基于ROS機(jī)器人操作系統(tǒng)的水下機(jī)械臂控制系統(tǒng)的研究

基于ROS機(jī)器人操作系統(tǒng)的水下機(jī)械臂控制系統(tǒng)的研究本文以R5M水下機(jī)械臂為控制對(duì)象，以水下機(jī)械臂的實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景為參考，研究了水下機(jī)械臂控制系統(tǒng)的集成，提出了一種水下機(jī)械臂控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。首先對(duì)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了介紹，其次使用Zynq-7020全可編程硬件平臺(tái)搭建水下機(jī)械臂控制系統(tǒng)的硬件框架，再使用ROS機(jī)器人操作系統(tǒng)搭建水下機(jī)械臂控制系統(tǒng)的軟件框架。最后通過實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，測(cè)試控制系統(tǒng)軟件平臺(tái)的功能。1.國內(nèi)外水下機(jī)械臂研究現(xiàn)狀1.1國外水下機(jī)械臂研究現(xiàn)狀西方國家較早開始對(duì)海洋的探索，在發(fā)展水下設(shè)備的過程中開展了水下機(jī)械臂的研究，經(jīng)歷了50多年的發(fā)展，技術(shù)相對(duì)成熟。且隨著水下機(jī)械臂技術(shù)的不斷完善與應(yīng)用場(chǎng)景的增多，逐步向商用化方向發(fā)展，許多外國公司相繼推出了更多針對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)景的商用水下機(jī)械臂。美國Schilling公司是著名的水下機(jī)器人公司，其研發(fā)的Orion7P是一款重型七功能液壓水下機(jī)械臂。重量為54kg,一般搭載于中型ROV上進(jìn)行水下安裝與勘探任務(wù)。Titan4也是一款七功能水下機(jī)械臂。區(qū)別于Orion7P,Titan4的重量更高，達(dá)到100kg,專為重型ROV搭載設(shè)計(jì)，采用液壓驅(qū)動(dòng)方式，可以抓取搬運(yùn)400kg重量以內(nèi)的物體。英國科技公司Hydro-lek科技公司設(shè)計(jì)了多款專為小型ROV搭載的水下機(jī)機(jī)械臂。兩款水下機(jī)械臂都采用了液壓驅(qū)動(dòng)的方式，適用于輕型ROV搭載，可以在2000米水深內(nèi)進(jìn)行作業(yè)。我國自1980年起開始對(duì)水下機(jī)器人和水下機(jī)械臂進(jìn)行研究，相較于發(fā)達(dá)國家而言，國內(nèi)該方面研究起步較晚，缺乏技術(shù)的積累，具有較大的差距。目前我國水下機(jī)械臂的研究大多處于實(shí)驗(yàn)室科研階段，缺乏商用水下機(jī)械臂產(chǎn)品，在海洋探索研究等領(lǐng)域所使用的水下機(jī)械臂依舊依賴于進(jìn)口產(chǎn)品。近年來我國眾多科研院校積極參與水下機(jī)器人與水下機(jī)械臂的研究，華中科技大學(xué)是我國最早開始研究水下機(jī)械臂的院校單位，其最新研發(fā)的“華海-4E”水下機(jī)械臂為四功能水下機(jī)械臂，采用了電驅(qū)設(shè)計(jì)，為提升耐壓性，采用了油壓密封的方式，可以承受水深3500內(nèi)水壓。2.水下機(jī)械臂控制系統(tǒng)硬件功能設(shè)計(jì)2.1串口通信IP核設(shè)計(jì)在水下機(jī)械臂控制系統(tǒng)中，水下機(jī)械臂控制器與R5M電動(dòng)水下機(jī)械臂和其他專用水下傳感器設(shè)備均使用串口通信的模式。本文使用了Zynq-7020平臺(tái)中PL硬核設(shè)計(jì)水下機(jī)械臂控制器的串口通信模塊，利用FPGA可以自定義電路的特性，同時(shí)設(shè)計(jì)出任意多路串口通信模塊，相互獨(dú)立進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送，提高了多路數(shù)據(jù)的通信速度。水下機(jī)械臂末端通常會(huì)安裝高清攝像頭，用于采集水下圖像，有利于遠(yuǎn)程控制人員觀察水下環(huán)境。OV7725圖像傳感器具有高感光性，適合在光線較弱的水下環(huán)境中使用，該攝像頭內(nèi)部集成了圖像處理單元，可以輸出640*480像素圖像，輸出幀率可達(dá)60fpsc本文根據(jù)OV7725圖像傳感器的信號(hào)時(shí)序圖，在Zynq-7020平臺(tái)的PL端設(shè)計(jì)圖像采集IP核，利用FPGA的特性，通過硬件時(shí)序，按幀獲取OV7725圖像傳感器輸出的圖像數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)換為視頻流格式。