智能移動機(jī)器人

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1、智能移動機(jī)器人 近年來，隨著機(jī)器人研究的不斷發(fā)展，機(jī)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(yīng)用特點(diǎn)，各種各樣的具有不同功能的機(jī)器人被研制出來, 并且在不同的應(yīng)用領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。 本文主要設(shè)計一個配置機(jī)械手的智能移動機(jī)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(jī)控制、壓力傳感器等技術(shù)。 一、系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖 機(jī)器人系統(tǒng)主要由機(jī)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(jī)系統(tǒng)、 電源系統(tǒng)以及人機(jī)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(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)

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(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，子模塊向上位機(jī)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(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)。 二、機(jī)械手 該機(jī)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(jī)械手具有較大的靈活度，以適應(yīng)抓取不同目標(biāo)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(jī)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(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候，紅外光保持前行；當(dāng)紅外光碰到障礙的時 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

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(jī)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(jī)器人的前、后、左、右四個方向上和機(jī)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(jī)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(yīng)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(yīng)用提供可靠的高性能和靈活性。 嵌入式系統(tǒng)（ES）是計算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、半導(dǎo)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(jìn)技術(shù)和具體應(yīng)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(yīng)用于機(jī)器人的設(shè)計中， 對機(jī)器人的性能智能化、 網(wǎng)絡(luò)化、小型化都有了明顯提高。 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。 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(biāo)物在視覺坐標(biāo)系中

6、的三維坐標(biāo)，并將該坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到 機(jī)器人坐標(biāo)系，然后根據(jù)該坐標(biāo)控制機(jī)械手實(shí)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(xué)的投影，像點(diǎn)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(yuǎn)近感知，就是因?yàn)橛羞@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(yùn)用兩個相同的攝像機(jī)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(yīng)像點(diǎn)，從而計算出視差， 然后采用基于三角測量的方法恢復(fù)深度信息?，F(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(jī)械手小臂上，用來充當(dāng)雙目立體視覺系統(tǒng)的雙目。為實(shí)現(xiàn)機(jī) 械手目標(biāo)自動定位的功能。兩攝像頭將攝取的目標(biāo)物的圖像傳遞到圖像采集模塊，由主 控器傳送至上位機(jī)的立體視覺子系統(tǒng)通過該兩幅二維圖像，計算出目標(biāo)物在攝像頭坐標(biāo) 系中的三維坐標(biāo)，將其轉(zhuǎn)換為在機(jī)器人坐標(biāo)系中的三維坐標(biāo)，并將其傳給機(jī)器人本體上 的Arm9，并完成手臂的運(yùn)動控制，控制手臂運(yùn)動到目標(biāo)物位置，從而實(shí)現(xiàn)自動目標(biāo)定位 的功能。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖所示。 目標(biāo)物體 7V 抓取 機(jī)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(jī)的驅(qū)動。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

8、 應(yīng)用較多的是步進(jìn)電機(jī)和直流電機(jī)兩種。 步進(jìn)電動機(jī)是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成機(jī)械角位移模擬量的控制電機(jī)，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(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn) 速。 直流電機(jī)采用PWM控制，只需要通過軟件改變 pwm波的占空比就可實(shí)現(xiàn)調(diào)速，這對 提高移動機(jī)器人運(yùn)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(jī)就選用直流電機(jī) 直流電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖 圖5 Arm控制電機(jī)系統(tǒng)原理 部分電機(jī)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(jī)PWM丄 6 ■&機(jī)if吠* L ? ] 】鼻 電正広疋 10 電機(jī)FWM2 ]1 ±L^LlEE*2 92 電機(jī)正賁1 EH A OUT] 1N4 圖6電機(jī)驅(qū)動電路圖 以下是電機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖: 圖7電機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 由于直流電機(jī)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(shí)時性的要求，實(shí)際 中常采用閉環(huán)控制技術(shù)來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。 電機(jī)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(fù)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(shí)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?yàn)閱伍]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(jī)械臂伺服電機(jī)驅(qū)動： 機(jī)械臂主要由手部和運(yùn)動機(jī)構(gòu)組成。手部是用來抓持目標(biāo)物體，運(yùn)動機(jī)構(gòu)使手部完 成各種轉(zhuǎn)動、移動或復(fù)合運(yùn)動來實(shí)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(jī)來控制。抬手臂（舵機(jī)1驅(qū)動）、轉(zhuǎn)手臂（舵機(jī)2驅(qū)動）、 肘轉(zhuǎn)（舵機(jī)3驅(qū)

