求，在傳感器選擇過程中首先排除了采用外部的測量，定位和導(dǎo)航系統(tǒng)(如采用標(biāo)識路標(biāo)、GPS等)的可能性。因此機(jī)器人必須依靠自身攜帶的傳感器，通過其主動探測的方式來完成對外部環(huán)境的感知。1.1總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)機(jī)器人系統(tǒng)主要由機(jī)械

4、系統(tǒng)（移動本體、前后兩個支撐輪以及左右兩個驅(qū)動輪、機(jī)械臂等）、驅(qū)動控制系統(tǒng)（控制DSP板、電機(jī)驅(qū)動板和左右兩個驅(qū)動電機(jī)、機(jī)械臂驅(qū)動板和驅(qū)動舵機(jī)等）、視覺系統(tǒng)（攝像頭、圖象采集卡等）、傳感器系統(tǒng)（紅外、接觸傳感器以及傳感器DSP板等）、上位機(jī)系統(tǒng)（Arm9板和上位機(jī)硬盤等）、電源系統(tǒng)以及人機(jī)交互系統(tǒng)（控制及指示面板）等組成。智能機(jī)器人平臺采用了主從結(jié)構(gòu)的分布式處理方式，由上位機(jī)系統(tǒng)來協(xié)調(diào)控制各個子模塊系統(tǒng)。各個子系統(tǒng)都有自己的數(shù)據(jù)處理機(jī)制，數(shù)據(jù)處理都在本模塊的DSP處理器中完成。上位機(jī)只是負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)融合、任務(wù)分解、策略選擇制定、協(xié)調(diào)控制各子模塊等工作。當(dāng)上位機(jī)需要某個模塊的數(shù)據(jù)時(shí)，子模塊向上位機(jī)提

5、供該模塊經(jīng)過處理以后的數(shù)據(jù)。由于大量的數(shù)據(jù)處理都在各個子模塊中完成，上位機(jī)得到的都是經(jīng)過處理后的小量數(shù)據(jù)，大大減少了上位機(jī)的負(fù)擔(dān)。采用這種方式既提高了上位機(jī)的效率，又增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，方便系統(tǒng)的維護(hù)。根據(jù)本課題的要求和實(shí)際工作環(huán)境，機(jī)器人的視覺系統(tǒng)主要采用了超聲波傳感器，經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)，最終采用7個收發(fā)一體超聲波傳感器，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，增加了碰撞傳感器和紅外接近傳感器來彌補(bǔ)超聲波傳感器的不足，采用兩個步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動機(jī)器人的行走。具體的系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1.1。環(huán)境接近覺傳感器接觸覺傳感器滑覺傳感器溫度覺傳感器熱覺傳感器力覺傳感器視覺傳感器視覺圖像卡傳感器信號處理電路A/DDSP電機(jī)的轉(zhuǎn)速與方向機(jī)械臂

6、的舵機(jī)電機(jī)驅(qū)動伺服電機(jī)驅(qū)動DSPDSPARM9顯示器鍵盤圖1.1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖二、移動機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)本章主要是對移動機(jī)器人控制開發(fā)板的設(shè)計(jì)，根據(jù)系統(tǒng)框圖，建立完善的配置機(jī)械手的智能移動機(jī)器人的控制系統(tǒng)。闡述控制系統(tǒng)各個模塊的原理和功能，實(shí)現(xiàn)對機(jī)器人的電路設(shè)計(jì)和開發(fā)版制作。控制系統(tǒng)意味著通過它可以按照所希望的方式保持和改變機(jī)器、機(jī)構(gòu)或其他設(shè)備內(nèi)任何感興趣或可變的量。控制系統(tǒng)同時(shí)是為了使被控制對象達(dá)到預(yù)定的理想狀態(tài)而實(shí)施的。控制系統(tǒng)使被控制對象趨于某種需要的穩(wěn)定狀態(tài)。因此，我們可以通過控制系統(tǒng)來確定機(jī)器人以及機(jī)械臂的工作方式。在整個控制系統(tǒng)中在整個控制系統(tǒng)中上位機(jī)控制系統(tǒng)主要需要實(shí)現(xiàn)為裝備的

