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基于网络的助餐机器人控制系统 摘要 开发了种基于网络的助餐机器人控制系统。该系统利用以太网和c a n 总线实现传感器 信息的输入以及控制量的输出。利用两台x 8 6 指令集低功耗计算机作为数据处理计算机，其中 一台计算机运行图像处理程序；另一台计算机实时运行m a t l a b s i m u l i n k 控带幅舌宁，所有控静瞎 息以及图像处理信息均通过以太网与该计算机相连。本文的主要研究内容是基于网络的助餐机 器人控锚i 系统的软件与硬件设计及其实验研究。 本文首先介绍了助餐机器人的课题背景以及研究意义，结合国内外发展现状，阐述了该控 制系统的主要研究内容。针对助餐机器人的机械结构以及功能要求，分析了控制系统设计的主 要挑战，制定了控制系统的实现策略，并简要阐述了软硬件的实现手段。图像处理计算机以及 x p c 目标机是该控制系统的主要组成部分。图像处理计算机负责图像采集、视频识别算法的实 现、运算结果的输出和人机交互界面的显示等任务。x p c 目标机包含各类接口模块与实时控制 计算初，负责传感器信息的采集、控制算法与逻辑的实现、算法运行结果的输出等工作。 本文对该控制系统的软硬件设计思路、相关算法、设计方法做了详尽的说明，设计了基于 工业控制a r m 与c p l d 的通信节点硬件结构；基于该节点构成了模数、数模、开关量输入输 出、编码器采集等功能瞧央；设计了基于u c t o s 实时操作系统的功能模块嵌入式软件，该软 件与基于x p c 目标机编写的m a t l a b 接口软件结合，实现了以s i m u l i n k 框图为基础的机器人控 制程序的编译与下载。机器人控制程序与基于模板的面部表情识别算法共同构成了机器人的面 部表情输入控制模式，实现了以视觉控制为基础的机器臂取餐、送餐、喂食和餐盘旋转功能。 扩大了助餐机器人的使用人群。对该系统的软硬件进行了测试，证明了其各项指标达到了最初 的设计要求，完成了基于网络的助餐机器人控制系统的设计任务。 关键词：助餐机器人；伺服控制；图像处理：x p c 目标机 基于网络的助餐机器人控制系统 a b s t r a c t an e t w o r k - b a s e dc o n t r o ls y s t e mo fm e a l - a s s i s t a n c er o b o ti sd e s i g n e d i n t e m e ta n dc o n t r o l l e r a r e an e t w o r ki su s e dt oa c h i e v et h et a r g e to fc o l l e c t i n gi n f o r m a t i o nf r o ma l lk i n d so fs e m 签w e l l 罄 s e n d i n gt h ec a l c u l a t i o nr e s u l t t w oc o m p u t e rb a s e do nx 8 6a r c h i t e c t u r e , o i l ef o rv i d e op o s s e s s i n ga n d t h eo t h e rf o ro o n l m la l g o r i t h m sw r i t i n gi nm a t l a b s i m u t i n kb l o c k s , i su s e d 舔c e n t r a li n f o r m a t i o n p r o c e s s i n gc o m p u t e re o n n e c t e dw i t hi n t e m e t t h ec e n t e rr e s e a r c hw o r kf o c u so i lt h el l a r d w a r e s o t t w a r ed e s i g nf o rm e a l - a s s i s t a n c er o b o ta n di t se x p e r i m e n t a lr e s e a r c h f a , s t l y , t h ep a p e r i n t r o d u c e dt h eb a c k g r o u n da n ds i 蛐黜o fm e a l - a s s i s t a n c er o b o t 瑟w e l l 笛 t h em a i nr e s e a r c hc x ，n t e n t 嬲0 0 | f d i i l gt od e v e l o p m e n ts t a t mo fh o m ea n da b r o a d t h em a i nc h a l l e n g ea n d a p p r o a i n gs l r a t e g yo fs y s t e md e s i g ni sa n a l y z e dt h r o u g hi l l e d l a n i c a ls t r