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结构环境下的服务机器人控制 ；i i ；i i ；i i ；i i i i i ；i i ；i i ；i i ；i i ；i ；i i i i j ；i ；宣；i ；i ；i ；i ；i i ；i i ； 摘要 随着人民生活水平的提高，服务机器人的需求也与曰俱增。由于服务机器人能够代 替主人完成许多工作任务，因而对提高人们的生活质量有着重要的意义。本文研究了一 种基于结构环境下进行移动的服务机器人，它能够沿着导航磁条进行移动，完成取水、 看护以及查看等功能。 本课题在分析国内外服务机器人研究现状的基础之上，设计了一个移动型的机械 手，底层为左右轮驱动的四轮小车，上肢为4 自由度的机械臂。该服务机器人的控制系 统以a r m 控制器为核心，基于c a n 总线进行通信。控制系统硬件主要包括a r m 控制 模块以及功率驱动模块。a r m 控制模块主要完成控制算法的运算以及p w m 信号的产 生。功率驱动模块负责控制信号的放大及电机的驱动。 本文对机器人在结构环境中的循迹流程进行了逻辑规划，是基于s i m u l i n k s t a t e f l o w 模型完成的，并通过r t w 生成嵌入式c 代码。同时对服务机器人的机械臂取水过程进 行了运动轨迹规划及仿真。 通过对系统结构及控制方案的设计研制了服务机器人的样机，通过运行验证了磁导 航s t a t e f l o w 逻辑模型的正确性。对于单关节的位置闭环伺服性能，利用d s p a c er t l l 0 3 半物理仿真平台进行了实验。通过实验使服务机器人的机械臂达到了稳定的工作状态及 良好的控制精度，能够顺利完成取水功能，达到了系统的设计要求。 关键词：服务机器人；a r m ；直流伺服控制；轨迹规划 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fp e o p l e sl i f e ，t h e d e m a n d ：f o rs e r v i c er o b o t s isi n c r e a s i n g a s s e r v l c er o b o t sc a nr e p l a c et h em a s t e rt oc o m p l e t em a n y t a s k s ，i ti ss i g n i f i c a n tf o ri m p r o v i n g t h eq u a l i t yo fl i f e an e wk i n do fs e r v i c er o b o tt h a tc a nm o v eo nt h e s t r u c t u r e b a s e d e n v l r o n m e n ti sd e s i g n e d m a n yf u n c t i o ns u c ha s g e t t i n gw a t e r 、c a r i n ga n dt h ev i e w i n ga r e r e a l i z e da st h er o b o tm o v e sa l o n gt h em a g n e t i c s t r i p t h i sp a p e rr e v i e w st h ed e v e l o p m e n ts i t u a t i o no fs e r v i c er o b o ta th o m ea n da b r o a d a n dan e wm o b i l er o b o ti sd e s i g n e d t h eb o t t o m o ft h er o b o ti saf o u r _ w h e e lc a rd r i v e db vt h e w h e e l so nt h el e f ta n dr i g h t a n dt h et o pi st h ea r mw i t h4d e g r e e so ff r e e d o m t h ec o n t o l s y s t e ms c h e m ei sd e s i g n e db a s eo nt h ec o r eo fa r ma n dt h ec o m m u n i c a t i o no ft h er o b o ti s b a s e do nt h ec a nb u s t h eh a r d w a r eo ft h ec o n t r o ls y s t e mi s d e s i g n e d i tm a i n l vi n c l u d e st h e a r m c o n t r o l l i n gm o d u l ea n dp o w e rm o d u l e t h eo p e r m i o no ft h ec o n t r 0 1a l g o r i t k na n dt h e g e n e r a t i o no ft h ep w m s i g n a li sc o m p l e t e db yt h ea r mc o n t r o l l i n gm o d u l e a n dt h ep o w e r m o d u l ei sr e s p o n s i b l ef o rt h ea m p l i f i c m i o