7、操作者提供良好的人機(jī)交互界面；由于機(jī)械臂的操作通過配套的便攜式手柄來控制，所以上位機(jī)需要檢測控制手柄信號的變化并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)控制指令信號。因此下位機(jī)系統(tǒng)的控制指令需要通過上位機(jī)控制系統(tǒng)給出，同時(shí)上位機(jī)控制系統(tǒng)需要即時(shí)采集下位機(jī)及機(jī)械臂運(yùn)動狀態(tài)信息，提供給操作者。由于操作手柄、下位機(jī)都為移動設(shè)備，故上位機(jī)控制系統(tǒng)除提供有線控制方式外，還需提供相應(yīng)無線通訊系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)控制指令、運(yùn)動狀態(tài)反饋等信號幀的定義與實(shí)現(xiàn)。2.1 控制系統(tǒng) ARM9主控ARM擔(dān)負(fù)著與其他所有模塊之間的連接和對機(jī)器人的控制，它通過視覺模塊獲取環(huán)境信息，然后通過通過直流伺服模塊和手抓舵機(jī)控制模塊來驅(qū)動服務(wù)機(jī)器人各個關(guān)節(jié)進(jìn)行動作，以實(shí)

8、現(xiàn)對目標(biāo)物抓取的功能，。這要求主控ARM具有以下幾個方面的特點(diǎn)：1) 處理速度快，可以滿足系統(tǒng)要求。2) 有足夠多的I/O口，能滿足各個模塊的接口需求。3) 有多個定時(shí)器可以輸出多路PWM波形，用于對直流伺服模塊的控制。4) 開發(fā)應(yīng)用技術(shù)成熟，降低開發(fā)難度。按照系統(tǒng)要求，本文采用ARM9處理器。機(jī)器人需要有智能較高的自動控制性能與可靠的機(jī)械控制性能的同時(shí)保證。在此以ARM9處理器為核心，對基于嵌入式系統(tǒng)的智能機(jī)器人進(jìn)行了設(shè)計(jì)。2.2 驅(qū)動系統(tǒng)電機(jī)驅(qū)動是主要的驅(qū)動系統(tǒng)，電機(jī)是移動機(jī)器人的動力源泉，目前移動機(jī)器人領(lǐng)域應(yīng)用較多的是步進(jìn)電機(jī)和直流電機(jī)兩種。步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動方法可以細(xì)分為以下兩種：通過CP

9、U直接來驅(qū)動和通過CPU來間接驅(qū)動1。由于步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動所需的電流脈沖較大，而CPU引腳輸出的電流是特別小的，所以一般不能直接CPU驅(qū)動的方法；而利用CPU來間接驅(qū)動的話，可以將CPU輸出的微小電流信號放大到能夠驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)的程度，進(jìn)而就可以直接驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)或是再利用光電隔離更有效地對電機(jī)進(jìn)行間接驅(qū)動，相比于第一種，這是安全有效的方法。因此本文中通過CPU來間接驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)。由上文中分析可知，本設(shè)計(jì)宜采取通過CPU來間接驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)的方式，適合這種驅(qū)動方式的芯片有很多，常用的芯片是TB6560和L298。L298可以驅(qū)動兩個兩相的步進(jìn)電機(jī)或一個四相步進(jìn)電機(jī)，但驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)時(shí)需要L297配合使用

10、，而TB6560是一個多輸入多輸出的驅(qū)動芯片且不需要其它芯片來配合使用，故本次設(shè)計(jì)選用TB6560作為步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動芯片。本設(shè)計(jì)采用專用小型直流電機(jī)驅(qū)動芯片，使系統(tǒng)的設(shè)計(jì)核心在單片機(jī)的控制上。這個方案的優(yōu)點(diǎn)是驅(qū)動電路簡單，幾乎不添加其它外圍元件就可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的控制，使得驅(qū)動電路功耗相對較小，而且目前市場上此類芯片種類齊全，價(jià)格也比較便宜。PWM信號的產(chǎn)生通常有兩種方法:一種是硬件的方法；另一種是軟件的方法。方案一：基于NE555，SG3525等一系列的脈寬調(diào)速系統(tǒng)：此種方式采用NE555作為控制電路的核心，用于產(chǎn)生控制信號。NE555產(chǎn)生的信號要通過功率放大才能驅(qū)動后級電路。NE555、SG3

