遠(yuǎn)程無線控制可視救援機(jī)器人系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

作品名稱：遠(yuǎn)程無線控制可視救援機(jī)器人系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

《遠(yuǎn)程無線控制可視救援機(jī)器人系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)》摘要：該系統(tǒng)是基于達(dá)盛51平臺(tái)、無線控制模塊、六自由度機(jī)械手、無線攝像頭和動(dòng)力部分構(gòu)成的救援機(jī)械人模擬系統(tǒng)，達(dá)盛51平臺(tái)作為機(jī)械人的總控制平臺(tái)，它包括機(jī)械手的控制程序和無線控制程序，它主要完成機(jī)械手各電機(jī)和動(dòng)力部分電機(jī)控制工作，可以模擬夾取和搬運(yùn)物體，以模擬完成在求援過程中，可以遠(yuǎn)程可視監(jiān)控控制，完成在一些危險(xiǎn)的救援環(huán)境中進(jìn)行救援。關(guān)鍵字：達(dá)盛；51平臺(tái)；無線；機(jī)械手；攝像頭；救援Abstract:thesystemisbasedonwirelessplatformofshing51controlmodule,sixdegreesoffreedom,wirelesswebcamanddynamicmanipulatorofrescuerobotsimulationsystem,cheng51totalcontrolplatformforrobotplatform,includingthecontrolofthemanipulatorproceduresandwirelesscontrolprogram,whichmainlycompleteseachmotoranddynamicpartofmanipulatorcanbesimulated,motorcontrolworkandhandlingobjects,withcompletewithsimulationprocess,canaidinremotevideomonitorandcontrolinsomedangerousrescueenvironment.Keywords:dasheng；51platform；Wireless；Manipulator；Cameras；rescue一、作品簡(jiǎn)介該作品的設(shè)計(jì)思路來源于目前經(jīng)常發(fā)生礦難、火災(zāi)、有毒環(huán)境、地震等災(zāi)難救援，用人去救援當(dāng)然是最靈活機(jī)動(dòng)的，但是救援之前，必須要考慮到救援人員的安全問題，不得不考慮不但救不出人，反而出現(xiàn)更大的傷亡，如果我們采用救援機(jī)械人，裝上先進(jìn)的各類傳感器、生命探測(cè)器，安裝先進(jìn)的多角度的可視設(shè)備，救援人員遠(yuǎn)程可視控制，加裝靈活有力的機(jī)械臂和其他救援設(shè)備，這樣既保證了人的隨機(jī)應(yīng)變，同時(shí)機(jī)械人可攜帶更多的救援設(shè)備，就算在救援過程中萬一出現(xiàn)塌方，也許我們的機(jī)械人會(huì)更能體現(xiàn)他的偉大，可以用他的鋼鐵之身頂住，我救援爭(zhēng)取一定的時(shí)間，起碼這樣不會(huì)增加傷亡人員。二、方案設(shè)計(jì)①理論分析目前中國(guó)機(jī)器人的研究正在發(fā)展，較美國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家我們的起步比較晚，而且技術(shù)相對(duì)也落后，但是我們正在積極發(fā)展，從多次國(guó)際大學(xué)生機(jī)械人大賽中我們可以看到我們正在發(fā)展，只是在實(shí)際應(yīng)用中還沒有大規(guī)模發(fā)展起來，該作品是一個(gè)基于ARM的一個(gè)救援機(jī)器人一個(gè)小型化系統(tǒng)，該機(jī)器人可以自由移動(dòng)，通過一個(gè)USB攝像頭監(jiān)視系統(tǒng)，我們可以通過在ARM平臺(tái)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視，根據(jù)視頻控制六自由度機(jī)械手進(jìn)行物體的抓取和搬運(yùn)。②方案確定◆單片機(jī)模塊：達(dá)盛51MCU模塊該模塊是達(dá)盛公司推出的單片機(jī)模塊，硬件和功能完全能夠滿足手多電機(jī)控制的硬件條件。◆六自由度機(jī)械手：德普斯機(jī)械手該模塊是德普斯公司推出的機(jī)械手，硬件和功能完全能夠滿足機(jī)械手的多角度靈活活動(dòng)，完成各種復(fù)雜動(dòng)作?！魺o線攝像頭：臺(tái)電攝像頭該模塊是臺(tái)電公司推出的無線攝像頭模塊，硬件和功能完全能夠滿足實(shí)時(shí)遠(yuǎn)距離無線視頻監(jiān)控。無線傳輸模塊：AY-RF905無線模塊。