基于ARM的危险品搬运机器人的设计与实现.pdf

基于?的危险品搬运机器人的设计与实现 葛琳琳?张 威 ?辽宁石油化工大学 计算机与通信工程学院? 辽宁 抚顺? 摘要?针对具有很高危险性的物品?设计和实现了智能危险品搬运机器人?使用?控制板和电脑作为控制体 统?机械臂采用的是?型六自由度机械臂?每个关节都可在规定的范围内运动?通过操作上位机控制软件? 可给伺服舵机控制器发送控制指令信号?从而实现机械臂在空间内精确作业?任务完成情况可通过在机械臂上安装 摄像头反馈图像?如果将其安装到移动平台上?还能替代工作人员在有害环境中可视作业?实时修改控制指令?精确 地完成每一项任务? 实验表明?本文所提供的设计方案正确可行?能够达到要求? 关键词?机械手?控制软件?硬件设计?机器人控制 中图分类号?文献标识码?文章编号? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 随着科学技术的发展?自动化?智能化的程度进一步得 到了提高?新一代搬运车的研发在国内外受到越来越多的重 视? 由于有一些物品具有很高的危险性?不能用人工直接进 行搬运?我们设计实现了危险物品搬运机器人系统? 可以运 用手动控制机器人的搬运? 避免了人与危险物品的直接接 触?适用于搬运有毒?易爆的物品?在实际应用中很有意义? 如果能够用智能化机器人系统来替代人来到危险区的话?那 样将会大大减少许多事故的发生? ?搬运机器人系统的功能需求 该系统分为两部分?车载远端控制系统和监控平台? 车载 远端控制系统根据监控平台发出的控制指令执行动作?并将采 集到的实时视频图像发回监控平台?监控平台则不断接收车载 远端控制系统发回的图像和信息? 根据情况遥控操作机器人? 实现主从式遥控操作? 该系统的设计具有以下的功能? ?具有轮式行走机构?控制性能好?灵活机动?速度快? 平稳?可靠性高? ?具有视频监控的功能?能过看到周围的环境? ?具有灵活的机械手?平稳而快速地夹持危险品并搬运 至指定位置? 根据危险物品搬运机器人功能需求的特点可以归纳出 该系统的性能需求主要包括? ?机器人直线行走和转弯行走? ?摄像头采集图像? ?机械臂带云台?转动范围?度? ?型六自由度机械臂?用来抓取物品? 该系统以?处理器?为核心?选用?开发 板作为主板? 各个模块都是由开发板控制? 机器人主要由硬 件系统和软件系统构成? 硬件系统主要包括?处理器? 外围接口电路?六自由度机械臂?摄像头?小车车体以及电源 等?其中?处理器核心?软件包括?嵌入式?操作系 统? 外设驱动程序?应用程序等? 该系统的工作流程 为?机器人通过人的控制前后移动?当摄像头看到前方有危 险物品时?机器人通过控制机械手对危险物品进行搬运? 根据实际情况?本系统实现了以下模块?如图?所示? 收稿日期?稿件编号? 基金项目?辽宁省教育科学?十二五?规划基金资助项目? 作者简介?葛琳琳?女?辽宁沈阳人?硕士? 研究方向?嵌入式系统设计? 电子设计工程 ? ? ? 第?卷 ? 第?期 ? ?年?月 ? ? ? ChaoXing ?机器人控制?主要由电机的开关控制?电机转向控制? 电机转速控制组合起来的? ?视频监控?主要由视频开关控制?设置视频图像属性? 获取视频图像属性?视频图像数据传送组成的? ?机械臂控制?由机械臂转向?机械手张开闭合控制所 控制的? ?搬运机器人系统的硬件设计 ?系统的总体硬件设计 ?是一个?位?微处理器? 旨在提供一 个具有成本效益?功耗低?性能高的应用处理器解决方案?采 用了?位内部总线架构? 危险物品搬运机器人的系统硬 件框图如图?所示?摄像头负责进行图像采集?经过?集 线器传到?处理器? 中央控制器?控制机械臂的运 动?直流电机正反转向?从而控制机器人行走? ?直流电机驱动模块 驱动板主要采用了双?桥直流电机驱动芯片?我们采 用?公司的?典型双?桥直流电机驱动芯片?用于驱 动直流电机或双极性步进电机驱动电路芯片外围电路主要 用由二极管构成的电桥电路?两组电机并联而成? 机器人通过采用?芯片驱动进行移动?红绿端子分 别为左右两边直流减速电机接线座?与?分 别为控制信号输入接口?其中?与?分别是左右两路电机 控制接口使能端?高电平有效?可用于?调速? 表?为接 口使用真值表?输入信号不同?对应电机运转状态不同? 这里?控制左电机?控制右电机? ?为?调速接口?加给高电平为全速? 此处接口为单路 四线两相步进电机接口?同时也可以驱动?路直流减速电机? ?机械臂 为保证机器人工作的灵活性?机械手设计为由腰身?大 臂?小臂?手爪组成?共具有?个关节?腰身?大臂?大臂?小 臂?小臂?手爪?个自由度?腰身?大臂?小臂?手 腕? 其中?腰身?自由度?做旋转运动? 固定安装在 机器人车底盘上?