11、525構(gòu)成的控制電路較為復(fù)雜，且智能化、自動化水平較低，在工業(yè)生產(chǎn)中不利于推廣和應(yīng)用。方案二：基于單片機(jī)類由軟件來實(shí)現(xiàn)PWM：在PWM調(diào)速系統(tǒng)中占空比D將對電機(jī)的調(diào)速產(chǎn)生重要影響。在電源電壓一定時(shí)，占空比D直接決定了電樞電壓的平均值大小，因此通過改變D的值就可以改變電樞電壓，進(jìn)而電樞電壓可以對電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整。一般改變占空比有一下三種方法：定寬調(diào)頻法（保持不變，只改變t）、調(diào)寬調(diào)頻法（保持t不變，只改變）、定頻調(diào)寬法（保持周期T(或頻率)不變，同時(shí)改變和t）。電樞電壓占空比如圖2.2.2所示。圖2.1電樞電壓占空比圖在調(diào)速時(shí)，前兩種方法改變了控制脈沖的周期(或頻率)，很容易引起振蕩（當(dāng)脈沖頻率

12、接近系統(tǒng)的固有頻率時(shí)），因此常采取定頻調(diào)寬法來進(jìn)行PWM調(diào)速。利用單片機(jī)的定時(shí)計(jì)數(shù)器外加軟件延時(shí)等方式來實(shí)現(xiàn)脈寬的自由調(diào)整，此種方式可簡化硬件電路，操作性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。所以選方案二，采用定頻調(diào)寬法?？紤]使用嵌入式Arm作為控制器時(shí)設(shè)計(jì)可靠性，驅(qū)動電機(jī)就選用直流電機(jī)。直流電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2.2所示。部分電機(jī)控制驅(qū)動電路如圖13所示。電機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2.3所示。ARM9數(shù)據(jù)采集DSP功率變換正反轉(zhuǎn)直流電機(jī)1直流電機(jī)2速度反饋電流反饋速度反饋電流反饋圖2.2 ARM控制電機(jī)系統(tǒng)原理圖2.3電機(jī)驅(qū)動電路2.3傳感器系統(tǒng)隨著傳感器技術(shù)的飛速發(fā)展，限制機(jī)器人系統(tǒng)的傳感器問題已經(jīng)得到根本性解決，機(jī)器人

13、從理論上已經(jīng)擁有和人類一樣的感知能力了，而且在很多方面已經(jīng)超越了人類自身。目前，應(yīng)用于室內(nèi)環(huán)境的自主移動機(jī)器人通常裝配有里程計(jì)、單目或立體視覺系統(tǒng)以及聲納、激光測距儀等幾種傳感器。2.3.1 內(nèi)部傳感器自主移動機(jī)器人用于進(jìn)行相對位姿估計(jì)的內(nèi)部傳感器主要有里程計(jì)、陀螺儀這兩種。陀螺儀是一種精密制導(dǎo)儀器，在慣性制導(dǎo)中，陀螺儀是控制飛行姿態(tài)的重要部件，在劇烈變化的環(huán)境中，沒有精心設(shè)計(jì)的陀螺儀用來保證穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，再好的控制規(guī)律也無法命中目標(biāo)。除了制導(dǎo)之外，陀螺儀還能夠應(yīng)用在其他的尖端的科技上，如著名的哈勃天文望遠(yuǎn)鏡的3個遙感裝置中每個都裝有一個陀螺儀和一個備份。陀螺儀正是因?yàn)樗钠胶馓匦裕呀?jīng)成為

14、了飛行設(shè)備中關(guān)鍵的部件，從航模、制導(dǎo)武器、導(dǎo)彈、衛(wèi)星、天文望遠(yuǎn)鏡，無處不有它的身影。但高精度陀螺儀的價(jià)格比較昂貴，在以平面運(yùn)行為主的移動機(jī)器人研究中，研究人員更多的使用里程計(jì)來確定有限距離內(nèi)機(jī)器入位姿的變化。里程計(jì)作為相對定位的有效傳感器已經(jīng)成為自主移動機(jī)器人的缺省配置，它的主要原理是通過裝在機(jī)器人車輪上的光電編碼器對其進(jìn)行計(jì)數(shù)，檢測出兩個輪轉(zhuǎn)過的圈數(shù)，然后應(yīng)用航跡推算估計(jì)出機(jī)器人的相對位姿。內(nèi)部傳感器里程計(jì)可提供短距離范圍內(nèi)機(jī)器人定位和導(dǎo)航所必須的位姿信息，但在較長距離的運(yùn)動中需要外部傳感器提供校正信息來避免累計(jì)誤差對移動機(jī)器人位姿估算的影響。2.3.2測距傳感器紅外測距傳感器（簡稱PSD：