11、動）、腕轉(zhuǎn)（舵機(jī)4驅(qū)動）、手爪開閉（舵機(jī)5驅(qū)動）。 由Arm9產(chǎn)生六路占空比可調(diào)的PWM號來控制機(jī)械手的運(yùn)動如圖 &利用上位機(jī)與 Arm9通信，改變占空比從而控制機(jī)械臂如圖9。為了使機(jī)械手運(yùn)動時保持一定的連貫性， 同時刻到達(dá)指定位置，機(jī)械手不同部位運(yùn)動的速度應(yīng)該不同，轉(zhuǎn)一個小角度時舵機(jī)的速 度應(yīng)該慢一些，從而達(dá)到柔性控制。 圖8改變控制信號占空比對應(yīng)舵機(jī)輸出軸轉(zhuǎn)角 舵機(jī)的主體結(jié)構(gòu)有五個部分：外殼、減速齒輪組、電機(jī)、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(jī)轉(zhuǎn)動，電機(jī)帶動一系列齒輪組， 減速后傳動至輸出舵盤。舵機(jī)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(jìn)行反饋，然后控制 電路板，根據(jù)所在位置決定電機(jī)的轉(zhuǎn)動方向和速度，從而達(dá)到目標(biāo)停止。 圖9 Arm9控制舵機(jī)執(zhí)行原理 四、元器件選型 機(jī)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(jī)和以DSP為核心的下 位機(jī)傳感器、電機(jī)控制器。系統(tǒng)的上位機(jī)由基于 ARM920T內(nèi)核的S3C2440嵌入式開發(fā)板 構(gòu)成，下位機(jī)以TMS320F281芯片為核心構(gòu)成分布式的 DSP雙足機(jī)器人的關(guān)節(jié)控制器， 上位機(jī)和下位機(jī)之間通過CAN總線連接并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。 上位機(jī)ARM吐要負(fù)責(zé)系統(tǒng)的初始化、遠(yuǎn)程通信、組織管理、任務(wù)規(guī)劃、

13、任務(wù)調(diào)度以 及與下位機(jī)DSP的通訊等任務(wù)。ARM上運(yùn)行有實(shí)時操作系統(tǒng)，負(fù)責(zé)多任務(wù)的調(diào)度和任務(wù) 的執(zhí)行，并通過CAN總線向下位機(jī)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(jī)DSP$制器返回的機(jī)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(jī)ARM將這些接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，結(jié)合預(yù)期的機(jī)器人抓取動 作規(guī)劃對機(jī)器人的下一個抓取動作做出相應(yīng)的指示，保證機(jī)器人的實(shí)際運(yùn)動狀況和預(yù)期 規(guī)劃的運(yùn)動在允許的偏差范圍內(nèi)保持一致，從而達(dá)到預(yù)期的目的以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人平穩(wěn)的運(yùn) 動和做出各種預(yù)期的抓取動作姿態(tài)。下位機(jī)各 DSF控制器主要負(fù)責(zé)接收來自上位機(jī)的控 制指令和控制參數(shù)，按規(guī)定

14、的協(xié)議進(jìn)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(jī)器人電機(jī)的控制。DSF在執(zhí)行運(yùn)動控制指令的同時還將機(jī)器人實(shí)際運(yùn)動情況 反饋給上位機(jī)ARM9與上位機(jī)進(jìn)行信息交換，以便上位機(jī)根據(jù)當(dāng)前的運(yùn)動狀態(tài)決策下一 步的抓取指令和參數(shù)。下位機(jī)DSF控制器在接收到上位機(jī)發(fā)送來的控制參數(shù)之后應(yīng)該迅 速做出響應(yīng)，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(yīng)的調(diào)整。 機(jī)器人移動機(jī)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(jī)，驅(qū)動輪的直徑12cm隨動輪的直徑15cm。移動機(jī)構(gòu)的平面最大移動速度達(dá)到 1.14 米/秒。 機(jī)械臂控制舵機(jī)為了減小機(jī)器人本身重量可以采用輝盛 SG909G它機(jī)，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(dá)到要求抓取 2Kg物體還得通過實(shí)驗(yàn)獲得數(shù)據(jù)來確定。