u c t u r ea n d f u n c t i o nd e m a n d t h ei m p l e m 耐m e t h o do fk 眦& s o f t w a r ei se x p l a i n e d v k l e o 珥d c 销妇l go o 蝴呻a n dx p c t a r g e tc o m p u t e ri so f 恤t w o m a i n p a r t0 f 幢c o n t r o ls y s t c m v i d e op r o 潞i n gc o m p u t e ri sm s l x 璐i b l e f o rv i d e oa c q u i s i t i o n , i d e n t i f l a n ga l g o r i t h m s , s e n d i n gt h ec a l c u l a t i o nr e s u l ta n dd i s p l a y i n gt h e 鄹恻 i l s c ri n t e r f a c e x p ct a r g e tc o m p u t e rw h i d lo t m s i s io ft h ei n t e r f a c ol l r l o d l j l ca n dr e a l - t i m ec o n t r o l a ：，m p u t e ri sr e s p o n s i b l ef o rs c n s o rs i g n a la c q u i s i t i o n , r e a l i z a u o ao f c o n t r o la l g o r i t h m sa n dl o g i c s , t h e o u t p u to f p r o c e s s i n gr e s u l t t h i sp a p e rh a sg i v e 丑ad e t a i l e dd i s c u s s i o n0 1 1t h o u g h i ，棚圈印n d i l l ga l g o r i t h m sa n di 1 1 l p i e i 卿斌 m e t h o c lah a r d w a r es t r u c t u r eo fc o m m u n i c a t i o nn o d eb a s e do ni n d u s t r ya r ma n dc i l di sa e s i g e , t s e v e r a lk i n d so ff u n c t i o n a lm o d u l ei n c l u d i n g 姆t o d i g i t , d i g i tt oa n a l o 鹕d i g i t a ls i g n a li i l l ma n d o u t p u t ；e n c o d e rc o l l e c t i o ni so 明鹤红u c t c d 彻t h ec o m m u n i c a l 硫n o d e t h ee m b e d d e ds o f l w a t eb a s e dm u c o s - l l ir e a lt i m e 嘎髓缸ms 舯k e r n e lr e a l i z e dt l a ee o r n p i l a t i o na n dd o w n l o a do ft h el a n g u a g e d r a wb ys i m u l i n km o d u l ec o o p e r a t e dw i t ht h em a t l a bi n t e r f a c es o f t w a r e 嘶gx p c 伽学。h 蝴f a c e e x p r e s s i o nm o d ea c h i e v e db y r o b o tc x ) n t r o lp r o g r a ma n df e m p l a t e - b 缎x lf a c i a la 甲陀鼹i r e c o g n i t i o n a l g o r i t h mr e a l i z e dt h ef o o dt a k e n , f e t c h i n ga n df e e d i n g 缸例妇b yr o b o t i ca l t o at o t a ll l e s ti e l u d i n g h a r d w a r e & s o f t w a r ei si n c l u d e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ep e r f o m m , 您o ft h en e t w o r k - b a s e d m e a l - a s s i s t a n c er o b o tm e e tt h er e q u i r e m e n t sa n dl t d l i c v et h ed e s