15、Poison Sensitive Detector）：通常采用光學(xué)三角測量方法來確定機(jī)器人同物體之間的距離：傳感器的紅外發(fā)光管發(fā)出紅外光，當(dāng)紅外光沒有碰到障礙的時(shí)候，紅外光保持前行；當(dāng)紅外光碰到障礙的時(shí)候，紅外光反射回來，并進(jìn)入探測器。這樣，在反射點(diǎn)，發(fā)射器，探測器之間形成一個三角形，探測器通過鏡面反射，將紅外光射入一個線性CCD中，由CCD測量反射光的角度，并由角度的大小來計(jì)算障礙物的距離。本機(jī)器人系統(tǒng)配置17路PSD傳感器，兩側(cè)各有1個，另外6個以20度間隔分布在前后側(cè)邊。這種紅外傳感陣的布置可以為機(jī)器人提供360 度無縫檢測。還有一個在機(jī)械臂抓手的手掌內(nèi)。圖2.4 PSD傳感器位置示2.

16、3.3壓力傳感器測得與物體接觸的壓力值返回給DSP分析處理：是否繼續(xù)抓緊動作。裝在機(jī)械臂抓手的每個手指上。2.3.4 碰撞傳感器雖然配備有測距儀和視覺系統(tǒng)這兩種高性能外部傳感器的移動機(jī)器人在室內(nèi)環(huán)境的運(yùn)動中可以獲取足夠多的環(huán)境信息，但有時(shí)為避免外部傳感器故障或測量空間的局限對機(jī)器人的影響，自主移動機(jī)器人有必要配備碰撞傳感器以確保突發(fā)碰撞時(shí)機(jī)器人可以進(jìn)行相應(yīng)的及時(shí)處理。碰撞傳感器可以看作機(jī)器人最后的自我保護(hù)手段。本文使用的SmartROB2移動機(jī)器人平臺上所配備的碰撞傳感器為一種帶狀開關(guān)，被安裝在機(jī)器人底盤的四周，輸出信號與機(jī)器人控制器的數(shù)字輸入端口相連。當(dāng)碰撞發(fā)生會導(dǎo)致傳感器內(nèi)部導(dǎo)線的接通，輸

17、出為布爾值的讀傳感器接口函數(shù)的返回值為真。實(shí)際應(yīng)用中機(jī)器人要以一定周期對碰撞傳感器進(jìn)行循環(huán)讀取扭4J。2.3.5 外部傳感器1) 超聲波測距儀超聲測距的原理也是通過檢測超聲波從發(fā)射到反射的時(shí)間來進(jìn)行測距的，而且該傳感器所選擇的基本頻率與所要測量的距離范圍有關(guān)。以Mechatronic Research Systems公司提供的超聲波測距儀的數(shù)據(jù)指標(biāo)為例，測距范圍在小于2塒時(shí)，其基頻為185kHz，測距范圍大于2m時(shí)，其基頻為90kHzf5”。單個超聲波傳感器的測量開角有限，為獲取平面內(nèi)大范圍的距離信息，一般將數(shù)個傳感器呈環(huán)形布置在不同方向上。超聲波傳感器特點(diǎn)是體積小，價(jià)格低廉，在早期移動機(jī)器人

18、的研究中曾普遍應(yīng)用，但它同激光傳感器相比在性能和精度上存在明顯的不足：1 超聲波在空氣中傳播時(shí)有較大的能量衰減，難以得到準(zhǔn)確的距離信息。2 超聲波波長一般為幾毫米，容易發(fā)生鏡面反射(specular mflection)，導(dǎo)致測距出錯。3 超聲波的波束角較大，而且存在不同傳感器間交叉干擾問題(cross talk problem)，使得反射目標(biāo)點(diǎn)的準(zhǔn)確方位難以確定。4 超聲波測距儀數(shù)據(jù)采集延遲大，周期長，影響機(jī)器人處理的實(shí)時(shí)性。超聲波測距的缺陷使得其后期的數(shù)據(jù)處理比較困難，Birsel和Barshan等人為超聲波反射信號建立了模型，并采用證據(jù)推理來獲得相對可靠的距離。國內(nèi)王衛(wèi)華和陳衛(wèi)東等人基于