no fc o n t r o ls i g n a la n dt h ed r i v i n 2o f m o t o r 1h et r a j e c t o r yo ft h er o b o ti nt h es t r u c t u r e b a s e de n v i r o m n e n ti sl o g i c a l l yp l a n n e d i ti s c o m p l e t e db a s e do nt h em o d l es i m u l i n k s t a t e f l o w a n dt h ee m b e d d e dc c o d ei sg e n e r a t e db v r t w t h et r a j e c t o r yo f t h er o b o t sa r l r li sp l a l m e da n d t h ek i n e 】n a t i cs i m u l a t i o ni sa l s od o n e ih ep r o t o t y p eo ft h es e r v i c er o b o ti sd e v e l o p e db a s e do n t h es t r u c t u r ea n dc o n t r 0 1s v s t e m d e s i g n i n g t h es t a t e f l o wl o g i c a lm o d l eo ft h em a g n e t i cg u i d e di sf i n i s h e d a n dt h ec o r r e c t n e s s i sv e r i f i e d f o rt h ec l o s e d l o o ps e r v op e r f o m a m a c eo fas i n g l e - j o i n t ，t h ee x p e r i n a e n ti sd o n e u s i n gt h ed s p a c er tll0 3s e m i p h y s i c a ls i m u l a t i o np l a t f o m l t h es e r v i c eo ft h er o b o ta r i n c a nr e a c has t a b l ew o r k i n gc o n d i t i o na n da g o o dc o n t r o lp r e c i s i o n a n dt h eg e t t i n go fw a t e ri s f i n i s h e ds u c c e s s f u l l y s ot h ed e s i g n n i n gr e q u i r e m e n t so f t h es y s t e mi sa c h i e v e d k e y w o r d s ：s e r v i c er o b o t ；a r m ；d cs e r v oc o n t r o l ；t r a j e c t o r yp l a n n i n g 第1 章绪论 1 1 课题研究的目的及意义 第1 章绪论 随着科技的发展，工业机器人的发展趋于成熟，发展潜力已很有限。而服务机器人 的发展则存在着巨大的潜力，各种统计数据都表明了在未：来服务机器人会进入一个发展 的黄金期。 国际机器人联合会给服务机器人下了一个初步的定义：服务机器人是一种半自主或 全自主工作的机器人，它能完成有益于人类的服务工作【1 】。，但不包括从事生产的设备。 国际上把以下机器人都规划为服务机器人：清洁机器人、建筑机器人、医用及康复 机器人、娱乐机器人、老年及残疾人护理机器人、救灾机器人、办公及后勤服务机器人、 酒店售货及餐厅服务机器人等口】。 在国内，随着社会经济的发展和人民富裕程度的提高，对于智能移动机器人的需求 量也将增大，特别是残疾人服务和老龄化社会对服务机器人的市场需求。由于我国人口 基数大，且正慢慢步入老龄化社会，所以在未来，老年人的护理问题将成为全社会共同 面临的一个问题，而残疾人的护理也是急需解决的【3 j 。同时，家用机器人的需求量也将 会增加，家用机器人可以在主人不在的情况下，完成对室内环境的察看以及清洁等功能， 替主人分担一部分劳动【4 】。所以以上情况要求我们要大力发展服务机器人相关产业，使 人民的生活水平更上一个台阶。 本课题研究结构环境下的移动服务机器人。本课题的结构环境是指在地面铺设的磁 道，由磁道来构成机械手所移动的环境，而机械手以基于磁道这个结构环境下的小车为 载体进行移动，来完成如取水、送水等相应的服务功能。同时，小车上装有摄像头，可 以完成室内的察看等功能，由此可知本课题所研究的是一种服务机器人。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 服务机器人分类及国外研究现状 据i f r 的统计表明，至2 0 0 8 年底，全球家庭服务型机器人使用总量已经超过3 4 0 万台，预计至2 0 11 年底，全球家庭服务型机器人总量将达到6 0 万台，未来五年全球服 务机器人市场总值约6 0 亿美元，到2 0 15 年底，全球家庭服务型机器人的市场规模预计 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i i i i i i i i i i ii i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 将达到j 5 0 亿美元，而且服务机器人的种类将会更加丰富【5 j 。