基于ARM的危險(xiǎn)品搬運(yùn)機(jī)器人的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

隨著科學(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(yùn)車(chē)的研發(fā)在國(guó)內(nèi)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(xiǎn)性，不能用人工直接進(jìn)行搬運(yùn)，我們?cè)O(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了危險(xiǎn)物品搬運(yùn)機(jī)器人系統(tǒng)?？梢赃\(yùn)用手動(dòng)控制機(jī)器人的搬運(yùn)，避免了人與危險(xiǎn)物品的直接接觸，適用于搬運(yùn)有毒、易爆的物品，在實(shí)際應(yīng)用中很有意義。如果能夠用智能化機(jī)器人系統(tǒng)來(lái)替代人來(lái)到危險(xiǎn)區(qū)的話，那樣將會(huì)大大減少許多事故的發(fā)生。

1 搬運(yùn)機(jī)器人系統(tǒng)的功能需求

該系統(tǒng)分為兩部分：車(chē)載遠(yuǎn)端控制系統(tǒng)和監(jiān)控平臺(tái)。車(chē)載遠(yuǎn)端控制系統(tǒng)根據(jù)監(jiān)控平臺(tái)發(fā)出的控制指令執(zhí)行動(dòng)作，并將采集到的實(shí)時(shí)視頻圖像發(fā)回監(jiān)控平臺(tái);監(jiān)控平臺(tái)則不斷接收車(chē)載遠(yuǎn)端控制系統(tǒng)發(fā)回的圖像和信息，根據(jù)情況遙控操作機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)主從式遙控操作。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有以下的功能：

1)具有輪式行走機(jī)構(gòu)，控制性能好，靈活機(jī)動(dòng)，速度快，平穩(wěn)，可靠性高;

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

3)具有靈恬的機(jī)械手，平穩(wěn)而快速地夾持危險(xiǎn)品并搬運(yùn)至指定位置。

根據(jù)危險(xiǎn)物品搬運(yùn)機(jī)器人功能需求的特點(diǎn)可以歸納出該系統(tǒng)的性能需求主要包括：

1)機(jī)器人直線行走和轉(zhuǎn)彎行走;

2)USB攝像頭采集圖像;

3)機(jī)械臂帶云臺(tái)，轉(zhuǎn)動(dòng)范圍180度;

4)AS-6DOFB型六自由度機(jī)械臂，用來(lái)抓取物品。

該系統(tǒng)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(jī)器人主要由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)構(gòu)成。硬件系統(tǒng)主要包括：ARM處理器、外圍接口電路、六自由度機(jī)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(tǒng)、外設(shè)驅(qū)動(dòng)程序、LINUX應(yīng)用程序等。該系統(tǒng)的工作流程為：機(jī)器人通過(guò)人的控制前后移動(dòng)，當(dāng)攝像頭看到前方有危險(xiǎn)物品時(shí)，機(jī)器人通過(guò)控制機(jī)械手對(duì)危險(xiǎn)物品進(jìn)行搬運(yùn)。

根據(jù)實(shí)際情況，本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了以下模塊，如圖1所示。

1)機(jī)器人控制：主要由電機(jī)的開(kāi)關(guān)控制，電機(jī)轉(zhuǎn)向控制，電機(jī)轉(zhuǎn)速控制組合起來(lái)的。

2)視頻監(jiān)控：主要由視頻開(kāi)關(guān)控制，設(shè)置視頻圖像屬性，獲取視頻圖像屬性，視頻圖像數(shù)據(jù)傳送組成的。

3)機(jī)械臂控制：由機(jī)械臂轉(zhuǎn)向，機(jī)械手張開(kāi)閉合控制所控制的。

2 搬運(yùn)機(jī)器人系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)的總體硬件設(shè)計(jì)