19、灰色系統(tǒng)理論提出了一種對傳感信息進(jìn)行解釋和融合的方法用于超聲波信息的處理。但由于該傳感器自身測量精度的局限，因此超聲波傳感器一般不單獨(dú)用于環(huán)境的感知，或者僅僅應(yīng)用于對感知精度要求不高的場合。2) 視覺傳感器正如同人類超過70的外界環(huán)境信息是由人的視覺器官提供的一樣，視覺系統(tǒng)對移動機(jī)器人感知周圍環(huán)境同樣重要。視覺傳感器提供的環(huán)境信息豐富，數(shù)據(jù)量大，適用范圍廣。目前機(jī)器人視覺系統(tǒng)主要使用具有較高精確性和穩(wěn)定性的固體攝像頭，其中以電荷耦合器件Charge Coupled Device，CCD)最具代表性。視覺系統(tǒng)按照其所配備的CCD攝像機(jī)個數(shù)可分為單目視覺(monocularvision)、雙目視覺

20、(binocularvision)和三目視覺(Irinocularvision)三種。其中后兩種可以計(jì)算物體的景深，屬于立體視覺。立體視覺測距是利用兩個或多個相互位置已知的攝像頭組成的視覺系統(tǒng)，根據(jù)同一景物在兩個攝像頭上成像的視察計(jì)算出景物的深度，從而獲得其距離信息，但目前該技術(shù)還不成熟，難以同時(shí)達(dá)到實(shí)時(shí)性和魯棒性的要求。移動機(jī)器人視覺系統(tǒng)硬件的組成一般包括CCD攝像機(jī)和圖像采集卡兩部分。以本文所使用的SmartROB一2移動機(jī)器人平臺的視覺系統(tǒng)為例，其所使用的圖像采集卡為適用于Compact PCI總線的基于Bt848處理器的PMCFC型彩色圖像采集卡，并可同時(shí)支持兩個CCD攝像機(jī)進(jìn)行圖像采

21、集。在NTSC制式下視頻捕捉率為30frames，在PAL制式下為25framesp。SmartROB一2平臺現(xiàn)在配備有三星公司生產(chǎn)的SCC一13lAP型號彩色攝像機(jī)。這是一款采用數(shù)字信號處理技術(shù)的470，000像素高精度CCD攝像機(jī)，水平解析度480TVLines，垂直解析度350TV Lines，并具有高靈敏度、防電磁場干擾等有點(diǎn)。與激光測距儀相比較，視覺系統(tǒng)提供的外部環(huán)境信息豐富，但圖像處理時(shí)間較長。在使用激光和視覺混和控制的移動機(jī)器人系統(tǒng)中，視覺傳感器與激光傳感器相互校正，并可提供冗余的環(huán)境信息，對室內(nèi)環(huán)境特征的確定具有輔助意義。 2.3.6 傳感器的選擇各個傳感器的選擇具體情況如下：

22、1）電位器：日本TOCOS-RV24電位器。2）角速加速度傳感器：型號：ewt62dn。工作電壓：4.75至5.25v。測量范圍：300/s。零點(diǎn)電壓：2.5v 0.25v。靈敏度：60.3mv/(s)。 3）線速加速度傳感器：型號：BQH3-GJ-33。主要技術(shù)指標(biāo)：工作電壓：±15V；零位信號：±50mV；最大輸出信號: ±（5±0.3）V；動態(tài)特性：給定信號與超調(diào)振幅之比3；傳感器外型尺寸：72mmX49mmX51mm；測量范圍(g): ±5；靈敏閥值(g): 0.005；信號變化量不小于(V): 0.003；過載為1g時(shí)輸出信號(V)

23、:1.0±0.05。產(chǎn)自：北京中西遠(yuǎn)大科技有限公司。4）水平姿態(tài)傳感器：型號：CJRS-C01。該傳感器能在水平面0360度的任一方位檢測平面的傾斜角度。5）聲納：實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用的聲納。6）接近覺傳感器：用2mm的管子GL-2和3DU21作紅外發(fā)射、接受對管，用2.5mm金屬筒封裝，制成的接近覺探頭尺寸為2.5mm×8mm，接近距離為815mm。接近覺調(diào)制信號為占空比50%、頻率1kHz的方波，由NE555產(chǎn)生。紅外發(fā)光管的功率可通過可控功率放大器調(diào)節(jié)（R6），以便調(diào)節(jié)“接近”距離。信號的解調(diào)通過同步受空的模擬開關(guān)CD4066實(shí)現(xiàn)，具體電路如圖8所示。圖2.5 紅外光強(qiáng)發(fā)接近覺