i g nt a s k k e y w o r d s ：m e a l - a s s i s t a n c er o b o t ；s e r v oc o n t r o l ；v i d e op r o c e s s i n g ；x p ct a r g e t 第1 章绪论 暑蕾葺置暑眚昌| 暑i 宣葺i 暑暑暑宣暑置宣宣置暑暑i 暑暑i i 宣宣置i 萱i i 宣i i ；宣i 昌暑i i ；暑宣i 宣宣i i 宣i ；宣崔i 毒皇宣置| 暑宣皇审| 宣昌昌墨皇窖暑鼍f i i - 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 科技日新月异，机器入技术的发展在上个世纪极大的提高了生产的效率，在第二产 业中起到重要的作用。在本世纪，机器人技术的另一个重要的目标是改变人们的生活， 在产值在经济中的比重越来越大的第三产业发挥作用。社会老龄化的加剧，人力资源成 本的不断提高，巨大的社会需求使康复和护理机器人成为机器人发展领域中的重要方向 专一f l j厶 据不完全统计，中国大陆共有各类残疾人共计8 2 9 6 万人，占我国总人口的6 3 4 1 其中，肢体残疾人数共有2 4 1 2 万人，占总残疾人数的2 9 0 7 。在肢体残疾人中，大部 分会因为上肢残疾无法进食，导致进餐过程长期需要他人帮助，为患者本人和家庭带来 沉重的负担冈。 脊髓损伤、脑卒中后遗症、截肢等疾病是上肢功能障碍的主要原因。这就造成了残 障人士不能自由控制自己的身体和肌肉，协调上肢完成进食动作聊。 对于上述患有上肢运动功能障碍的人群，传统方法是同过患者家人或社会服务人员 进行辅助喂食作业。但该方法辅助进餐效率底下，并且随着我国出生率的下降，适龄劳 动人口的减少，这种喂食作业的社会人力成本会越来越高，给残疾人本人和家庭造成重 大的经济负担 与上述人工方法相比，助餐机器人可显著降低进餐过程中残疾人对他人的依赖，适 用于如养老院等上肢残疾人群比较集中的地方。由于上述机构残障人士的进食时间和地 点都比较集中，又存在突出的服务人员紧张的问题，故可为助餐机器人的发展提供较好 的市场空间。另外，助餐机器人也适用于无人照顾的残障患者家庭使用。助餐机器人作 为一种自动化的辅助进食设备，集机械技术、伺服控制技术和图形图像处理技术等为一 身，为残疾人提供最佳的喂食服务，需要达到只要嘴能动，舌头能动，就能实现在无人 帮助的情况下进餐的目的。 1 2 国内外研究现状 重大的社会价值以及巨大的市场空间已经使世界上一些研究团队投入到该领域的 研究中。目前，西方国家由于人口老龄化严重，人力成本较高，促使了一批助餐机器人 投入市场，并产生了一些成功的产品。在我国，从事该研究的科研人员较少，并且成果 主要集中于实验室阶段。 哈尔滨r 程大学硕一 ：学位论文 1 2 1 国内研究现状 与国外相比，国内对服务机器人的研究起步较晚，对助餐机器人的研究则更晚。但 目前服务机器人是国内各大学及科研院所积极研究的方向。 1 西北工业大学多功能护理机 图1 1 为西= l i , _ l k 大学研制的多功能护理机，该护理机器人能够为残疾人提供进餐、 翻书等基本生活服务。控制由双脚实现，各个关节由直流电机驱动。 图1 1西北：f 业大学多功能护理机 2 广东工业大学的辅助进餐装置 广东工业大学的助餐机器人如图1 2 所示，该机器人的突出优点是餐勺一分为二， 餐勺在取餐时模拟筷子的动作，取完餐后餐勺闭合，又起到勺子的作用，因而该机器人 的餐具同时具有勺子和筷子的双重优剧卅。 图1 2 广东工业大学的助餐机器人 1 2 2 国外研究现状 国外助餐机器人的研究工作起步较早，已诞生了一系列原理样机与成熟的产品。以 2 第1 章绪论 下内容是几种典型的助餐机器人介绍。 1 s e l f - f e e d i n ga p p l i a n c e 辅助就餐装置 如图1 3 所示，美国人f r a n kd l a y m a n ，s r 在1 9 8 3 年发明了s e l f - f e e d i n ga p p l i a n c e 辅助迸餐装置例。 该进餐动作主要由患者的头部进行操作，餐桌的边缘有槽道，在槽道的下方固连了 一个餐勺。患者头部佩戴一个拨棍，用于拨动餐盘转动，餐盘位于大勺正上方，头部控 制拨棍将实物拨到大勺中，之后残疾人即可就餐。 图1 3 s e l f - f e e d i n ga p p l i a n c e 辅助就餐装置 2 h a n d y l 助餐机器人 1 9 8 7 年，英国研制出h a n d y l 助餐机器人，该机器人使一个1 1 岁的脑瘫患儿独立 就餐嘲，如图1 4 所示。 图1 4h a n d y l 助餐机器人 图1 5 h a n d y l l l 型助餐机器人 该项目团队于1 9 8 9 年开发出h a n d y l 的升级版本，h a n d y l l l 型助餐机器人，如图1 5 所示。该机器人餐盘由7 个格子组成，具有较强的盛饭容量和较高的取食率。此外，该 机器人还装备有光扫描系统，该扫描系统轮流扫描餐盘处的食物，当患者看到想吃的实 物时，只需按一下按钮即可完成取餐动作。该机器人同样具有操作纠错和语音提示功能。 