基于A(yíng)RM的危險品搬運機器人的設計與實(shí)現

隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)化，智能化的程度進(jìn)一步得到了提高，新一代搬運車(chē)的研發(fā)在國內外受到越來(lái)越多的重視。由于有一些物品具有很高的危險性，不能用人工直接進(jìn)行搬運，我們設計實(shí)現了危險物品搬運機器人系統?？梢赃\用手動(dòng)控制機器人的搬運，避免了人與危險物品的直接接觸，適用于搬運有毒、易爆的物品，在實(shí)際應用中很有意義。如果能夠用智能化機器人系統來(lái)替代人來(lái)到危險區的話(huà)，那樣將會(huì )大大減少許多事故的發(fā)生。

1 搬運機器人系統的功能需求

該系統分為兩部分：車(chē)載遠端控制系統和監控平臺。車(chē)載遠端控制系統根據監控平臺發(fā)出的控制指令執行動(dòng)作，并將采集到的實(shí)時(shí)視頻圖像發(fā)回監控平臺;監控平臺則不斷接收車(chē)載遠端控制系統發(fā)回的圖像和信息，根據情況遙控操作機器人，實(shí)現主從式遙控操作。該系統的設計具有以下的功能：

1)具有輪式行走機構，控制性能好，靈活機動(dòng)，速度快，平穩，可靠性高;

2)具有視頻監控的功能，能過(guò)看到周?chē)沫h(huán)境;

3)具有靈恬的機械手，平穩而快速地夾持危險品并搬運至指定位置。

根據危險物品搬運機器人功能需求的特點(diǎn)可以歸納出該系統的性能需求主要包括：

1)機器人直線(xiàn)行走和轉彎行走;

2)USB攝像頭采集圖像;

3)機械臂帶云臺，轉動(dòng)范圍180度;

4)AS-6DOFB型六自由度機械臂，用來(lái)抓取物品。

該系統以ARM處理器S3C6410為核心，選用6410開(kāi)發(fā)板作為主板。各個(gè)模塊都是由開(kāi)發(fā)板控制。機器人主要由硬件系統和軟件系統構成。硬件系統主要包括：ARM處理器、外圍接口電路、六自由度機械臂、攝像頭、小車(chē)車(chē)體以及電源等，其中ARM處理器核心;軟件包括：嵌入式LINUX操作系統、外設驅動(dòng)程序、LINUX應用程序等。該系統的工作流程為：機器人通過(guò)人的控制前后移動(dòng)，當攝像頭看到前方有危險物品時(shí)，機器人通過(guò)控制機械手對危險物品進(jìn)行搬運。

根據實(shí)際情況，本系統實(shí)現了以下模塊，如圖1所示。

1)機器人控制：主要由電機的開(kāi)關(guān)控制，電機轉向控制，電機轉速控制組合起來(lái)的。

2)視頻監控：主要由視頻開(kāi)關(guān)控制，設置視頻圖像屬性，獲取視頻圖像屬性，視頻圖像數據傳送組成的。

3)機械臂控制：由機械臂轉向，機械手張開(kāi)閉合控制所控制的。

2 搬運機器人系統的硬件設計

2.1 系統的總體硬件設計

S3C6410是一個(gè)16/32位RISC微處理器，旨在提供一個(gè)具有成本效益、功耗低，性能高的應用處理器解決方案，采用了64/32位內部總線(xiàn)架構。危險物品搬運機器人的系統硬件框圖如圖2所示，攝像頭負責進(jìn)行圖像采集，經(jīng)過(guò)USB集線(xiàn)器傳到6410處理器，中央控制器6410控制機械臂的運動(dòng)，直流電機正反轉向，從而控制機器人行走。

2. 2 直流電機驅動(dòng)模塊

驅動(dòng)板主要采用了雙Ha橋直流電機驅動(dòng)芯片，我們采用ST公司的L298N典型雙H橋直流電機驅動(dòng)芯片，用于驅動(dòng)直流電機或雙極性步進(jìn)電機驅動(dòng)電路芯片外圍電路主要用由二極管構成的電橋電路，兩組電機并聯(lián)而成。