以车体正前方为基准?可分别向左右旋转 ?两端各有限位装置以避免自体碰撞? 由液压控制运动? 在底部装有电位计反馈准确位置以保证控制精度?大臂和小 臂?各?自由度?分别相对于上级关节做上下运动?以车 体水平面为基准?大臂可向上运动?向下运动?小臂可 向上运动?向下运动?由液压控制运动?用电位计回馈? 保证关节位置准确?手爪?自由度?分别做上下摆动?旋 转?伸缩?夹持运动?以小臂延长线为基准?手爪可上下摆动? ?又可以小臂为基准轴旋转?伸?米?采用伺服电机 提供动力?通过减速箱减速保证功率需求?由伺服电机控制 器控制? 有编码盘反馈?保证位置准确? 腰身?大小臂液压回 路有压力传感器保护? 油压有稳定装置? ?摄像头模块 在视频采集服务器端?接受视频图像属性参数?设置视 频采集设备? 返回视频设备信息嵌入式嵌入式系统建立起来 之后?就可以利用嵌入式操作系统内核提供的接口来开发视 频监控软件模块了? 它整体运行在服务器端?可以在没有外 接网络的条件下独立运行? 本模块实现了视频的采集?播放 等功能?客户端与服务器端的数据交互如图?所示? ?搬运机器人系统的软件设计 ?服务器端软件设计 服务器端的软件运行状态图如图?所示?开始进入服务 器端?当无命令进入时?为循环等待状态?等待接受命令?当 接收到命令时?判断是控制电机还是控制摄像头命令?当控 制电机状态?判断为控制机器人还是机械臂?如果是控制机 器人?则机器人循环等待控制命令?如果是控制机械臂?则机 械臂循环等待控制命令? 如果是控制摄像头命令?则进行图 像?视频传输?当接收到退出进入服务器状态命令时?退出服 图?危险物品搬运机器人系统的功能模块图 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 图?系统硬件框图 ? ? ? ? ? ? 图?视频监控客户端与服务器端交互图 ? ? ? ? ? ? ? ? 表?接口真值表 ? ? ? ? ?左电机右电机状态 ?停止停止停止 ?顺转逆转左转 ?逆转顺转右转 ?顺转顺转前进 ?逆转逆转后退 葛琳琳? 等基于?的危险品搬运机器人的设计与实现 ? ChaoXing 务器运行状态? ?客户端软件设计 客户端软件流程图如图?所示? 首先进入界面初始化? 进入网络连接?等待是否有命令?如果没有命令?返回网络连 接继续等待?如果接收到命令?判断是否为退出?如果是则退 出?如果不是查看是否为电机命令?如果为否则是执行视频 监控?如果为是判断是否为机器人电机?如果是?则执行机器 人控制?不是执行机械臂? ?系统测试方案 将系统的电机驱动模块?机械臂驱动模块分开测试?调 通后再进行整机调试?提高调试效率? ?电机驱动模块 首先测试电机控制是否有效? 分别给电机一个正转信号 和反转信号?观察电机的转向是否正确?如转动正确?说明电 平控制有效? 然后通过改变?脉冲的占空比对电机的转 速进行调节? 调节信号发生器输出方波的占空比?观察电机 转速是否满足?占空比减小则电机减速?占空比增大则电机 加速的关系?如果满足上述关系?则说明能够通过改变? 脉冲的占空比改变电机的转速? 经以上两项测试?电机驱动 模块正常工作? ?机械臂驱动模块 首先测试机械臂是否有效?给控制器一个信号?观察机 械臂能否运作?能否抬起?旋转?机械手能否抓起东西?如果都 能达到?说明机械臂有效? ?结 论 测试表明?机器人能够较好的完成实验的基本要求和发 挥部分?通过各种方案的讨论及尝试?再经历过多次的整体 软硬件结合调试?不断地对系统进行优化?危险物品搬运机器 人能够完成各项功能?在控制策略上?采用人手控制? 机器人 在进行中不断改变方向?使其能够安全的寻迹行驶?选用的 电机有?占空比的变化改变机器人运行速度? 避免冲出 范围? 通过无线网络将车载远端控制系统和监控平台结合起 来?硬件系统设计合理?小巧?灵活?结构紧凑?实时性好?软件 系统模块化设计?测试表明该机器人系统工作可靠?能够满 足处理危险物品任务的要求? 参考文献? ?汤成建?张元越?刘尧?等?太阳能自动谷物翻晒机器人的 系统设计?电子设计工程? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?于洋?邢葆轶?机械臂遥操作系统设计与实现?沈阳理工 大学学报? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?沈清波?蔡立聪?基于?的嵌入式工业控制器设计? 辽宁石油化工大学学报? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?杜文军?侯立刚?王艳梅?基于?的?移植分析与实 现?辽宁石油化工大学学报? ? ? ? ? ? ? ? ? ?