3 灵巧进餐手( n e a t e re a t e r ) 3 t ， 哈尔滨工程人学硕+ 学位论文 如图1 6 所示，灵巧进餐手( n e a t e re a t e r ) 是美国t h e r a f i n 公司开发的家用型辅助进 餐产品p 1 。该产品体积小巧，可固定在餐座上。餐勺部分具有四个自由度，可较好地完 成取餐与送餐的任务。餐勺的高度可通过立柱进行调整，以适应不同的使用者。 图1 6 灵巧进餐手( n e a t e re a t e r ) 4 我的勺子( m ys p 0 0 n ) 2 0 0 1 年，日本s e c o m 公司推出了新型6 自由度助餐机器人m ys p o o n ，它采用专用 的餐具，可辅助残疾人进食绝大多数食物弘1 。 该机器人的操作方式共有三种：第一种为使用下巴进行操作的标准操作方式；第二 种是使用手、腕部和腿部进行操作的增强型操作方式，该方式主要适用于身体抖动的患 者；最后一种是运动轨迹自动储存的“自动”模式，该模式主要适用于残疾程度较为严 重的患者。 图1 7 我的勺子( m ys p o o n ) 另外，由美国s a m m o n sp r e s t o n 生产的w i n s f o r df e e d e r 助餐装置已进入商品化阶段。 德国不莱梅大学研制的m a m7 s 机器人【、v a n d e r b i l t 大学智能机器人学实验室研制的智 能型服务机器人i s a c 是目前智能化水平比较高的两种服务机器人，二者都能实现语音识 别和图像识别等功能，功能强大，代表了助餐机器人的发展方向。 4 第1 章绪论 1 3国内外研究现状分析 纵观现有的助餐机器人，样机较多，但是投入到实际生活中为残疾人服务的较少n q 。 虽然他们都能完成帮助残疾人进食的功能，但都存在一定的问题，其不足之处主要表现 在以下几个方面： ( 1 ) 助餐机器人产品和维护价格昂贵，其费效比相对于人工辅助进餐高。 ( 2 ) 人性化水平低。机器人的操作普遍比较复杂，如m ys p o o n 需要用下巴操控， 增加了残疾人的使用难度。 ( 3 ) 现有助餐机器人产品智能化水平还有待进一步提高。 ( 4 ) 取食机构需要改进，取食种类以及取食效率都需要进一步的提高。 1 4 助餐机器人发展趋势 综合考虑国内外现有助餐机器人的发展现状，助餐机器人将在以下几个方面有长足 的发展： ( 1 ) 经济性：随着科技的发展，机器人技术的不断进步，机器人的成本将越来越 低，可以预测未来服务机器人将像电脑一样普及，它将大量进入人们的生活。 ( 2 ) 智能化：科技的进步将会使机器人的智能化水平进一步地提高。对于助餐机 器人的控制将不仅仅只通过操作杆，还可以通过语音、图像等。 ( 3 ) 人性化：餐勺的运行更接近生活中真人用餐的动作：取餐准确、送餐平稳、 喂餐舒适。 1 5 本文的主要工作 本文在m a t l a b x p c 实时目标环境的基础上进行了软件和硬件的二次开发，设计了助 餐机器人模块化控制平台以及基于图像识别的人机交互系统。通过这套系统实现了机械 臂、餐桌以及移动小车的伺服控制。同时，使用图像处理算法完成了面部表情的识别， 并将其输出结果模拟为脚踏开关信号对机械臂控制以完成进食动作。 本文的主要内容包括以下几方面：首先，阐述了国内外助餐机器人的发展现状，并 总结了目前存在的问题，提出了设计的目标。接下来，对基于网络的助餐机器人控制系 统总体方案进行设计，并分别细化了设计方案，阐述了软硬件子系统实现的基本技术路 线以及实现过程。最后，对基于网络的助餐机器人控制系统进行了测试实验。 本文围绕以上内容展开，可分为五章，分别介绍如下： 第一章，绪论。阐述了课题的研究背景及意义，以及国内外的研究现状，最后简要 阐述了本文的研究内容。 第二章，控制系统总体方案设计。针对助餐机器人的机械结构以及功能要求，分析 5 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 i i i iii i 了控制系统设计的主要挑战，制定了控制系统的实现策略，并简要阐述了软硬件的实现 手段。 第三章，助餐机器人控制系统硬件设计。阐述了接口模块以及功率驱动模块的设计 思路与硬件电路结构，并以编码器输入模块和模拟量输入模块为例对接口模块的硬件设 计做了详细的说明。 第四章，助餐机器人控制系统算法及软件设计。详细阐述了底层嵌入式软件、m a t l a b 接口软件、图像处理软件与人际交互软件的设计思路与流程。并以此为基础分析了单关 节的p i d 算法，小车的定位算法。 第五章，助餐机器人控制系统实验研究。进行了机械臂的单关节以及多关节实验， 将图像处理程序与机械臂逻辑控制算法结合，做了基于表情的机械臂及餐盘控制实验。 其中，第二、三、四章是本文的重点。 最后，对本文的工作进行了总结，并提出了改进的思路。 6 第2 章控制系统总体方案设计 i i 第2 章控制系统总体方案设计 2 1 被控对象分析 如图2 1 所示，助餐机器人是为残障人士提供辅助餐饮服务的机械装置，针对不同 程度的肢体运动功能障碍人士提供了脚踏板、语音、图像处理三种人机交互方式；同时， 针对家庭和养老院用户为机器人提供了自主行走的功能，以方便残障人士的进餐活动。 