智能移动机器人

智能移动机器人近年来，随着机器人研究的不断发展，机器人技术开始源源不断地向人类活动的各 个领域渗透，结合这些领域的应用特点，各种各样的具有不同功能的机器人被研制出来, 并且在不同的应用领域都得到了广泛的应用。本文主要设计一个配置机械手的智能移动机器人，可以调速、转弯、抓取物体。涉 及到双目摄像头定位、激光测距、电机控制、压力传感器等技术。一、系统总体结构图机器人系统主要由机械系统、驱动控制系统、视觉系统、传感器系统、上位机系统、 电源系统以及人机交互系统等组成。系统总体结构图如下：A图1系统总体结构图智能机器人平台采用了主从结构的分布式处理方式，由上位机系统来协调控制各个 子模块系统。各个子系统都有自己的数据处理机制，数据处理都在本模块的DSP处理器中完成。上位机只是负责数据融合、任务分解、策略选择制定、协调控制各子模块等工 作。当上位机需要某个模块的数据时，子模块向上位机提供该模块经过处理以后的数据。 由于大量的数据处理都在各个子模块中完成， 上位机得到的都是经过处理后的小量数据， 大大减少了上位机的负担。采用这种方式既提高了上位机的效率，又增加了系统的稳定 性，方便系统的维护。二、机械手该机械手的设计仿照人类手臂的构造，总共有五个自由度，包括抬手臂转动关节， 肩转动关节，肘转动关节，腕转动关节，手爪旋转关节与手爪开闭关节。这种多自由度 的设计使得机械手具有较大的灵活度，以适应抓取不同目标物体的要求。三、控制系统1、 感知系统感知系统也就是传感器系统，本智能机器人系统的传感器系统可以只包含两个传感 器，一个是测障、测距用激光传感器，一个是抓物时压力感测的压力传感器。红外测距传感器（简称 PSD： Poison Sensitive Detect。）：通常采用光学三角测量方法来确定机器人同物体之间的距离：传感器的红外发光管 发出红外光，当红外光没有碰到障碍的时候，红外光保持前行；当红外光碰到障碍的时 候，红外光反射回来，并进入探测器。这样，在反射点，发射器，探测器之间形成一个 三角形，探测器通过镜面反射，将红外光射入一个线性CCD中，由CCD测量反射光的角度，并由角度的大小来计算障碍物的距离。本机器人系统配置4路PSD传感器，分别以接近于90度的角度间距安装于机器人的前、后、左、右四个方向上和机械臂抓手的手 掌内。图2 PSD传感器位置示意图压力传感器：测得与物体接触的压力值返回给 DSP分析处理：是否继续抓紧动作。装在机械臂抓手的每个手指上。传感器系统结构图压力传感器1DSP激光传感器5（手掌）激光传感器3 （左）压力传感器5激光传感器4 （右）图3传感器系统结构2、控制器：Arm9ARM9系列微处理器主要应用于无线设备， ARM9系列处理器可为要求苛刻、成本 敏感的嵌入式应用提供可靠的高性能和灵活性。嵌入式系统（ES）是计算机技术、通信技术、半导体技术、微电子技术、语音图像数 据传输技术，甚至传感器等先进技术和具体应用对象相结合后的系统，其是硬件和软件 紧密捆绑在一起的系统。将嵌入式系统应用于机器人的设计中，对机器人的性能智能化、网络化、小型化都有了明显提高。机器人需要有智能较高的自动控制性能与可靠的机械控制性能的同时保证。在此以 ARM9处理器为核心，对基于嵌入式系统的智能机器人进行了设计。摄像头双目定位系统：由双目立体视觉技术计算出目标物在视觉坐标系中的三维坐标，并将该坐标转换到 机器人坐标系，然后根据该坐标控制机械手实现自动定位。人通过双眼观察客观的三维世界的景物，通过几何光学的投影，像点在左右两眼视 网膜上的投影位置不同，这种两眼视网膜上的位置差就称之为双目视差（Bi no cularDisparity），简称视差。人能有物体的远近感知，就是因为有这个视差，再经过大脑的加 工形成的。基于视差理论的双目立体视觉，就是运用两个相同的摄像机对同一景物从不 同位置成像，获得景物的立体图像对，通过各种算法匹配出相应像点，从而计算出视差， 然后采用基于三角测量的方法恢复深度信息。现有的绝大多数双目立体视觉系统均采用 这项原理。两个摄像头被安装在机械手小臂上，用来充当双目立体视觉系统的双目。为实现机 械手目标自动定位的功能。两摄像头将摄取的目标物的图像传递到图像采集模块，由主控器传送至上位机的立体视觉子系统通过该两幅二维图像，计算出目标物在摄像头坐标 系中的三维坐标，将其转换为在机器人坐标系中的三维坐标，并将其传给机器人本体上 的Arm9，并完成手臂的运动控制，控制手臂运动到目标物位置，从而实现自动目标定位 的功能。系统结构如下图所示。目标物体7V抓取机械手 V；图4双目定位系统配置图3、 驱动系统轮速控制驱动：驱动系统主要是电机的驱动。电机是移动机器人的动力源泉，目前移动机器人领域 应用较多的是步进电机和直流电机两种。