24、電路圖7）接觸覺、滑覺傳感器：選擇的是由美國PPS觸覺傳感器有限公司提供的仿人觸覺傳感器。8）力覺傳感器：選用合肥智能所研制的SAFMS-130型腕力傳感器。性能參數(shù)：尺寸102，h60；重量800g，±1%FS；分辨率：±0.1%FS；零飄：1%/。9）視覺傳感器：選用的是MTV-3501CB型CCD攝像機(jī)。10）熱覺傳感器：由加熱部分與鉑熱敏電阻實(shí)現(xiàn)。11）溫度覺傳感器：選擇西門子的SITRANST溫度傳感器。2.3.7 通信系統(tǒng)帶機(jī)械手臂的智能機(jī)器人的通信主要是用于與控制人的交互，其數(shù)據(jù)通信處理框圖如圖2.6所示。圖2.6 數(shù)據(jù)通信與處理框圖計(jì)算機(jī)通信接口框圖如圖2.

25、7所示。 圖17 計(jì)算機(jī)通信框圖三、機(jī)器人機(jī)械臂的設(shè)計(jì)3.1 機(jī)械臂機(jī)械結(jié)構(gòu)介紹服務(wù)機(jī)器人機(jī)械臂采用6自由度設(shè)計(jì)，包括肩關(guān)節(jié)平行移動自由度、肩關(guān)節(jié)擺動白由度、肘關(guān)節(jié)擺動自由度和腕關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動自由度，手臂躍度約為60cm，末端夾持器設(shè)計(jì)為手爪的樣式用于抓取2。左臂在處于抓取姿態(tài)時(shí)是一個解耦模型，并對應(yīng)唯一解。通過底輪來調(diào)整機(jī)器人抓取時(shí)所處的位置，當(dāng)目標(biāo)物處于可抓取位置時(shí)，小臂基本保持水平姿態(tài)，通過大臂來調(diào)整小臂的高度來實(shí)現(xiàn)抓取。但是，由于底輪精度Plan，精確到達(dá)可抓取位置較為困難。為了降低機(jī)器人抓取位置調(diào)整難度，故增加肩部平移關(guān)節(jié)對末端夾持器實(shí)現(xiàn)水平位置的調(diào)整，使得機(jī)器人獲得較大抓取空間。服務(wù)機(jī)器

26、人機(jī)械臂整體結(jié)構(gòu)如圖21所示：圖3.1 機(jī)械臂結(jié)構(gòu)圖 能模仿人手和手臂的某些動作功能，按固定程序抓取、搬運(yùn)物件或操作工具的自動操作裝置。機(jī)械手主要由手部和運(yùn)動機(jī)構(gòu)組成。手部是用來抓取工件（或工具）的部件，根據(jù)被抓持物件的形狀、尺寸、重量、材料和作業(yè)要求而有多種結(jié)構(gòu)形式，如，夾持型、托持型、吸附型等。運(yùn)動機(jī)構(gòu)，使手部完成各種轉(zhuǎn)動（擺動）、移動或復(fù)合運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)規(guī)定的動作，改變被抓持物件的位置和姿勢。運(yùn)動機(jī)構(gòu)的升降、伸縮、旋轉(zhuǎn)等獨(dú)立運(yùn)動方式，稱為機(jī)械手的自由度。為了抓取空間中任意位置和方位的物體，需有 6個自由度。自由度是機(jī)械手設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)。自由度越多，機(jī)械手的靈活性越大，通用性越廣，其結(jié)構(gòu)也越復(fù)

27、雜。機(jī)械手的種類，按驅(qū)動方式可分為液壓式、氣動式、電動式、機(jī)械式機(jī)械手；按適用范圍可分為專用機(jī)械手和通用機(jī)械手兩種；按運(yùn)動軌跡控制方式可分為點(diǎn)位控制和連續(xù)軌跡控制機(jī)械手等。3.2 機(jī)械臂電機(jī)選型在保證機(jī)械臂動作精度的同時(shí)，需要兼顧考慮其負(fù)載能力和低成本要求。在力矩和精度要求較高的肩關(guān)節(jié)平移、肩關(guān)節(jié)擺動及肘關(guān)節(jié)采用直流伺服電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動，而對力矩和精度要求較低的腕關(guān)節(jié)及手爪開合部分采用了體積與重量較小、成本較低的舵機(jī)進(jìn)行驅(qū)動。由于舵機(jī)重量較輕，即便是位于手臂末端，也不會對肘關(guān)節(jié)和肩關(guān)節(jié)處電機(jī)造成較大的負(fù)載。以下將按照各個關(guān)節(jié)的特點(diǎn)與負(fù)載大小進(jìn)行電機(jī)和減速箱選型，分為直流伺服電機(jī)部分和舵機(jī)部分。1)

