智能移動機器人

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1、智能移動機器人 近年來，隨著機器人研究的不斷發(fā)展，機器人技術(shù)開始源源不斷地向人類活動的各 個領(lǐng)域滲透，結(jié)合這些領(lǐng)域的應用特點，各種各樣的具有不同功能的機器人被研制出來, 并且在不同的應用領(lǐng)域都得到了廣泛的應用。 本文主要設(shè)計一個配置機械手的智能移動機器人，可以調(diào)速、轉(zhuǎn)彎、抓取物體。涉 及到雙目攝像頭定位、激光測距、電機控制、壓力傳感器等技術(shù)。 一、系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖 機器人系統(tǒng)主要由機械系統(tǒng)、驅(qū)動控制系統(tǒng)、視覺系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)、上位機系統(tǒng)、 電源系統(tǒng)以及人機交互系統(tǒng)等組成。 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如下： A 圖1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖 智能機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

2、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)處理機制，數(shù)據(jù)處理都在本模塊的 DSP處理器 中完成。上位機只是負責數(shù)據(jù)融合、任務分解、策略選擇制定、協(xié)調(diào)控制各子模塊等工 作。當上位機需要某個模塊的數(shù)據(jù)時，子模塊向上位機提供該模塊經(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)， 大大減少了上位機的負擔。采用這種方式既提高了上位機的效率，又增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定 性，方便系統(tǒng)的維護。 二、機械手 該機械手的設(shè)計仿照人類手臂的構(gòu)造，總共有五個自由度，包括抬手臂轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)， 肩轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，肘轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，腕轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，手爪旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)與手爪開閉關(guān)節(jié)。這

3、種多自由度 的設(shè)計使得機械手具有較大的靈活度，以適應抓取不同目標物體的要求。 三、控制系統(tǒng) 1、 感知系統(tǒng) 感知系統(tǒng)也就是傳感器系統(tǒng)，本智能機器人系統(tǒng)的傳感器系統(tǒng)可以只包含兩個傳感 器，一個是測障、測距用激光傳感器，一個是抓物時壓力感測的壓力傳感器。 紅外測距傳感器（簡稱 PSD： Poison Sensitive Detect。）： 通常采用光學三角測量方法來確定機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，當紅外光沒有碰到障礙的時候，紅外光保持前行；當紅外光碰到障礙的時 候，紅外光反射回來，并進入探測器。這樣，在反射點，發(fā)射器，探測器之間形成一個 三角形，探測器通過鏡面

4、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算障礙物的距離。本機器人系統(tǒng)配置 4路PSD傳感器，分別 以接近于90度的角度間距安裝于機器人的前、后、左、右四個方向上和機械臂抓手的手 掌內(nèi)。 圖2 PSD傳感器位置示意圖 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。裝在機械臂抓 手的每個手指上。 傳感器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 壓力傳感器1 DSP 激光傳感器5（手掌） 激光傳感器3 （左） 壓力傳感器5 ——> 激光傳感器4 （右） 圖3傳感器系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 2、 控制器：Arm9 ARM9

5、系列微處理器主要應用于無線設(shè)備， ARM9系列處理器可為要求苛刻、成本 敏感的嵌入式應用提供可靠的高性能和靈活性。 嵌入式系統(tǒng)（ES）是計算機技術(shù)、通信技術(shù)、半導體技術(shù)、微電子技術(shù)、語音圖像數(shù) 據(jù)傳輸技術(shù)，甚至傳感器等先進技術(shù)和具體應用對象相結(jié)合后的系統(tǒng)，其是硬件和軟件 緊密捆綁在一起的系統(tǒng)。將嵌入式系統(tǒng)應用于機器人的設(shè)計中， 對機器人的性能智能化、 網(wǎng)絡化、小型化都有了明顯提高。 機器人需要有智能較高的自動控制性能與可靠的機械控制性能的同時保證。在此以 ARM9處理器為核心，對基于嵌入式系統(tǒng)的智能機器人進行了設(shè)計。 攝像頭雙目定位系統(tǒng)： 由雙目立體視覺技術(shù)計算出目標物在視覺坐標系中

