基于ARM的危險品搬運機器人的設計與實現(xiàn)

隨著科學技術(shù)的發(fā)展，自動化，智能化的程度進一步得到了提高，新一代搬運車的研發(fā)在國內(nèi)外受到越來越多的重視。由于有一些物品具有很高的危險性，不能用人工直接進行搬運，我們設計實現(xiàn)了危險物品搬運機器人系統(tǒng)?？梢赃\用手動控制機器人的搬運，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，在實際應用中很有意義。如果能夠用智能化機器人系統(tǒng)來替代人來到危險區(qū)的話，那樣將會大大減少許多事故的發(fā)生。

1 搬運機器人系統(tǒng)的功能需求

該系統(tǒng)分為兩部分：車載遠端控制系統(tǒng)和監(jiān)控平臺。車載遠端控制系統(tǒng)根據(jù)監(jiān)控平臺發(fā)出的控制指令執(zhí)行動作，并將采集到的實時視頻圖像發(fā)回監(jiān)控平臺;監(jiān)控平臺則不斷接收車載遠端控制系統(tǒng)發(fā)回的圖像和信息，根據(jù)情況遙控操作機器人，實現(xiàn)主從式遙控操作。該系統(tǒng)的設計具有以下的功能：

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

2)具有視頻監(jiān)控的功能，能過看到周圍的環(huán)境;

3)具有靈恬的機械手，平穩(wěn)而快速地夾持危險品并搬運至指定位置。

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

1)機器人直線行走和轉(zhuǎn)彎行走;

2)USB攝像頭采集圖像;

3)機械臂帶云臺，轉(zhuǎn)動范圍180度;

4)AS-6DOFB型六自由度機械臂，用來抓取物品。

該系統(tǒng)以ARM處理器S3C6410為核心，選用6410開發(fā)板作為主板。各個模塊都是由開發(fā)板控制。機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、六自由度機械臂、攝像頭、小車車體以及電源等，其中ARM處理器核心;軟件包括：嵌入式LINUX操作系統(tǒng)、外設驅(qū)動程序、LINUX應用程序等。該系統(tǒng)的工作流程為：機器人通過人的控制前后移動，當攝像頭看到前方有危險物品時，機器人通過控制機械手對危險物品進行搬運。

根據(jù)實際情況，本系統(tǒng)實現(xiàn)了以下模塊，如圖1所示。

1)機器人控制：主要由電機的開關(guān)控制，電機轉(zhuǎn)向控制，電機轉(zhuǎn)速控制組合起來的。

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

3)機械臂控制：由機械臂轉(zhuǎn)向，機械手張開閉合控制所控制的。

2 搬運機器人系統(tǒng)的硬件設計

2.1 系統(tǒng)的總體硬件設計

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

2. 2 直流電機驅(qū)動模塊

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

機器人通過采用L298N芯片驅(qū)動進行移動，紅綠端子分別為左右兩邊直流減速電機接線座;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(diào)速。表1為接口使用真值表，輸入信號不同，對應電機運轉(zhuǎn)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(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電機接口，同時也可以驅(qū)動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個關(guān)節(jié)(腰身-大臂、大臂-小臂、小臂-手爪)7個自由度(腰身1dof，大臂1dof，小臂1dof，手腕4dof)。其中：腰身——1自由度，做旋轉(zhuǎn)運動。固定安裝在機器人車底盤上，以車體正前方為基準，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。由液壓控制運動，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(jié)做上下運動，以車體水平面為基準，大臂可向上運動45°、向下運動30°，小臂可向上運動25°、向下運動60°。由液壓控制運動，用電位計回饋，保證關(guān)節(jié)位置準確;手爪——4自由度，分別做上下擺動、旋轉(zhuǎn)、伸縮、夾持運動，以小臂延長線為基準，手爪可上下擺動±90°，又可以小臂為基準軸旋轉(zhuǎn)±180°，伸1米，采用伺服電機提供動力，通過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(wěn)定裝置。

2.4 攝像頭模塊

在視頻采集服務器端，接受視頻圖像屬性參數(shù)，設置視頻采集設備。返回視頻設備信息嵌入式嵌入式系統(tǒng)建立起來之后，就可以利用嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核提供的接口來開發(fā)視頻監(jiān)控軟件模塊了。它整體運行在服務器端，可以在沒有外接網(wǎng)絡的條件下獨立運行。本模塊實現(xiàn)了視頻的采集、播放等功能，客戶端與服務器端的數(shù)據(jù)交互如圖3所示。

3 搬運機器人系統(tǒng)的軟件設計

3.1 服務器端軟件設計

服務器端的軟件運行狀態(tài)圖如圖4所示，開始進入服務器端，當無命令進入時，為循環(huán)等待狀態(tài)，等待接受命令;當接收到命令時，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，則進行圖像、視頻傳輸;當接收到退出進入服務器狀態(tài)命令時，退出服務器運行狀態(tài)。