步进电动机是一种将电脉冲信号转换成机械角位移模拟量的控制电机，其输出的位 移大小与输入脉冲个数成正比且时间上与脉冲同步，通过改变脉冲频率调节步进电机转 速。直流电机采用PWM控制，只需要通过软件改变 pwm波的占空比就可实现调速，这对 提高移动机器人运动中的灵活性非常有用。考虑使用嵌入式Arm作为控制器时设计可靠性，驱动电机就选用直流电机直流电机驱动系统结构如下图图5 Arm控制电机系统原理部分电机控制驱动电路卜CP3岀神atTN2OUT2IS EH AL29曲KEH BOUTSIN3OUT4EK BDIDMl 电直M2 电枫SV47tf7L6y_-_电机PWM丄6&机if吠* L?】鼻电正広疋10电机FWM21LLlEE*292电机正贲1EH AOUT1N4图6电机驱动电路图以下是电机控制系统结构图:图7电机控制系统结构图由于直流电机的开环控制技术不能消除转速差率以及不能满足实时性的要求，实际中常采用闭环控制技术来调节转速。 电机的闭环控制系统可以是单闭环系统（速度闭环）, 也可以是双闭环（速度环和电流环）。转速负反馈单闭环控制系统可以保证系统稳定的条 件下实现转速无静差，但是如果对系统的动态性能要求较高的话，如快速启制动，单闭 环系统就很难满足要求，这是因为单闭环系统不能完全按照需求来控制动态过程的电流 和转矩。为了改善动态性，就要在速度反馈单闭环控制的基础上再引入电流反馈来控制 系统动态过程中的电流和转矩，系统采用双闭环控制系统（外速度环和内电流环）。机械臂伺服电机驱动：机械臂主要由手部和运动机构组成。手部是用来抓持目标物体，运动机构使手部完 成各种转动、移动或复合运动来实现规定的动作。为了抓取空间中任意位置和方位的物 体,需有五个自由度，用五个舵机来控制。抬手臂（舵机1驱动）、转手臂（舵机2驱动）、 肘转（舵机3驱动）、腕转（舵机4驱动）、手爪开闭（舵机5驱动）。由Arm9产生六路占空比可调的PWM号来控制机械手的运动如图 &利用上位机与 Arm9通信，改变占空比从而控制机械臂如图9。为了使机械手运动时保持一定的连贯性， 同时刻到达指定位置，机械手不同部位运动的速度应该不同，转一个小角度时舵机的速 度应该慢一些，从而达到柔性控制。图8改变控制信号占空比对应舵机输出轴转角舵机的主体结构有五个部分：外壳、减速齿轮组、电机、电位器、控制电路。工作 原理：控制电路接受来自信号线的控制信号，控制电机转动，电机带动一系列齿轮组， 减速后传动至输出舵盘。舵机的输出轴和位置反馈电位计是相连的，舵盘转动的同时， 带动位置反馈电位计，电位计将输出一个电压信号到控制电路板，进行反馈，然后控制 电路板，根据所在位置决定电机的转动方向和速度，从而达到目标停止。图9 Arm9控制舵机执行原理四、元器件选型机器人控制系统主要由两部分组成， 即以ARM为核心的上位机和以DSP为核心的下 位机传感器、电机控制器。系统的上位机由基于 ARM920T内核的S3C2440嵌入式开发板 构成，下位机以TMS320F281芯片为核心构成分布式的 DSP双足机器人的关节控制器， 上位机和下位机之间通过CAN总线连接并实现数据通信。上位机ARM吐要负责系统的初始化、远程通信、组织管理、任务规划、任务调度以 及与下位机DSP的通讯等任务。ARM上运行有实时操作系统，负责多任务的调度和任务 的执行，并通过CAN总线向下位机DSP控制器发送有特定数据格式的控制指令和控制参 数。同时，ARM还接收下位机DSP$制器返回的机器人各个传感器及状态、位置参数、 姿态等相关参数。上位机ARM将这些接收到的数据进行处理，结合预期的机器人抓取动 作规划对机器人的下一个抓取动作做出相应的指示，保证机器人的实际运动状况和预期 规划的运动在允许的偏差范围内保持一致，从而达到预期的目的以实现机器人平稳的运 动和做出各种预期的抓取动作姿态。下位机各 DSF控制器主要负责接收来自上位机的控 制指令和控制参数，按规定的协议进行转换、解释，并结合固化在DSFg制器中的控制算法完成对机器人电机的控制。DSF在执行运动控制指令的同时还将机器人实际运动情况 反馈给上位机ARM9与上位机进行信息交换，以便上位机根据当前的运动状态决策下一 步的抓取指令和参数。下位机DSF控制器在接收到上位机发送来的控制参数之后应该迅 速做出响应，结合控制算法给驱动器发送控制指令，同时通过光电编码器等传感器件反 馈回来的信号再对控制指令（或者PWM波序列）做相应的调整。机器人移动机构采用三轮结构（一驱动轮+两随动轮）。驱动轮采用12V的DC伺服电 机，驱动轮的直径12cm随动轮的直径15cm。移动机构的平面最大移动速度达到 1.14 米/秒。机械臂控制舵机为了减小机器人本身重量可以采用辉盛SG909G它机，其扭矩：1.6kg cm(4.8V)工作电压：3.5V 6V,可以增加电压(例如 6V)来增大扭矩，来加大 可抓取的物体重量，要达到要求抓取 2Kg物体还得通过实验获得数据来确定。