6、的三維坐標，并將該坐標轉(zhuǎn)換到 機器人坐標系，然后根據(jù)該坐標控制機械手實現(xiàn)自動定位。 人通過雙眼觀察客觀的三維世界的景物，通過幾何光學的投影，像點在左右兩眼視 網(wǎng)膜上的投影位置不同，這種兩眼視網(wǎng)膜上的位置差就稱之為雙目視差 （Bi no cular Disparity），簡稱視差。人能有物體的遠近感知，就是因為有這個視差，再經(jīng)過大腦的加 工形成的?；谝暡罾碚摰碾p目立體視覺，就是運用兩個相同的攝像機對同一景物從不 同位置成像，獲得景物的立體圖像對，通過各種算法匹配出相應像點，從而計算出視差， 然后采用基于三角測量的方法恢復深度信息。現(xiàn)有的絕大多數(shù)雙目立體視覺系統(tǒng)均采用 這項原理。 兩個攝像

7、頭被安裝在機械手小臂上，用來充當雙目立體視覺系統(tǒng)的雙目。為實現(xiàn)機 械手目標自動定位的功能。兩攝像頭將攝取的目標物的圖像傳遞到圖像采集模塊，由主 控器傳送至上位機的立體視覺子系統(tǒng)通過該兩幅二維圖像，計算出目標物在攝像頭坐標 系中的三維坐標，將其轉(zhuǎn)換為在機器人坐標系中的三維坐標，并將其傳給機器人本體上 的Arm9，并完成手臂的運動控制，控制手臂運動到目標物位置，從而實現(xiàn)自動目標定位 的功能。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖所示。 目標物體 7V 抓取 機械手 V； 圖4雙目定位系統(tǒng)配置圖 3、 驅(qū)動系統(tǒng) 輪速控制驅(qū)動： 驅(qū)動系統(tǒng)主要是電機的驅(qū)動。電機是移動機器人的動力源泉，目前移動機器人領(lǐng)域

8、 應用較多的是步進電機和直流電機兩種。 步進電動機是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成機械角位移模擬量的控制電機，其輸出的位 移大小與輸入脈沖個數(shù)成正比且時間上與脈沖同步，通過改變脈沖頻率調(diào)節(jié)步進電機轉(zhuǎn) 速。 直流電機采用PWM控制，只需要通過軟件改變 pwm波的占空比就可實現(xiàn)調(diào)速，這對 提高移動機器人運動中的靈活性非常有用。 考慮使用嵌入式Arm作為控制器時設(shè)計可靠性，驅(qū)動電機就選用直流電機 直流電機驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖 圖5 Arm控制電機系統(tǒng)原理 部分電機控制驅(qū)動電路 卜CP3 岀神at TN2 OUT2 IS EH A L29曲 KEH B OUTS IN3 OUT

9、4 EK B DID Ml 電直 M2 電楓 SV 47t^f7L6y_-_ 電機PWM丄 6 ■&機if吠* L ? ] 】鼻 電正広疋 10 電機FWM2 ]1 ±L^LlEE*2 92 電機正賁1 EH A OUT] 1N4 圖6電機驅(qū)動電路圖 以下是電機控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖: 圖7電機控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 由于直流電機的開環(huán)控制技術(shù)不能消除轉(zhuǎn)速差率以及不能滿足實時性的要求，實際 中常采用閉環(huán)控制技術(shù)來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。 電機的閉環(huán)控制系統(tǒng)可以是單閉環(huán)系統(tǒng)（速度閉環(huán)）, 也可以是雙閉環(huán)（速度環(huán)和電流環(huán)）。轉(zhuǎn)速負反饋單閉環(huán)控制系統(tǒng)可以保證系

10、統(tǒng)穩(wěn)定的條 件下實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差，但是如果對系統(tǒng)的動態(tài)性能要求較高的話，如快速啟制動，單閉 環(huán)系統(tǒng)就很難滿足要求，這是因為單閉環(huán)系統(tǒng)不能完全按照需求來控制動態(tài)過程的電流 和轉(zhuǎn)矩。為了改善動態(tài)性，就要在速度反饋單閉環(huán)控制的基礎(chǔ)上再引入電流反饋來控制 系統(tǒng)動態(tài)過程中的電流和轉(zhuǎn)矩，系統(tǒng)采用雙閉環(huán)控制系統(tǒng) （外速度環(huán)和內(nèi)電流環(huán)）。 機械臂伺服電機驅(qū)動： 機械臂主要由手部和運動機構(gòu)組成。手部是用來抓持目標物體，運動機構(gòu)使手部完 成各種轉(zhuǎn)動、移動或復合運動來實現(xiàn)規(guī)定的動作。為了抓取空間中任意位置和方位的物 體,需有五個自由度，用五個舵機來控制。抬手臂（舵機1驅(qū)動）、轉(zhuǎn)手臂（舵機2驅(qū)動）、 肘轉(zhuǎn)（舵機3驅(qū)