三、系統(tǒng)設(shè)計(jì)1、硬件設(shè)計(jì)下圖為硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖無線控制系統(tǒng)照明系統(tǒng)無線控制系統(tǒng)照明系統(tǒng)自制小車系統(tǒng)達(dá)盛51單片機(jī)平臺(tái)六自由度機(jī)械手自制小車系統(tǒng)達(dá)盛51單片機(jī)平臺(tái)六自由度機(jī)械手無線攝像頭無線攝像頭圖1硬件系統(tǒng)框圖2、軟件設(shè)計(jì)下圖為軟件設(shè)計(jì)框圖無線控制板程序達(dá)盛51單片機(jī)無線控制板程序達(dá)盛51單片機(jī)小車驅(qū)動(dòng)程序達(dá)盛51單片機(jī)達(dá)盛51單片機(jī)機(jī)械手控制程序圖2軟件系統(tǒng)框圖四、功能模塊設(shè)計(jì)1、硬件模塊設(shè)計(jì)①、AY-RF905模塊的Nordic公司的nRF905芯片如圖所示：圖3nRF905芯片引腳圖②、引腳概述③、單片機(jī)模塊：采用達(dá)盛51單片機(jī)開發(fā)平臺(tái)，平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖所示：圖4達(dá)盛平臺(tái)PCB圖圖5達(dá)盛平臺(tái)PCB3D圖圖6達(dá)盛平臺(tái)原理圖⑤、六自由度機(jī)械手圖8六自由度機(jī)械手●產(chǎn)品簡(jiǎn)介◆手爪：內(nèi)寬8.26厘米，手長(zhǎng)8.26厘米，高2.85厘米，◆最大負(fù)重：403.41克◆手可達(dá)區(qū)域：49.53厘米◆各部運(yùn)動(dòng)范圍：0—180度◆肘到腕距離：14厘米◆基座到肘距離：20厘米◆腕到手爪心距離：17.8厘米◆機(jī)械手自重（包括伺服電機(jī)）：1.06公斤◆超級(jí)扭矩齒輪645系列伺服電機(jī)（旋轉(zhuǎn)肘部使用）：3極馬達(dá)，金屬齒輪，雙滾珠軸承，4.8伏扭矩：7.7公斤/厘米，6.0伏扭矩：9.6公斤/厘米4.8伏速率：0.24秒/60度，6.0伏速率：0.19秒/60度尺寸：40.6X19.8X37.8毫米重量：60克◆標(biāo)準(zhǔn)金裝475系列伺服電機(jī)（旋轉(zhuǎn)基座、腕、手爪使用）：3極馬達(dá)，卡博來特齒輪，滾珠軸承4.8伏扭矩：4.4公斤/厘米，6.0伏扭矩：5.5公斤/厘米4.8伏速率：0.23秒/60度，6.0伏速率：0.18秒/60度尺寸：38.8X19.8X36毫米重量：40克◆225系列伺服電機(jī)（旋轉(zhuǎn)手腕使用）：3極費(fèi)萊特馬達(dá)，4.8伏扭矩：3.9公斤/厘米，6.0伏扭矩：4.8公斤/厘米4.8伏速率：0.14秒/60度，6.0伏速率：0.11秒/60度尺寸：32.4X16.8X31毫米重量：27克◆內(nèi)芯式805BB系列電機(jī)（旋轉(zhuǎn)肩部使用）：雙滾珠軸承，定制內(nèi)置式芯片4.8伏扭矩：16公斤/厘米，6.0伏扭矩：27.4公斤/厘米4.8伏速率：0.20秒/60度，6.0伏速率：0.14秒/60度尺寸：66X30X58毫米重量：152克⑦、無線攝像頭圖6無線攝像頭◆鏡頭類型 CMOS◆攝像頭像素 500萬◆攝像頭分辨率 640×480◆最高分辨率(像素) 640×480◆最大幀數(shù) 30幀◆色彩位數(shù) 24位◆成像距離 35mm-無窮遠(yuǎn)◆對(duì)焦方式 手動(dòng)◆對(duì)焦方式/范圍 手動(dòng)調(diào)焦模式◆鏡頭 帶紅外夜視500萬高像素鍍膜鏡頭◆支持系統(tǒng) Windows2000/2003/XP/Vista/7，Mac，Linux◆接口類型 USB2.0◆外觀色彩 象牙白◆附件 電源適配器◆其他參數(shù) 全球首創(chuàng)2000米無線距離◆增強(qiáng)型2.4G無線技術(shù)◆內(nèi)置高品質(zhì)降噪麥克風(fēng)◆全新紅外夜視鏡頭◆4節(jié)AAA電池供電，可外接電源供電⑧、自制小車◆車身：長(zhǎng)*寬170mm*350mm◆電機(jī)：6V直流電機(jī)⑨、照明系統(tǒng)◆5VLED燈2、軟件模塊設(shè)計(jì)①基于達(dá)盛51單片機(jī)的無線總控制平臺(tái)程序流程圖②基于達(dá)盛51單片機(jī)的機(jī)器人控制程序流程圖五、作品性能測(cè)試與分析1、視頻監(jiān)視系統(tǒng)測(cè)試將無線攝像頭的USB無線接收器接入到PC機(jī)的USB接口，打開攝像界面，可以看到清晰的圖像畫面。2、控制臺(tái)系統(tǒng)測(cè)試用達(dá)盛51平臺(tái)和無線傳輸模塊構(gòu)成的總控制臺(tái)，主要負(fù)責(zé)六自由度機(jī)械手和移動(dòng)平臺(tái)的控制，包括六自由度的各個(gè)電機(jī)的動(dòng)作控制和移動(dòng)平臺(tái)的前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)等控制，通過操作控制控制平臺(tái)可以讓機(jī)械人完成各種動(dòng)作，經(jīng)測(cè)試移動(dòng)，搬運(yùn)都非常成功和穩(wěn)定。