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(yīng)用處理器解決方案，采用了64/32位內(nèi)部總線架構(gòu)。危險(xiǎn)物品搬運(yùn)機(jī)器人的系統(tǒng)硬件框圖如圖2所示，攝像頭負(fù)責(zé)進(jìn)行圖像采集，經(jīng)過(guò)USB集線器傳到6410處理器，中央控制器6410控制機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)，直流電機(jī)正反轉(zhuǎn)向，從而控制機(jī)器人行走。

2. 2 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

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

機(jī)器人通過(guò)采用L298N芯片驅(qū)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(jī)接線座;EA、I1、I2與EB、I3、I4分別為控制信號(hào)輸入接口，其中EA與EB分別是左右兩路電機(jī)控制接口使能端，高電平有效，可用于PWM調(diào)速。表1為接口使用真值表，輸入信號(hào)不同，對(duì)應(yīng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)不同。

這里EA、I1、I2控制左電機(jī)，EB、I3、I4控制右電機(jī)，EA、EB為PWM調(diào)速接口，加給高電平為全速。此處接口為單路四線兩相步進(jìn)電機(jī)接口，同時(shí)也可以驅(qū)動(dòng)2路直流減速電機(jī)。

2.3 機(jī)械臂

為保證機(jī)器人工作的靈活性，機(jī)械手設(shè)計(jì)為由腰身、大臂、小臂、手爪組成，共具有3個(gè)關(guān)節(jié)(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(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。固定安裝在機(jī)器人車(chē)底盤(pán)上，以車(chē)體正前方為基準(zhǔn)，可分別向左右旋轉(zhuǎn)135°，兩端各有限位裝置以避免自體碰撞。由液壓控制運(yùn)動(dòng)，在底部裝有電位計(jì)反饋準(zhǔn)確位置以保證控制精度;大臂和小臂——各1自由度，分別相對(duì)于上級(jí)關(guān)節(jié)做上下運(yùn)動(dòng)，以車(chē)體水平面為基準(zhǔn)，大臂可向上運(yùn)動(dòng)45°、向下運(yùn)動(dòng)30°，小臂可向上運(yùn)動(dòng)25°、向下運(yùn)動(dòng)60°。由液壓控制運(yùn)動(dòng)，用電位計(jì)回饋，保證關(guān)節(jié)位置準(zhǔn)確;手爪——4自由度，分別做上下擺動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、伸縮、夾持運(yùn)動(dòng)，以小臂延長(zhǎng)線為基準(zhǔn)，手爪可上下擺動(dòng)±90°，又可以小臂為基準(zhǔn)軸旋轉(zhuǎn)±180°，伸1米，采用伺服電機(jī)提供動(dòng)力，通過(guò)減速箱減速保證功率需求，由伺服電機(jī)控制器控制。有編碼盤(pán)反饋，保證位置準(zhǔn)確。腰身，大小臂液壓回路有壓力傳感器保護(hù)。油壓有穩(wěn)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(shù)，設(shè)置視頻采集設(shè)備。返回視頻設(shè)備信息嵌入式嵌入式系統(tǒng)建立起來(lái)之后，就可以利用嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核提供的接口來(lái)開(kāi)發(fā)視頻監(jiān)控軟件模塊了。它整體運(yùn)行在服務(wù)器端，可以在沒(méi)有外接網(wǎng)絡(luò)的條件下獨(dú)立運(yùn)行。本模塊實(shí)現(xiàn)了視頻的采集、播放等功能，客戶端與服務(wù)器端的數(shù)據(jù)交互如圖3所示。

3 搬運(yùn)機(jī)器人系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1 服務(wù)器端軟件設(shè)計(jì)

服務(wù)器端的軟件運(yùn)行狀態(tài)圖如圖4所示，開(kāi)始進(jìn)入服務(wù)器端，當(dāng)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(dāng)接收到命令時(shí)，判斷是控制電機(jī)還是控制攝像頭命令：當(dāng)控制電機(jī)狀態(tài)，判斷為控制機(jī)器人還是機(jī)械臂;如果是控制機(jī)器人，則機(jī)器人循環(huán)等待控制命令，如果是控制機(jī)械臂，則機(jī)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(dāng)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(yùn)行狀態(tài)。