11、動）、腕轉(zhuǎn)（舵機4驅(qū)動）、手爪開閉（舵機5驅(qū)動）。 由Arm9產(chǎn)生六路占空比可調(diào)的PWM號來控制機械手的運動如圖 &利用上位機與 Arm9通信，改變占空比從而控制機械臂如圖9。為了使機械手運動時保持一定的連貫性， 同時刻到達指定位置，機械手不同部位運動的速度應該不同，轉(zhuǎn)一個小角度時舵機的速 度應該慢一些，從而達到柔性控制。 圖8改變控制信號占空比對應舵機輸出軸轉(zhuǎn)角 舵機的主體結(jié)構(gòu)有五個部分：外殼、減速齒輪組、電機、電位器、控制電路。工作 原理：控制電路接受來自信號線的控制信號，控制電機轉(zhuǎn)動，電機帶動一系列齒輪組， 減速后傳動至輸出舵盤。舵機的輸出軸和位置反饋電位計是相連的，舵盤轉(zhuǎn)

12、動的同時， 帶動位置反饋電位計，電位計將輸出一個電壓信號到控制電路板，進行反饋，然后控制 電路板，根據(jù)所在位置決定電機的轉(zhuǎn)動方向和速度，從而達到目標停止。 圖9 Arm9控制舵機執(zhí)行原理 四、元器件選型 機器人控制系統(tǒng)主要由兩部分組成， 即以ARM為核心的上位機和以DSP為核心的下 位機傳感器、電機控制器。系統(tǒng)的上位機由基于 ARM920T內(nèi)核的S3C2440嵌入式開發(fā)板 構(gòu)成，下位機以TMS320F281芯片為核心構(gòu)成分布式的 DSP雙足機器人的關(guān)節(jié)控制器， 上位機和下位機之間通過CAN總線連接并實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。 上位機ARM吐要負責系統(tǒng)的初始化、遠程通信、組織管理、任務規(guī)劃、

13、任務調(diào)度以 及與下位機DSP的通訊等任務。ARM上運行有實時操作系統(tǒng)，負責多任務的調(diào)度和任務 的執(zhí)行，并通過CAN總線向下位機DSP控制器發(fā)送有特定數(shù)據(jù)格式的控制指令和控制參 數(shù)。同時，ARM還接收下位機DSP$制器返回的機器人各個傳感器及狀態(tài)、位置參數(shù)、 姿態(tài)等相關(guān)參數(shù)。上位機ARM將這些接收到的數(shù)據(jù)進行處理，結(jié)合預期的機器人抓取動 作規(guī)劃對機器人的下一個抓取動作做出相應的指示，保證機器人的實際運動狀況和預期 規(guī)劃的運動在允許的偏差范圍內(nèi)保持一致，從而達到預期的目的以實現(xiàn)機器人平穩(wěn)的運 動和做出各種預期的抓取動作姿態(tài)。下位機各 DSF控制器主要負責接收來自上位機的控 制指令和控制參數(shù)，按規(guī)定

14、的協(xié)議進行轉(zhuǎn)換、解釋，并結(jié)合固化在 DSFg制器中的控制 算法完成對機器人電機的控制。DSF在執(zhí)行運動控制指令的同時還將機器人實際運動情況 反饋給上位機ARM9與上位機進行信息交換，以便上位機根據(jù)當前的運動狀態(tài)決策下一 步的抓取指令和參數(shù)。下位機DSF控制器在接收到上位機發(fā)送來的控制參數(shù)之后應該迅 速做出響應，結(jié)合控制算法給驅(qū)動器發(fā)送控制指令，同時通過光電編碼器等傳感器件反 饋回來的信號再對控制指令（或者PWM波序列）做相應的調(diào)整。 機器人移動機構(gòu)采用三輪結(jié)構(gòu)（一驅(qū)動輪+兩隨動輪）。驅(qū)動輪采用12V的DC伺服電 機，驅(qū)動輪的直徑12cm隨動輪的直徑15cm。移動機構(gòu)的平面最大移動速度達到 1.14 米/秒。 機械臂控制舵機為了減小機器人本身重量可以采用輝盛 SG909G它機，其扭矩： 1.6kg ? cm(4.8V)工作電壓：3.5V — 6V,可以增加電壓(例如 6V)來增大扭矩，來加大 可抓取的物體重量，要達到要求抓取 2Kg物體還得通過實驗獲得數(shù)據(jù)來確定。