武汉艾崴“智能防爆小型机器人”重点专项项目启动引领创新
2020-06-02 16:08:47
随着机器人在各领域的发展，小型防爆机器人在快速侦测、排除公共场所可疑危险品等优势逐渐显现。武汉艾崴对小型防爆机器人的工作原理进行了研究，提出了通过远程图传及无线摇杆控制器，能够在远处观测现场情况，并操作摇杆控制机器人执行动作指令，完成排险和防爆任务的系统设计。系统主要由双履带底盘、双机械臂、云台、主控模块和多种辅助传感器构成。
二十一世纪以来，随着智能科技在国民经济各领域的发展，智能机器人的发展也随之取得了长足进步，智能机器人的应用领域也不断扩展，人们希望机器人能够灵活地适应各种工作环境，完成更多复杂任务。可远程监视及操控的机器人具有优越的机动性和灵活性，在实际中得到了广泛应用，如公共场所、交通、医疗、军事等领域。本文涉及的可远程监
视及操控的移动机器人为保证公共场所安全执行巡逻、排险、防爆等任务，具有重要的社会作用。
一、小型防爆机器人系统整体设计
系统整体设计如图 1 所示。
二、双履带底盘设计
考虑到小型防爆机器人所面临的排爆环境因素较为复杂，因而对移动平台有多方面的要求，包括越障能力、地形适应能力、转弯效率、载重能力等。对比常用的三种底盘，轮式底盘、履带底盘和腿式底盘，综合三者的优缺点和对公共场所的适应性，本系统选择双履带式底盘。
由于本系统使用的模块较多，质量较重，因此底盘的刚性要强，否则易造成车辆变形，影响机器人行走。因而双履带式底座在整体结构上采用仿坦克型，材料上兼顾机器人的轻便性，与电机固定的底板承受着整个机器人的重量，材质为不锈钢，上部的盖板主要承受机械臂和云台的重量，材质为8 mm 厚的亚克力板。
三、双机械臂设计
3.1 双机械臂机构
机械臂是小型防爆机器人的重要外设，承担着抓取、搬 运、放下等动作任务。因而要求机械臂具有机构比例适当、可活动的关节和可靠的抓取装置。对比单只机械手和多只机械手的优缺点，虽然多只机械手在机构上更加复杂、控制更加困难，但多只机械手可协同作业使操作性更加灵活，操作空间范围更广，更符合执行多样性任务的小型防爆机器人的要求。同时自由度对机械臂的动作执行效果影响较大，自由度较少时，机械臂能够执行的动作较少、灵活性差，但其结构简单，可靠性强；自由度较多时，机械臂能够执行的动作较多，灵活性好，但其结构复杂，可靠性差。
本系统采用两个自由度为 5 的机械臂，并各配有一个机械爪，整体较灵活，如图 2 所示。
其中双机械臂中主要使用了数字舵机作为动力来源。数字舵机在体积和质量上优于步进电机，更适合小型机械装置，只需 PWM 信号就可完成精确控制。同时为了减轻机械臂的重量，关节连接件均选用铝材料。
3.2 双机械臂的控制
为提高系统指令的响应速度和使机械臂模块化，运用舵机控制板控制机械臂上的数字舵机，分担主控 STM32 处理器的处理的数据量。舵机控制板以微型控制器 STM32F03VET6
为核心，通过 USART与主控板通信，输出 PWM 信号给数字舵机，最多可同时控制 24 个数字舵机。
3.3 双机械臂性运动学分析
机器人操作手通常为开链空间连杆机构，各杆件间通常由转动副和移动副相连接。开链一段安装在基座上，另一端为末端执行器。各关节由驱动器驱动，关节的相对运动引起连杆的运动，进而确定末端执行器在空间的位置和姿态。齐次坐标和齐次变换是解决机器人操作手运动学的常用数学工具 。
采用齐次坐标和齐次变换分析，首先列出单只机械臂结构参数表，见表 1 所列。
运用 Matlab 软件，将表 1中的数据带入程序中，可得双机械臂的工作空间。两个单独机械臂工作空间重叠部分，为双机械臂的协作空间。云空间及投影如图 3-图 6 所示。
四、 云台及图传设计
云台及图传如同小型防爆机器人的眼睛，需采集现场画面信息并通过无线传输给操作人员，因此云台结构以能够提供更多视觉角度为设计原则。
云台模块由三个数字舵机和直流推杆组成，并配有舵机控制板，使用统一的串口通信格式与主控模块通信，从而控制云台。云台的直流推杆可调节云台的高度，使得小型防爆机器人能从较高处采集视觉信息，避免因高大的障碍物遮挡而无法观测。云台的最顶端配有图传模块和灯光补偿装置，使机器人可在不同环境下从更多角度采集视频信息。