图2 1 助餐机器人 助餐机器人的机械本体由三部分构成，如图2 2 所示，包括一个用于为取餐和送餐 的三自由度机械臂；一个可旋转的餐桌：以及一个移动小车。 三自由屡机槭啊 f 侧 l 喈 ，lli 0 一 上 移幼小车 |。 图2 2 助餐机器人总体结构图 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 1 1 助餐机器人机械臂 助餐机器人机械臂采用关节型的坐标形式【1 2 1 ，该方案机械臂的关节较少，运动学原 理简单，伺服控制系统易于搭建，同时整体结构整洁、美观。各段臂长分别为：上臂长 2 9 0 m m ，前臂长2 6 0 m m ，j 、臂长2 5 0 m m 。 以肘关节为坐标原点建立坐标系。根据设计要求，餐勺的取食范围应由a ( 0 3 9 ， 0 0 2 8 ) 点到b 5 1 ，0 0 2 8 ) 点，取食后将食物送到c ( o 6 5 ，0 2 6 ) 点。以上各点位置必须 包含在机械臂的作业空问内。为了验证助餐机器人能够可在其工作空间内完成取餐任 务，应用s i m m e c h a n i c s 工具别建立仿真模型如图2 3 所示。 图2 3s i m m e c h a n i c s 仿真结果图2 4 助餐机器人作业空间 机械臂末端执行器的运动空间如图2 4 所示，由图可知，a ( 0 3 9 ，一0 0 2 8 ) 、a ( o 5 1 ， 0 0 2 8 ) 、c ( o 6 5 ，0 2 6 ) - - 点位置包含在机械臂的作业空间内，满足工作要求。 前臂 图2 5 助餐机器人机械臂结构图图2 6 助餐机器人餐勺结构图 机械臂需要四个电机来实现其基本功能，其运动包括肩关节、肘关节、腕关节和勺 的张合。如图2 5 所示，电机2 通过减速器实现肩关节俯仰运动。为平衡机械臂惯量、 第2 覃控制系统总体方案设计 增强结构的美观性，将肘关节电机1 放置与桌面下方，该减速电机通过同步齿形带带动 前臂俯仰。腕关节的俯仰运动由行星轮减速电机3 通过齿轮改变传动方向控制。两个半 勺的张合由电机4 通过涡轮蜗杆传动副带动。如图2 6 所示，该餐勺结构简单实用，可 提高取食种类。 2 1 2 餐桌 根据使用者的身高分布和实用要求，确定餐桌高l l o o m m ，桌面长度6 8 0 r a m ，宽度 5 4 0 r a m ，旋转餐桌直径4 8 0 r a m 。该旋转餐桌由餐桌下方的涡轮蜗杆减速电机驱动。 2 1 3 移动小车 移动机构主要分为轮式、履带式、步行式和混合式四大类。步行式移动机构自由度 较多，控制复杂，承载能力弱；履带式步行机构适应性强，可在地形复杂的路面上运动， 缺点是定位精度不高；轮式行走机构结构简单，承载能力较强，成本低，可控性强；混 合式移动机构综合了上述移动机构的特点，但结构较轮式机构复杂嗍。 助餐机器人的工作环境主要是室内，行走环境较好；考虑到机器人的成本限制，选 择轮式行走机构可满足助餐机器人的行走要求。 常用的轮式行走机构包括三轮移动机构，四轮移动机构和六轮移动机构等。六轮移 动机构是四轮移动机构的扩展，机构和控制比较复杂，在本文中不进行讨论。三轮移动 机构主要分为三小类，第一种是两轮独立驱动，如图2 7 ( a ) 所示，这种驱动方式在两 个对称的驱动轮上分别放置有两个独立的电机，通过控制这两个独立的电机是两驱动轮 具有不同的线速度，从而实现平面两自由度的运动；第二种方式是操舵轮驱动，如图2 7 ( b ) 所示，其特点是操舵轮不但有控制转向的功能还有驱动同能，同样需要一个驱动 电机和一个转向电机实现平面运动；第三种方式为前操舵轮控制方向，如图2 7 ( c ) 所 示，后差动驱动轮控制小车运动，同样可以实现移动机构的平面运动。三轮移动机构虽 然结构比较简单，但缺点亦十分突出，由于此移动机构前后并非对称结构，其转动中心 在操舵轮中垂线和驱动轮轴线的焦点上，由图2 7 可见，其运动中心点和机器人中线点 不重合，这就造成了此种结构的机器人无法实现原地绕机器人几何中心线旋转的功能， 影响了其室内移动的灵活性。 四轮移动机构是三轮移动机构的发展与扩展，它分为两类，差动轮转向轮驱动和两 轮独立驱动。第一种驱动方式类似于汽车结构，如图2 8 ( a ) 所示，操舵轮提供运动方 向信息，差动驱动轮提供机器人动力信息，这种移动方式结构简单，承载力强，高速稳 定性好，但运动灵活性较差。第二种驱动方式如图2 8 ( b ) 所示，该方式从结构上讲不但 左右对称，而且前后对称，通过两个独立驱动轮驱动小车运动，其运动中心可通过控制 9 哈尔滨t 稃大学硕十学位论文 两驱动轮的速度任意调整，该驱动方式结构简单，承载力较大，灵活性强，稳定性相对 于三轮驱动更优。 辅助轮 图2 7 三轮移动机构原理 ( b ) 动轮 图2 8 四轮移动机构原理 表2 1 阐述了上述两大类五种移动机构的优缺点，助餐机器人做为室内运动的机构， 可从机构稳定性，运动灵活性以及系统可控性三个角度进行分析，从该表中可以看出， 四轮移动机构较好的平衡了系统的要求，故助餐机器人选择该结构做为移动机构。 