機器人通過(guò)采用L298N芯片驅動(dòng)進(jìn)行移動(dòng)，紅綠端子分別為左右兩邊直流減速電機接線(xiàn)座;EA、I1、I2與EB、I3、I4分別為控制信號輸入接口，其中EA與EB分別是左右兩路電機控制接口使能端，高電平有效，可用于PWM調速。表1為接口使用真值表，輸入信號不同，對應電機運轉狀態(tài)不同。

這里EA、I1、I2控制左電機，EB、I3、I4控制右電機，EA、EB為PWM調速接口，加給高電平為全速。此處接口為單路四線(xiàn)兩相步進(jìn)電機接口，同時(shí)也可以驅動(dòng)2路直流減速電機。

2.3 機械臂

為保證機器人工作的靈活性，機械手設計為由腰身、大臂、小臂、手爪組成，共具有3個(gè)關(guān)節(腰身-大臂、大臂-小臂、小臂-手爪)7個(gè)自由度(腰身1dof，大臂1dof，小臂1dof，手腕4dof)。其中：腰身——1自由度，做旋轉運動(dòng)。固定安裝在機器人車(chē)底盤(pán)上，以車(chē)體正前方為基準，可分別向左右旋轉135°，兩端各有限位裝置以避免自體碰撞。由液壓控制運動(dòng)，在底部裝有電位計反饋準確位置以保證控制精度;大臂和小臂——各1自由度，分別相對于上級關(guān)節做上下運動(dòng)，以車(chē)體水平面為基準，大臂可向上運動(dòng)45°、向下運動(dòng)30°，小臂可向上運動(dòng)25°、向下運動(dòng)60°。由液壓控制運動(dòng)，用電位計回饋，保證關(guān)節位置準確;手爪——4自由度，分別做上下擺動(dòng)、旋轉、伸縮、夾持運動(dòng)，以小臂延長(cháng)線(xiàn)為基準，手爪可上下擺動(dòng)±90°，又可以小臂為基準軸旋轉±180°，伸1米，采用伺服電機提供動(dòng)力，通過(guò)減速箱減速保證功率需求，由伺服電機控制器控制。有編碼盤(pán)反饋，保證位置準確。腰身，大小臂液壓回路有壓力傳感器保護。油壓有穩定裝置。

2.4 攝像頭模塊

在視頻采集服務(wù)器端，接受視頻圖像屬性參數，設置視頻采集設備。返回視頻設備信息嵌入式嵌入式系統建立起來(lái)之后，就可以利用嵌入式操作系統內核提供的接口來(lái)開(kāi)發(fā)視頻監控軟件模塊了。它整體運行在服務(wù)器端，可以在沒(méi)有外接網(wǎng)絡(luò )的條件下獨立運行。本模塊實(shí)現了視頻的采集、播放等功能，客戶(hù)端與服務(wù)器端的數據交互如圖3所示。

3 搬運機器人系統的軟件設計

3.1 服務(wù)器端軟件設計

服務(wù)器端的軟件運行狀態(tài)圖如圖4所示，開(kāi)始進(jìn)入服務(wù)器端，當無(wú)命令進(jìn)入時(shí)，為循環(huán)等待狀態(tài)，等待接受命令;當接收到命令時(shí)，判斷是控制電機還是控制攝像頭命令：當控制電機狀態(tài)，判斷為控制機器人還是機械臂;如果是控制機器人，則機器人循環(huán)等待控制命令，如果是控制機械臂，則機械臂循環(huán)等待控制命令。如果是控制攝像頭命令，則進(jìn)行圖像、視頻傳輸;當接收到退出進(jìn)入服務(wù)器狀態(tài)命令時(shí)，退出服務(wù)器運行狀態(tài)。