六、創(chuàng)新總結(jié)該作品使用達(dá)盛公司達(dá)盛51單片機(jī)開發(fā)平臺(tái)，再配合無線攝像頭、德普斯的六自由度機(jī)械手和自制的移動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)平臺(tái)，完成了一個(gè)遠(yuǎn)程無線遙控的可視控制的救援機(jī)械人，當(dāng)災(zāi)害發(fā)生時(shí)、搜救工作復(fù)雜、危險(xiǎn)，緊迫，我們的救援機(jī)器人以其體積小，靈活性大，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)視與控制等優(yōu)點(diǎn)，為救援提供了極大的方便。如井下救援，有毒環(huán)境救援，火災(zāi)救援等領(lǐng)域，我們的機(jī)器人將會(huì)發(fā)揮它巨大的作用；現(xiàn)在各個(gè)國(guó)家都在研究這項(xiàng)技術(shù)。目前，我們做的是有線控制的，如果將機(jī)器人進(jìn)行適當(dāng)改進(jìn)，便可實(shí)現(xiàn)無線控制救援。參考文獻(xiàn)1、周力功等編著.《ARM&WinCE實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐-基于S3C2410》.北京航空航天大學(xué)出版社.2007年7月第1次印刷2、張冬泉等編著.《WindowsCE使用開發(fā)技術(shù)（第2版）》.電子工業(yè)出版社.2009年3月第1次印刷3、李大為等編著.《WindowsCE工程實(shí)踐完全解析》.中國(guó)電力出版社.2008年10月第1次印刷4、邱仲潘等譯.《VisualC++6從入門到精通》.電子工業(yè)出版社.1999年1月第1次印刷5、《WinCE指導(dǎo)書》北京達(dá)盛科技公司6、《六自由度機(jī)械手使用說明書》深圳德普斯公司附件一：//達(dá)盛51單片機(jī)平臺(tái)控制程序源代碼#include"def.h"#include"./SPI/SPI.h"#include"./nRF905/nRF905.h"#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedintsbitrobotkg=P3^2;sbitdengkg=P3^3;//0123456789ABCDEFucharcodetab1[]={'0','1','2','3','4','5','6','7','8','9','A','B','C','D','E','F'};ucharcodetab2[]={0xee,0xde,0xbe,0x7e,0xed,0xdd,0xbd,0x7d,0xeb,0xdb,0xbb,0x7b,0xe7,0xd7,0xb7,0x77};ucharcodetab3[]={0xfe,0xfd,0xfb,0xf7};unsignedcharTxBuf[28]={0};unsignedcharRxBuf[28]={0};//unsignedcharPcTx_Buf[6];unsignedchartf=0;voiddelayms(uintn){uinti,j;for(i=0;i<n;i++){for(j=0;j<125;j++);}}voidDelay(unsignedcharn)//1mS{ unsignedchari; while(n--)//2uS for(i=0;i<80;i++);//80*8uS=640uS }voidkey_delay(){unsignedinti,j;for(i=1;i<=50;i++){for(j=1;j<=100;j++);}}///////////////////sendthecommand/*voidsend_comd(unsignedcharvalue) {unsignedchari;ES=0;EA=0;PcTx_Buf[0]=value|0xf0;PcTx_Buf[1]=value|0xf0;PcTx_Buf[2]=value|0xf0;PcTx_Buf[3]=value|0xf0; PcTx_Buf[4]=value;PcTx_Buf[5]=value|0xf0; for(i=0;i<=5;i++) {SBUF=PcTx_Buf[i];while(TI==0);TI=0; } ES=1;EA=1;}*/voidmain(){uchara,b;//unsignedcharled1_count=0; //unsignedcharled2_count=0; //unsignedcharlight; //================NRF905初始化nRF905Init(); //================ Config905(); //ConfignRF905module TxBuf[0]=0xff; TxBuf[1]=0xff;TxBuf[2]=0xff;TxBuf[3]=0xff; //ledclose //SetRxMode(); //SetnRF905inRxmodeSetTxMode();while(1){robotkg=1;dengkg=1; for(b=0;b<4;b++){P1=tab3[b];delayms(25);if(robotkg==0) { TxBuf[3]='G'; TxPacket(TxBuf); //Transmit TxBuf[3]=0xff; }delayms(25); if(dengkg==0) { TxBuf[3]='H'; TxPacket(TxBuf); //Transmit