图传模块由摄像机、图传发射机和视频接收器组成。摄像机输出 AV 信号给图传发射机，图传发射机通过无线传输给视频接收机，视频接收机接收数据并解析，从而完成图像传输。摄像机选用的是具有 F2.8 光圈和 155°超广角小蚁运动摄像机，能够提供更优质的图像信息。图传发射机选用奥姆威5.8 G 图传发射机，发射频率为 5.8 GHz，四级可调功率，具 有 40 个可调频道。视频接收器选用 7 寸内置 5.8 双路接收一体机显示器，分辨率为 800×480。
灯光补偿装置选用四个功率为 2 W 的高亮 LED 灯组成的LED 灯模块。主控模块可以输出的控制信号通过 L298N 驱动电路，来控制LED 灯的开关，为小型防爆机器人提供灯光补偿。
五、 主控模块与辅助传感器
机器人主控模块采用微型控制器 STM32F03 ZET6。STM32 系列微控制器是由意法半导体公司以 ARM Cortex-M3为内核开发生产的 32 位微控制器，专为高性能、低成本的嵌入式应用设计。STM32F03ZET6 为“增强型”系列，最高工作频率为 72 MHz，内置高速存储器（最高可达 512 kB 的闪存和 64 kB 的 SRAM），拥有丰富的外设资源，12 通道的 DMA
控制器、16 通道的 A/D 转换器、最高达 112 个快速 I/O 口 （I/O 口翻转速度可达 18 MHz）和 11 个定时器等，还具有多个通信接口方便与外接模块通信 [6]。开发人员可在 Keil 软件上编译好程序，通过下载器下载到芯片中，完成在线调试。
主控模块通过通信指令控制辅助传感器采集和发送数据，从而使小型防爆机器人能够完成周围环境信息采集，接受数据并将信息回传摇杆控制器。主要的辅助传感器包括无线通信模块、GPS 模块和电子罗盘模块。
GPS 的作用在于能够获取小型防爆机器人的室外定位信息，操作人员能实时了解小型防爆机器人所处的位置。GPS模块使用 U-BLOX 公司生产的以 NEO-7N 为内核的卫星定位器，最高定位精度为 2.5 m。模块上搭载微处理器，可解析GPS 模块中的原始数据，并通过串口将定位信息传到主控模块。
电子罗盘模块采用体积小、功耗小的 AHRS 模块 GY953，将得到的三轴陀螺仪、三轴加速度计和三轴磁力计的数据利用四元数进行互补融合，解算出姿态角 [7]，从而得到小型防爆机器人姿态数据。其中的融合算法运算量较大，占用的 CPU资源较多，因而由配有的微处理器处理，将数据结果通过串口传回主控模块。使用额外处理器能够大大节省主控模块的CPU 资源，从而加快整个系统的响应速度。
无线通信模块采用的是 SX1278/76 射频模块，通信方式为 USART 串行接口。 射频模块功率为 1 W（30 dBm），SX1278/SX1276 芯片方案采用先进的 LoRa 扩频技术，通信距离为 8 000 m，抗干扰能力强。在地域复杂的情况下，保证通过摇杆控制器能对小型防爆机器人平台进行有效控制。
串口通信是一种常见的数据通信方式。串口通信按位发送和接收字节，仅使用 3 条线 TX，RX 和地线，并在微处理器中进行简单的初始化配置，就可完成数据传输。本系统中无线通信模块与主控模块之间的串口通信，采用的是半双工单线通信方式，波特率为9600 b/s。
六、软件设计
小型防爆机器人平台的程序流程如图7所示。系统通电后，各模块初始化。若有模块初始化不成功，蜂鸣器响起，提示操作人员。各模块初始化后，系统进入循环，依次读取通信模块的数据、模块数据，对通信数据包进行解析，判断通信数据包是否正确。若数据正确，刷新所显示的通信数据，否 则 LED 闪烁，重新读取数据。当通信数据正确，将它模块数据比较，确定系统是否可执行，防止操作人员误操作，保证系统的可靠性。若可操作，则执行并读取执行指令后的模块数据，再发送模块数据，否则直接发送模块数据，进入下一个循环。
摇杆控制器的程序流程如图 8 所示。系统通电后，各模块初始化，判断各模块初始化是否成功，若初始化成功，则进入循环，否则蜂鸣器响起，提醒操作人员。依次读取遥感数据、编码遥感数据、发送遥感数据，刷新所显示的遥感数据。再读取通信模块数据，判断通信模块数据是否正确，若数据正确，则刷新所显示的通信模块数据进入下一个循环，否则LED 闪烁，重新开始读取数据。
通过对小型防爆机器人机械结构、控制系统的软硬件设计，制作出一台可通过远程图传及无线摇杆进行控制的小型防爆机器人，如图 9 所示。通过屏幕观测远处的现场情况，操作摇杆控制机器人完成各种动作，实现在公共场所活动中，帮助安保人员执行巡逻、排险、防爆等任务，具有广范的应用价值和前景。