在Vivado環(huán)境下，使用VerilogHDL語言進(jìn)行設(shè)計(jì)得到視頻圖像采集IP核。2.3嵌入式系統(tǒng)部署Zynq-7020平臺(tái)中的PS核是由雙核的ARMCrotex-A9組成，與傳統(tǒng)ARM芯片相同，可以部署Linux等嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)。故本設(shè)計(jì)按照先獲取硬件描述文件，再配置Petalinux工程，最后編譯Petalinux工程的步驟在Zynq-7020平臺(tái)中的PS端部署Ubuntu16.04操作系統(tǒng)，并安裝ROS機(jī)器人操3.水下機(jī)械臂控制系統(tǒng)軟件功能設(shè)計(jì)機(jī)器人統(tǒng)一的描述格式。使用ROS機(jī)器人操作系統(tǒng)搭建水下機(jī)械臂的軟件控制環(huán)境時(shí)，需要設(shè)計(jì)水下機(jī)械臂模型并導(dǎo)入ROS。機(jī)器人模型由若干個(gè)joint與若干個(gè)link連接而成。模型中的關(guān)節(jié)joint兩端連接至兩個(gè)link,分別為parentlink和childlink。URDF模型可以自行完成坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換的順序是先父連桿坐標(biāo)系，再關(guān)節(jié)坐標(biāo)系，最后為子連桿坐標(biāo)系。以此類推，完成機(jī)器3.2水下機(jī)械臂MoveIt!功能包配置本文配置水下機(jī)械臂MoveIt!功能包的基本流程如下：(1)生成水下機(jī)械臂SRDF文件。在SRDF文件中需要對(duì)機(jī)器人關(guān)節(jié)進(jìn)行分組，為每個(gè)關(guān)節(jié)添加更多的物理屬性，實(shí)現(xiàn)碰撞檢測(cè)等高階等功能；(2)添加配置文件。配置機(jī)器人運(yùn)動(dòng)解算功能、運(yùn)動(dòng)規(guī)劃功能與機(jī)器人傳(3)創(chuàng)建啟動(dòng)文件。在ROS內(nèi)啟用功能包時(shí)，需要編寫啟動(dòng)文件即launchfile,其中包含了在器人控制中用到的所有功能節(jié)點(diǎn)。ros_control是ROS機(jī)器人操作系統(tǒng)為機(jī)器人控制開發(fā)提供的中間控件功能下機(jī)械臂有五個(gè)功能關(guān)節(jié)，為機(jī)械臂的每個(gè)關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)joint_position_controller,接收joint_state話題發(fā)布的目標(biāo)的角度，通過ros_control直接提供的PID控制器輸出控制指令。4.結(jié)論本文基于ROS機(jī)器人操作系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了PC與嵌入式協(xié)同工作的水下機(jī)械臂的控制系統(tǒng)，由于ROS機(jī)器人操作系統(tǒng)中內(nèi)置了多種機(jī)器人功能包，可以快速實(shí)現(xiàn)各類控制計(jì)算，滿足了控制系統(tǒng)對(duì)開發(fā)便捷性需求；同時(shí)由于ROS機(jī)器人操作系統(tǒng)的分布式架構(gòu)特性使其可以部署在PC端與嵌入式端，并利用網(wǎng)絡(luò)通信完成數(shù)據(jù)交互，滿足了控制系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)通信的需求；通過在PC端的ROS中實(shí)現(xiàn)控制功能的計(jì)算，滿足了控制系統(tǒng)對(duì)計(jì)算能力的需求。ManipulatorandItsFree-FloatingAutonomousOperation[J].IEEETransactiononMechatronics,2016,21(2):815-824.ManipulatorBasedonROSPlatform[J].JournalofShanghaiJiaotongUniversity,2016,50:94-97.[3]李鳳.基于ROS的機(jī)械臂控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].37(11):72-76.自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2018,[4]ZhaiX,Ait-Si-Ali