TxBuf[3]=0xff; }for(a=0;a<16;a++){if(P1==tab2[a]) {TxBuf[3]=tab1[a]; TxPacket(TxBuf); //Transmit TxBuf[3]=0xff; }}} }}Nrf905驅(qū)動(dòng)程序#include"nRF905.h"#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedintunsignedcharTxAddress[4]={TX_ADDR_Byte0,TX_ADDR_Byte1,TX_ADDR_Byte2,TX_ADDR_Byte3};RFConfigRxTxConf={ 10, RFConfig_Byte0, RFConfig_Byte1, RFConfig_Byte2, RFConfig_Byte3, RFConfig_Byte4, RFConfig_Byte5, RFConfig_Byte6, RFConfig_Byte7, RFConfig_Byte8, RFConfig_Byte9 };staticvoidDelay(ucharn){ uinti; while(n--) for(i=0;i<80;i++); }/*******************************************************************************************///functionInitIO(); 初始化IO/*******************************************************************************************/voidnRF905Init(void){ /*SPIinit*/ SpiInit(); //CSN=1; //Spi disable //SCK=0; //Spiclocklineinithigh DR=1; //InitDRforinput AM=1; //InitAMforinput PWR_UP=1; //nRF905poweron Delay(4); TRX_CE=0; //SetnRF905instandbymode TX_EN=0; //setradioinRxmode //==================== /* TX_EN_DDR =1; TRX_CE_DDR =1; PWR_UP_DDR =1; DR_DDR =0; CD_DDR =0; */ //====================}/*******************************************************************************************///functionWriteTxAddress(); 寫入目標(biāo)地址/*******************************************************************************************/voidWriteTxAddress(void){ unsignedchari; unsignedcharlen=(RxTxConf.buf[2]>>4); CSN=0; //Spienableforwriteaspicommand SpiWrite(WTA); //Writeaddresscommand //for(i=0;i<TX_AWF;i++) for(i=0;i<len;i++) { SpiWrite(TxAddress[i]); } CSN=1; //Spidisable}/*******************************************************************************************///functionConfig905(); //配置905寄存器/*******************************************************************************************/voidConfig905(void){ uchari; CSN=0; //Spienableforwriteaspicommand SpiWrite(WC); //Writeconfigcommand寫放配置命令 for(i=0;i<RxTxConf.n;i++) //Writeconfigrationwords寫放配置字 { SpiWrite(RxTxConf.buf[i]); } CSN=1; //DisableSpi WriteTxAddress();}/*******************************************************************************************///functionSetTxMode(); 設(shè)置為發(fā)送模式/*******************************************************************************************/voidSetTxMode(void) { TRX_CE=0; TX_EN=1; Delay(1); //delayformodechange(>=650us)} /*******************************************************************************************///functionSetRxMode(); 