28、 直流伺服電機(jī)選型直流伺服電機(jī)的選擇需要關(guān)注兩個參數(shù)：轉(zhuǎn)速和力矩。首先根據(jù)設(shè)計(jì)要求估計(jì)機(jī)器人關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動速度利輸出轉(zhuǎn)矩，在此基礎(chǔ)上結(jié)合電機(jī)選型手冊選擇合適的電機(jī)、減速器和編碼器3。通過額定轉(zhuǎn)速除以減速箱的減速比可得到手臂動作的參考轉(zhuǎn)速，電機(jī)連續(xù)輸出轉(zhuǎn)矩乘以減速箱的減速比再乘以減速箱的效率得到的扭矩作為關(guān)節(jié)驅(qū)動所需要參考扭矩5。上述選型結(jié)果還必須進(jìn)行電機(jī)功率的校核，以確保所選擇的電機(jī)具有足夠的余量。目前機(jī)器人控制系統(tǒng)所能夠提供的電源電壓最人為24V。本系統(tǒng)均采用MAXON公司的RE36118798型直流伺服電機(jī)，這款電機(jī)為24V 70W直流有刷電機(jī)，其額定轉(zhuǎn)速為5300 rrain，額定輸出力矩為

29、782 mNm。對丁不同關(guān)節(jié)需要配合不同的減速箱以夠滿足系統(tǒng)性能要求，減速箱選型應(yīng)該高于通過計(jì)算得到的理論值，留有一定余量，以保證系統(tǒng)可靠性4。以下是各關(guān)節(jié)配合減速箱的情況下的性能核算：(1)肩平移關(guān)節(jié)肩平移關(guān)節(jié)(圖22)位于肩關(guān)節(jié)的下半部分，由絲杠、滑塊及導(dǎo)軌三部分組成，通過與電機(jī)軸連接的絲杠轉(zhuǎn)動帶動滑塊來實(shí)現(xiàn)肩部伸縮，起到對手臂進(jìn)行水平位置的調(diào)整的作用。其負(fù)載較小，主要是肩部平移滑塊與導(dǎo)軌、滑塊與絲杠之間摩擦力。減速箱選擇為P32H系列中的1232018型行星減速箱，減速比為7933：1，最大連續(xù)輸出力矩為45Nm，效率為70。通過電機(jī)性能參數(shù)和減速箱參數(shù)可以進(jìn)行核算：額定輸出轉(zhuǎn)速：530

30、07933=668rpm 圖2-2服務(wù)機(jī)器人肩關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)圖連續(xù)輸出轉(zhuǎn)矩：00782 X 7933 X 07=434Nm電機(jī)功率核算：(434×668×2×31460)70=4335W<70W(2)肩擺動關(guān)節(jié)肩擺動關(guān)節(jié)(圖2-2)位于肩關(guān)節(jié)的上半部分，由電機(jī)直接通過軸套帶動大臂運(yùn)動，可實(shí)現(xiàn)大臂的擺動。整個手臂長度為700mm，其中大臂為300mm，小臂為300mm，手爪為100mm。質(zhì)心大約位于大臂和小臂連接處，整個手臂質(zhì)量為15kg。按手爪最少可以抓取05kg重物計(jì)算，肩部電機(jī)負(fù)載約為(15+O5)×10×03=6Nm。減速箱選擇為P36H

31、系列中的1236021型行星減速箱，減速比為304：1，最大連續(xù)輸出力矩為16Nm，效率為72。通過電機(jī)性能參數(shù)和減速箱參數(shù)可以進(jìn)行核算：額定輸出速度：5300304=174rpm連續(xù)輸出轉(zhuǎn)距：00782×304 X 072=171Nm電機(jī)功率核算：(171×174×2 X 31460)72=433W<70W2) 舵機(jī)選型由于腕關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動及手爪開合(圖2-4)受力較小，因此采用北京漢庫公司的HGl4一M型機(jī)器人專用舵機(jī)進(jìn)行驅(qū)動。此款舵機(jī)扭矩為14kg·鋤，轉(zhuǎn)速為02秒60度，重量為569，最大動作角為185度，動作電壓為48V-74V，控制信號為周期