表2 1 移动机构优缺点对比 机构三轮移动机构四轮移动机构 形式 两轮独立驱动转向轮驱动差动轮转向轮驱动两轮独立驱动差动轮转向轮驱动 稳定性 差差差中好 灵活性中 由 中好差 可控性中 中中 好 差 2 2 系统需求分析 由被控对象分析得出，有表2 2 可知，机器人共需控制七个直流力矩电机，在这七 个直流力矩电机中，除餐勺电机为开环控制外，其余六个电机均需要实现闭环控制，控 制系统需通过正交光栅编码器反馈回来的位置信号实现闭环控制。由于取餐和送餐机械 臂为串联式机械臂，关节之间的耦合和相互影响比较大，故在对机械进行控制时需要了 解其他关节的速度和加速度信息，进而引入机械臂的多关节位置控制算法。 1 0 第2 章控制系统总体方案设计 表2 2 各被控对象电机、减速器、编码器参数 被控电机减速器编码器 对象 电机类型功率额定转速减速比减速器类型分辨率标定形式 ( w ) ( r r a i n ) ( p r ) 大臂直流有刷 4 02 0 0 02 0 0 行星轮5 0 0限位开关 力矩电机 减速器 小臂直流有刷 4 02 0 0 02 0 0 行星轮 5 0 0 限位开关 力矩电机 减速器 前臂直流有刷1 58 5 0 02 4 6行星轮5 1 2限位开关 力矩电机 减速器 餐勺直流有刷5 3 0 0 05 0 行星轮限位开关 力矩电机 减速器 餐盘直流有刷 6 05 0 ( 5 0涡轮蜗杆5 霍尔开关 一 力矩电机 左轮直流有刷 9 03 6 0 02 4 6 行星轮 2 5 0 0 电机力矩电机减速器 - 右轮直流有刷 9 03 6 0 02 4 6 行星轮 2 5 l 电机力矩电机减速器 由于系统采用光栅增量式编码器，每次在机器人重新启动后需要进行机械系统零点 的重新标定，故大臂、小臂与前臂通过机械式限位开关进行标定，餐桌通过霍尔开关进 行标定。 由于餐勺只需保持张合两种运动状态，为简化控制系统结构，降低系统成本，餐勺 采用开环控制，在两个极限位置上放置两个限位开关，控制餐勺张合运动。 相对于工业机器入，服务机器人最大的特点是机器人的作业空间与人的活动空间会 发生重合，该问题为人机合作机器人带来了极大的安全性挑战。对于助餐机器人来说， 一旦编码器反馈环失效，系统积分饱和，机械臂将瞬间进入失控状态。如果失控状态存 在于取餐时段，将会对用餐者的头部和胸部产生一定的伤害；若果失控状态存在于送餐 时段，餐勺将会对进餐者的嘴部造成伤害；如果失控状态发生于进食时段，餐勺将会对 口腔以及食道造成重大伤害。为保证系统在开环失效状态下不会对进餐者造成伤害，在 系统关节低速端安装滑动变阻器以监控机械臂的运动状态，从而保证在机械臂失控的情 况下迅速切断电源，保障进餐者安全。 机器人需实现在患者和护理人员的控制下进行室内运动，为保障机器人行进的安全 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 性，安装于机器人四边上的红外避障传感器可实现机器人的避障功能。传感器输出的开 关量信号由控制系统处理完成机器人周围障碍的检测，通过系统路径规划层的相关算法 完成相应轨迹的行走。 针对残障程度不同的患者，拟采用不同的人机交互模式。对于残疾程度较轻的上肢 残疾患者，将使用脚踏板模式控制机械臂的取餐和送餐和餐盘的旋转运动；对于上下肢 均残疾，但尚能正常发音的患者，采用语音识别的人机交互模式控制机械臂和餐盘的运 动；对于残疾程度较重，上下肢均无法运动并且失去语言能力的患者，采用图像识别的 人机交互模式，通过头部或嘴部的运动来控制机械臂和餐盘的运动。 2 2 1 系统硬件功能分解 系统硬件接口 视 频 输 入 正 交 编 码 器 输 入 开 关 量 输 入 模 拟 量 输 入 开 关 量 输 出 模 拟 量 输 出 以 太 网 接 口 c a n 总 线 接 口 串 行 通 信 人 机 交 互 界 面 图2 9 控制系统硬件功能分解图 针对上述控制控制对象特点以及功能要求分析，得出硬件部分需要以下功能及接 口：视频输入接口正交编码器输入接口开关量输入接口模拟量输入接口开关 量输出接口模拟量输出接口以太网接口c a n 总线接口串行通信接口人机交 互界面，如图2 9 所示。 ( 1 ) 视频输入接口。系统需要对上下肢均残疾并且无法正常发声的患者实现基于 图像的控制功能。为实现此种功能，系统需要一个图像采集设备的输入接口，此接口可 以为数字式接口，如采用u s b 接口的c m o s 摄像头；或采用模拟接口，如图像采集设 备使用模拟信号摄像机。 ( 2 ) 正交编码器接口。该系统提供了工控领域的另一种常见接口，正交编码器接 口。在本系统中，该接口负责采集系统中放置于电机输出轴或减速器输出轴的增量式正 交光栅编码器信号，从而直接或间接测量机械臂、餐勺的位置和小车行走的位移。为提 高测量精度，对正交编码器的输出信号采用四倍频模式。 ( 3 ) 开关量采集接口。负责采集传感器输出的高低电平信号，此种信号采集方式 是工控系统中常见的信号输出形式。在本系统中，需要采集的开光量信号主要有三种： 脚踏板开关信号，实现通过脚踏板的人机交互模式机械臂限位开关的输出信号，实 现机械臂零点的标定以及机械臂移动极限位置的保护移动小车红外避障传感器的输 1 2 第2 章控制系统总体方案设计 a lh i i i 出信号，实现小车的避障功能。所有开关量信号均采用光电隔离或磁隔离的方式，提高 系统的抗干扰能力和稳定性。对于第一二两种输入方式，由于开关的机械触点在开合的 瞬间会产生杂波干扰，造成误触发，通过接口无源模拟滤波和数字滤波两种方式提高抗 干扰能力。 ( 4 ) 模拟量输入接口。在本系统中，模拟量接口可分为两种：第一种采集电位计 信号，输入范围是5 + 5 v ；第二种采集力传感器的电桥信号。对于电位计采集接口，用 于采集电位计信号，间接获得机械臂的位置，所测量的电位计信号主要有两点用处：第 一是与限位开关构成限位冗余，由于电位计可以测量机械系统绝对位置，故可设定两个 电压值代表机械臂的不同旋转极限角度：第二是与增量式光栅编码器构成位置反馈的冗 余，从而避免系统由于编码器失效造成积分饱和导致机械臂失控对患者产生伤害。对于 力传感器采集接口，用于测量放置于餐勺处的电阻应变的电桥电压，从而判断餐勺是否 与患者发生足以造成伤害的接触。 ( 5 ) 开关量输出接口。该信号用于控制机械臂和小车的上电顺序、各种指示灯的 亮灭和电机的使能信号等。输出的数字量与控制系统之间同样有光耦隔离。 ( 6 ) 模拟量输出接口。在传统电机驱动器中，模拟量接口一般用于实现对电机转 速和功率的控制。在本系统中提供标准的1 0 v 一+ 1 0 v 电压信号。该功能做为扩展功能暂 时未在本系统中应用。 ( 7 ) 以太网接口。以太网接口具有传输速率高，实时性好，接口通用，布线成本 较低等优点。做为系统主从模块的通信标准，在硬件上需要实现1 0 m 1 0 0 m b p s 兼容 i e e e 8 0 2 3 标准的以太网接口。 ( 8 ) c a n 总线接口。c a n 总线( c o n t r o l l e r a r e an e t w o r k ) 源于德国博世公司1 9 8 9 年为汽车行业设计的通信总线。在其后的二十年中，由于其高安全性，低成本，较高的 传输速率在工业控制领域得到广泛应用。在本系统中，c a n 总线用于实现相同模块之 间的数据通信，实现同类模块接入通道数的扩展。 ( 9 ) 串行通信接口。r s 2 3 2 c 是自动控制领域常用的串行通信标准，接口简单成 熟，调试方便，适用于速度和稳定性均要求一般的使用场合。在本系统中，该接口主要 用于底层接口模块参数的设定和p w m 信号参数的传输。 ( 1 0 ) 人机交互界面。由于系统只有三个脚踏开关，而系统需要输入控制指令却有 十余个，对于残疾人士来说，实用人机交互界面对控制指令和助餐机器人运动状态的提 醒是必要的。 2 2 2 控制系统设计的主要挑战 不同于常规的固定式机器人，移动式机器人伺服控制系统受到的制约众多，控制系 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 统的体积、重量、能耗、可扩展能力、计算能力都是矛盾统一的整体，当努力提高一个 性能参数时，另一个性能参数将会受到影响。 1 控制系统功耗与功能的矛盾 助餐机器人控制系统的七个伺服电机以及相应的传感器都需要稳定的供电。在机器 人的三大模块中，机械手负责取餐和送餐，所以伺服电机仅在机械臂运动时有较大的功 耗，在机械臂静止时只需一定的电流平衡机械臂的重力；餐盘伺服电机仅在旋转时有较 大功耗，此伺服电机在静止时由于没有需要电流平衡的转矩，故此时功耗近乎为零；移 动小车上的两个伺服电机也仅在小车运动过程中有电流消耗，其余时间由于没有需要平 衡的转矩功耗同样很小；控制系统由于实时处于待机状态，故功耗较大。在控制系统的 人机交互部分中，如果使用x 8 6 结构计算机，该形式计算能力和扩展能力都比较强，图 像处理开发平台成熟，但功耗较大；如果采用a r m 或d s p 结构处理器，虽然该形式处 理器的能源消耗较少，但该种系统处理能力相对较弱，可实现的功能算法便较为单一， 同时，软件开发必须从底层做起，开发难度大，成本高。 2 控制系统体积与成本的矛盾 由于移动式助餐机器人上空间有限，如使用传统的工控机、运动控制卡与伺服驱动 器的结构，不但控制系统体积较大，功耗也超出了移动机器人能够承受的范围；如将工 控机换成p c i 0 4 等占用体积较小的计算机，将造成系统成本过高，计算能力也无法满足 图像处理的要求。 3 控制系统的柔性化需求与有限开发资源的矛盾 传统的基于单片机、a r m 或d s p 的控制系统都存在以下问题，首先是当被控对象 发生变化时，尤其是超出控制系统所能控制对象的数量和种类时，必须重新设计硬件； 其次还需要针对硬件的需求重新修改软件，编写c 语言代码。上述开发方式不但无法预 测项目需求的资源，并且当被控对象的控制要求发生变化时需要对软件和硬件进行较大 的改动，从而增加了系统的开发时间，并且频繁的改动也降低了系统的稳定性。如采用 基于d s p a c e 和移动工控p c 的控制方案，不但实验室现有的快速原型设备无法满足对 七个电机同时控制的需求，并且该系统的应用也无法满足图像处理的要求。 2 3 基于网络的助餐机器人控制系统设计 面对上述助餐机器人控制系统需求分析所产生的主要挑战，设计了基于网络的助餐 机器人控制系统，系统总体结构框图如图2 1 0 所示。 1 4 第2 章控制系统总体方案设计 i i i r - 一一一一一一一- 一。+ 。一。l 图2 1 0 助餐机器人控制系统总体结构框图 整个系统由m a t l a b x p c 宿主机、目标机和图像处理计算机三部分组成。