設(shè)置為接收模式/*******************************************************************************************/voidSetRxMode(void){ TX_EN=0; TRX_CE=1; Delay(1); //delayformodechange(>=650us) }//發(fā)送數(shù)據(jù)包/*******************************************************************************************/voidTxPacket(unsignedchar*TxBuf){ uchari; CSN=0; //Spienableforwriteaspicommand SpiWrite(WTP); //Writepayloadcommand //for(i=0;i<TX_PW;i++) for(i=0;i<RxTxConf.buf[4];i++) { SpiWrite(TxBuf[i]); //Write32bytesTxdata } CSN=1; //Spidisable TRX_CE=1; //SetTRX_CEhigh,startTxdatatransmission Delay(1); //while(DR!=1); TRX_CE=0; //SetTRX_CElow}/********************************************************************************************* 讀取數(shù)據(jù)包* 返回值: 1-成功接收到數(shù)據(jù) 0-沒有接收到數(shù)據(jù)********************************************************************************************/unsignedcharRxPacket(unsignedchar*RxBuf){ uchari; if(DR) //DR高電平 有接收到數(shù)據(jù) { TRX_CE=0; //SetnRF905instandbymode CSN=0; //Spienableforwriteaspicommand SpiWrite(RRP); //Readpayloadcommand //for(i=0;i<RX_PW;i++) for(i=0;i<RxTxConf.buf[3];i++) { RxBuf[i]=SpiRead(); //Readdataandsavetobuffer } CSN=1; //Disablespi while(DR);//||AM); TRX_CE=1; return1; } else { return0; }}/*******************************************************************************************//*#ifdefSET_CHNO_ENABLE voidSetFrequence(unsignedintfre) { unsignedchark; CSN=0; //Spienableforwriteaspicommand SpiWrite(WC); //Writeconfigcommand寫放配置命令 k=(fre/2)&0xff; SpiWrite(k); //寫入CH_NO高8位 if((fre&0x01)==1) { k=RFConfig_Byte1|0x01; //最低位置位 } else { k=RFConfig_Byte1&0xfe; //最低位清零 } SpiWrite(k); //寫入CH_NO最低位 CSN=1; //DisableSpi }#endif*//*******************************************************************************************//*#ifdefSETST_BYMODE_ENABLE voidSetST_BYmode(void) { TX_EN=0; TRX_CE=0; Delay(1); //delayformodechange(>=650us) }#endif*//*******************************************************************************************//*#ifdefSETRF_PA_PWR_ENABLE //RF-Configure-Registerbyte:1 codeunsignedcharRF_byte1[4]={0x00,0x04,0x08,0x0c}; //不同的發(fā)射功率 voidSetRF_PA_PWR(unsignedchari) //SPI->設(shè)置發(fā)射功率 { SPI_CSN=0; //Spienableforwriteaspicommand SpiWrite(0x01); //Writeconfigcommand寫放配置命令從1號(hào)字節(jié)開始寫 