32、是20ms的脈寬調(diào)制(PWM)信號，其中脈沖寬度從05ms一25ms，相對應(yīng)舵盤的位置為0180度。采用三線制控制，依次為黑線(接地)、紅線(接輸入電壓)和黃線(接PWM控制信號)。3.3 機(jī)械臂的傳感器本智能機(jī)器人的腕力傳感器安裝在機(jī)械臂的腕部；接近覺、觸覺、滑覺、熱覺、溫度傳感器安裝在機(jī)械手上；視覺傳感器也安裝在機(jī)械臂上。四、電池和外部接口機(jī)器人的電源選擇鎳氫電池。該電池可充電次數(shù)多，內(nèi)阻很低，提供的電流較高。在工作電流非常高的情況下也能良好工作，沒有記憶效應(yīng)。機(jī)器人系統(tǒng)中的一個普遍問題就是電源系統(tǒng)中的噪聲和沖擊，它會影響電子器件的正常工作。通過分立電池組分別對電機(jī)和其他電子電路供電可以很

33、好的解決這個問題。整個機(jī)器人上的所有電源必須接在一起，及所有電源的地線是公共的。機(jī)器人通過其車載計(jì)算機(jī)上的無線網(wǎng)卡與實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的無線局域網(wǎng)互聯(lián)，可以實(shí)現(xiàn)從網(wǎng)絡(luò)的任何節(jié)點(diǎn)來遠(yuǎn)程控制機(jī)器人。機(jī)器人遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的開發(fā)中采用最基本的方法即提供一個簡單、易操作的圖形化人機(jī)界面。該界面上提供各種控制按鈕、控件，用戶通過點(diǎn)擊這些按鈕發(fā)送命令給遠(yuǎn)端的機(jī)器人。接口界面要提供足夠的信息使問題容易理解，同時(shí)盡可能地傳輸最少的數(shù)據(jù)，以及擁有簡單的接口界面布局。同時(shí)還提供機(jī)器人狀態(tài)數(shù)據(jù)的圖像化顯示。該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人本體、機(jī)械臂和攝像頭的控制、狀態(tài)數(shù)據(jù)的顯示、聲納羅盤數(shù)據(jù)圖形化顯示、以及視頻監(jiān)控等智能控制功能。五、機(jī)器

34、人工作方案設(shè)計(jì)機(jī)器人自主，其本體自帶各種必要的傳感器、控制器，在運(yùn)行過程中無外界人為信息輸入和控制的條件下，可以獨(dú)立完成一定的任務(wù)。1 走田字格走田字格主要是測試機(jī)器人輪速和轉(zhuǎn)90度的動作實(shí)現(xiàn)。輪速通過指令設(shè)定，指令的完成如下圖5.1所示。指令編碼后通過ZigBee模塊接收后傳給控制器Arm，分析處理后再通過電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)對兩個輪的電機(jī)控制，獲取指定的速度來轉(zhuǎn)動。由光電編碼器測得行走距離后，反饋給控制器，再通過電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)停止前行指令去執(zhí)行轉(zhuǎn)90度動作，該動作是使一個輪速動作，另外一個不動來實(shí)現(xiàn)的，也是通過編碼器測得設(shè)定的輪轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)（轉(zhuǎn)角度的數(shù)據(jù)可以內(nèi)部函數(shù)設(shè)定）反饋給控制器來停止該動作，反復(fù)執(zhí)行

35、以上動作，直至完成任務(wù)停止。開始前進(jìn)前進(jìn)40？是否完成轉(zhuǎn)90度？是右（左）轉(zhuǎn)90度否任務(wù)完成？是結(jié)束否圖5.1 田字格指令完成流程圖2 走三角形三角形指令的執(zhí)行跟田字格的相似。如圖5.2所示。Step+,step=?2開始Step=0移動1000轉(zhuǎn)120°NY結(jié)束 圖5.2 三角形指令完成流程圖3 程序#include "Aria.h"/ the robotArRobot *robot;int counter=0;int step=0;void update(void) / Your Code Hereif (counter<3) if(step=0) ro

36、bot->move(1000);step+; if(step=1) l if (robot->isMoveDone()/看是否機(jī)器人完成給定的移動任務(wù)robot->setDeltaHeading(120);/左轉(zhuǎn)120°step+; if(step=2) if(robot->isHeadingDone()/是否完成轉(zhuǎn)動 step=0; counter+; int main(int argc, char *argv) int ret; std:string str; / the connection for Remote Host and Simulator /ArTcpConnection con; / the connecti