m a t l a b x p c 宿主机工作环境为w i n d o w s 操作系统，主要运行m a t l a b s i m u l i n k r t w ，c 语言编译器 以及相关的人机交互程序。系统运行时，通过宿主机，可以方便的观测目标机中运行的 控制系统相关参数与曲线，并将目标机中的数据导入m a t l a b 的工作空间中，方便数据 的后期处理与分析。为满足实时性要求，助餐机器人控制系统的任务执行频率设定为 2 0 0 h z ，图像采集系统的任务执行频率设定为2 5 h z ，这远远低于x p c 目标机i o o k h z 的最大任务执行频率。将图像处理计算机上运行的非实时程序与x p c 目标机的实时控制 程序结合起来，既可以满足底层控制系统实时性的要求，又可以满足上层人机交互系统 界面美观、操作方便、系统参数易于观测的要求。目标机是整个控制系统的核心，主要 负责采集与处理系统各开关量、模拟量，生成功率放大器所需p w m 信号，实现机器人 机械臂控制算法。图像处理计算机通过辨识面部动作实现上下肢均残疾人士对机械臂与 小车的控制功能。 在本系统中，需要控制的伺服电机共有七个：肩关节伺服电机肘关节伺服电机 腕关节伺服电机食物夹持机构伺服电机桌面伺服电机移动小车左轮驱动电机 移动小车右轮驱动电机。系统采用目标机输出七路f w m 信号，经功率放大后，驱动 七路伺服电机，带动机械臂、餐勺、餐盘和小车运动；通过放置于电机或减速器输出轴 上的正交光电编码器，反馈机器人的位置和速度信号，实现闭环控制。 根据使用者伤残程度的不同，为助餐机器人设计了脚踏开关、语音识别和图像识别 三种人机交互方式。当使用者只是手残患者时，宜采用脚踏开关的人机交互方式：通过 脚踏开关，输入系统的控制指令；当使用者为手脚双残的重症残疾患者时，宜采用语音 识别人机交互方式：选用语音处理模块，通过i o 模块与下位机通信，使机器人按照使 用者的语音命令完成相应动作；当使用者残疾程度继续加大，除手脚双残外并伴有发音 障碍或者口齿不清难以被机器人语音识别系统辨别时，图像识别方式就成了患者同机器 人的唯一交流手段：通过采集患者头部或面部动作的图像信号，识别其动作指令，并对 机械臂和餐桌进行协调控制。 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 当使用者残疾程度较轻时，可根据自己的喜好在三种人机交互方式之间任意选择。 具有三种人机交互方式的创新设计，避免了以往单一人机交互方式的局限性，使助餐机 器人的使用人群得以扩大。 2 3 1控制系统硬件开发总体思想 根据上述被控对象需求以及该系统面临的主要挑战，构建控制系统硬件结构如下图 2 1 1 所示。宿主机负责控制程序的编译链接和下载，当控制系统调试完成之后，宿主机 将不放置在助餐机器人上。x p c 目标机负责控制信息的采集，算法的执行和计算结果的 输出，是实时控制系统的核心。图像处理计算机负责采集摄像头数据，运行图像处理算 法，将计算识别结果通过实时以太网与实时控制计算机相连。实时控制计算机采用通用 性和计算能力均较强的i n t e lx 8 6 指令集移动式处理器，计算结果通过接口模块实现信号 输出。所有相同种类的接口模块之间通过c a n 总线实现相互的信息交换，所有的输入 和输出信息汇集到一个主接口模块后通过实时以太网与实时控制计算机之间交换信息。 图2 1 1 控制系统硬件结构图 接口模块硬件结构如图2 1 2 所示，为降低系统的复杂程度和成本将其分割成两种电 路板：一种电路板做为通信节点负责通信功能，这种电路板在所有接口模块之间硬件上 完全相同；另一种电路板负责接口模块的输入输出，这种电路板决定接口模块的种类， 故硬件结构互不相同。以上两种电路板通过s p i 总线交换数据。通信节点包含以太网接 口、c a n 总线接口、s c i 总线接口和s d 卡接口。上述以太网接口负责同类模块的主节 点与实时控制计算机交换数据，c a n 总线接口负责同类模块间交换数据，s c i 总线接口 负责串口通信与p w m 信息的传递，s d 卡接口负责数据的记录。接口板包括编码器板， 1 6 第2 章控制系统总体方案设计 开关量和模拟量输入输出板等。 接口模块 通信节点 c n s p i 总 线 接口板 ( 编码器板) ( 开关醴输入板) ( 模拟量输入板) ( 开关量输出板) ( 模拟量输出板) 图2 1 2 接口模块硬件结构图 系统的图像处理计算机和宿主机均采用x 8 6 构架，该计算机主要配置如表2 3 所示。 表2 3图像处理计算机及宿主机配置 c p uc o r e 2 d u o t 7 3 0 0 处理器系统 最高主频2 o g h z 种类 d d r n 6 6 7 内存 容量2 g b 控制器m o b i l e9 6 5 图形加速卡 显存动态分配显存3 8 4 m b 接口1 0 1 0 0 1 0 0 0 b a s e - t 网络控制器1 1 1 t e l8 2 5 6 6 连接 r 1 4 5 x l u s b3 ( u s b 2 o ) f o 接口 串口1 ( r s 2 3 2d b 9 ) 并口1 ( d b 2 5 ) 上述控制系统的硬件方案的优点是系统的可扩展性、可维护较强。例如对于终端客 户而言，当需要增加编码器的数目时，只