SpiWrite(RF_byte1[i]); SPI_CSN=1; //DisableSpi }#endif*/達(dá)盛51單片機(jī)接收控制板程序#include"def.h"#include"./SPI/SPI.h"#include"./nRF905/nRF905.h"unsignedcharTxBuf[28]={0};unsignedcharRxBuf[28]={0};//unsignedcharPcTx_Buf[6];unsignedchartf=0;voidDelay(unsignedcharn){ unsignedchari; while(n--) for(i=0;i<80;i++); }voidkey_delay(){unsignedinti,j;for(i=1;i<=50;i++){for(j=1;j<=100;j++);}}/*初始化串行口和UART波特率函數(shù)*/voidcom_initialize(void){TMOD=0x20;//T/C1工作在方式2TH1=0xfd;TL1=0xfd;TR1=1;SCON=0x50;}voiduart_Init(){com_initialize();}///////////////////sendthecommand/*voidsend_comd(unsignedcharvalue) {unsignedchari;ES=0;EA=0;PcTx_Buf[0]=value|0xf0;PcTx_Buf[1]=value|0xf0;PcTx_Buf[2]=value|0xf0;PcTx_Buf[3]=value|0xf0; PcTx_Buf[4]=value;PcTx_Buf[5]=value|0xf0; for(i=0;i<=5;i++) {SBUF=PcTx_Buf[i];while(TI==0);TI=0; } ES=1;EA=1;}*/voidmain(){//unsignedcharled1_count=0; //unsignedcharled2_count=0; //unsignedcharlight; //================NRF905初始化nRF905Init(); //================ Config905(); //ConfignRF905module//================= com_initialize();//TMOD=0x20; //SCON=0x50;//TL1=0xfd;//TH1=0xfd;//TR1=1;// TxBuf[0]=1;// TxBuf[1]=1;// SetTxMode(); //Set// TxPacket(TxBuf); //Transmit //LED1=1; //LED2=1;//LED3=1;//LED4=1;//KEY1=1;//KEY2=1;//KEY3=1;//KEY4=1; //Delay(500); //delayforledlight //LED1=1; //LED2=1;//LED3=0; LED4=0; RxBuf[0]=0xff; RxBuf[1]=0xff;RxBuf[2]=0xff;RxBuf[3]=0xff; //ledclose SetRxMode(); //SetnRF905inRxmode while(1) { /*if(KEY1==0){key_delay(); while(KEY1==0); TxBuf[0]=1;tf=1;led1_count=15;} if(KEY2==0){key_delay(); while(KEY2==0); TxBuf[1]=1;tf=1;led2_count=15;} if(KEY3==0){key_delay(); while(KEY3==0); TxBuf[2]=1;tf=1;led2_count=15;} if(KEY4==0){key_delay(); while(KEY4==0); TxBuf[3]=1;tf=1;led2_count=15;} if(tf==1) { SetTxMode(); //Set TxPacket(TxBuf); //Transmit TxBuf[0]=0xff; TxBuf[1]=0xff;TxBuf[2]=0xff; TxBuf[3]=0xff; SetRxMode(); //SetnRF905inRxmode tf=0; }*/ if(RxPacket(RxBuf)==1) //返回1表明有數(shù)據(jù)包接收到 { /*if(RxBuf[0]==1) { //led1_count=15;LED1=!LED1;light=0x01;//send_comd(light);RxBuf[0]=0; } if(RxBuf[1]==1) { //led2_count=15;LED2=!LED2; light=0x02;//send_comd(light);RxBuf[1]=0; }if(RxBuf[2]==1) { //led2_count=15;LED3=!LED3; light=0x03;//send_comd(light);RxBuf[2]=0; }*/ //if(RxBuf[3]=='0') //{ //led2_count=15; SBUF=RxBuf[3]; TI=0;while(!TI);TI=0;LED4=!LED4; //RxBuf[0]=0xff; //RxBuf[1]=0xff;//RxBuf[2]=0xff;RxBuf[3]=0xff;