由此可见，目前在世界上 服务机器人正处于蓬勃发展中。 下面将按照西方的通用分类标准来介绍服务机器人的主要的分类发展现状【6 j 。 1 清洁机器人 清沽机器人包括有地面清扫机器人、壁面清洗机器人以及特种清洗机器人，这些机 器人用二f 各种不同场合的清洁工作。从上世纪8 0 年代起这方面的研究开始受到研究学 者的重视，但由于清洁工作基本上是结构、半结构性的环境，而要清除的垃圾则基本上 是非结构性的，这就为机器人的清洁工作造成一定困难【7 1 。随着机器人视觉软硬件技术 的不断发展，这个问题已经得到初步解决，许多西方国家的公司都已经进行研究并推出 了相应的产品【8 】，如由美国i r o b o t 公司推出的室内清洁机器人，可对地毯和地板装饰的 地面进行清洁，该种机器人具有对地面污物进行检测的功能，可根据室内的具体情况进 行有重点的清洁【9 j ，如图1 1 所示。 图1 1 美国地板清洁机器人图1 2 美国医疗机器人 2 医用服务机器人 医用服务机器人包括护士助手和医疗辅助机器人。护士助手可以完成运送药品，运 送医疗设备和器材，为病人运送食物和水，送信件及病历，运送医疗样品及结果，传送 包裹等等。而医疗辅助机器人可用于辅助主治医生对病人进行相应的诊断和治疗，以及 远程医疗等【l o 】。 卣美国研制的专治中风的机器人在密歇根州圣约瑟夫默西奥克兰医院已经上岗，如 图1 2 昕示，这种机器人身高1 5 米，顶部安装了一个显示屏，医生的声音及形象将通 过网络从另一端传递过来并显示到显示屏上，同时安装于显示屏的上方有一摄像头，医 生通过该摄像头能够看到医院现场的图像并倾听到现场患者的诉说。医生还可以通过一 第1 章绪论 个操纵杆对机器人进行操作。这样无论何时何地，有了这种医用机器人，医生只要通过 笔记本电脑接上互联网，这样医生便可以通过对该机器人进行远程遥控来为病人进行治 疗【1 1 】。 3 家用机器人 家用机器人包括家居保安机器人、家庭吸尘机器人、家庭助手机器人等。家用机器 人现在是市场上各大公司开发的热点，并竞相推出各自相应的产品，美国i r o b o t 公司、 韩国s a m s u n g 等公司推出了家用吸尘机器人 1 2 】。 作为典型的家用服务机器人，韩国的“i r o b i ”机器人平时能够讲故事，演唱歌曲， 当主人不在家时，它能够确认家门是否锁好，并能够检测家中煤气是否关好。若是有陌 生人闯进主人家中；它能够利用自身的摄像头拍摄下来，并给主人发送消息【1 3 】，如图 1 3 所示。 由日本发明的人形个性机器人保姆“a r ，如图1 4 所示，该机器人身高1 5 5 米， 重量约1 3 0 公斤，它依靠车轮移动，不仅会打扫卫生，洗：灰，还能够收拾餐具，机器人 本体共搭载5 台照相机来确认家中家具的具体分布位置，在该机器人的公开展示活动中， “a t ”为参观者演示了洗衣的工作流程，先打开洗衣机机盖，并将衣服放入洗衣机中， 还演示了拖地以及用托盘将餐具送回厨房等工作。“a r ”在拖地时，当有椅子在桌边放置 的时候，它会先将椅子移开，然后将手中的拖把伸到桌底，等清理完毕还可将椅子放回 原来的位置。它体内装载了计算机，由主人来进行控制操作，主人设置好了控制指令， “a r ”便可独立完成相应的工作任务【l4 | 。 图1 3 韩国“i r o b i ”机器人图1 4 机：器人“a r ” 4 拟人机器人 拟人机器人的研究及发展受到很多少儿的青睐。索尼公司的q r i o 和本田公司的 哈尔滨工程大学硕士学位论文 置i i i i 嗣i i i ii i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 蔷i i i a s i m o 是该类机器人的典型代表，此类机器人可以灵活移动、能够唱歌、跳舞，还可 以与人进行交流，同时还能够对人的面部表情进行识别和解读【l 川。 5 搜索与救援机器人 此类机器人具有十分重要的意义。它可以代替人类完成很多危险系数很高的搜索以 及救援任务，如灭火及封堵有害气体泄漏等。许多研究机构开展了相应的研究，包括美 国卡内基一梅隆的自主直升机项目 1 6 】、美国喷气推进实验室的h a z b o ti i i 1 7 】等。 其他的服务机器人还包括建筑机器人、农业机器人等，世界各国也竞相对这几种机 器人展开研究，服务机器人正处于蓬勃发展之中。 1 2 2 国内研究现状 基于我国的国情，我国智能服务机器人的发展水平相对世界先进水平还有一定差 距。但是随着我国综合国力的增强以及国家对教育和科技的重视，国内已：有不少科研机 构已经着手展开这方面的相关研究，也取得了一定的进展。同时随着我国经济的蓬勃发 展，将会有越来越多的智能服务机器人走入人们的生活中来。目前，我国进行了多种服 务机器人的相关研究，同时还存在着一些相关的行业和企业，为服务机器人提供硬件和 软件方面的技术支持，如传感器和控制器等。 “非典 时期，为了协助医护人员展开救援工作，国内研制了几款护士助手机器 人，如哈工大的“护士助手 等。这几款机器人在“非典 时期很好的完成了工作，均 能在病噩进行消毒，为病人运送药品、食物和生活用品、运送医疗设备及实验结果。 图1 5 哈工大助老陪护机器人 图1 1 6 上海交大“交龙”服务机器人 近些年来，随着国家的重视程度与日俱增，国内在服务机器人的研制以及产品的开 发方面做了很多的研究，同时也取得了相应的成绩，如哈尔滨工业大学研制的助老陪护 机器人，如图1 5 所示；华南理工大学研制的机器人护理床以及上海交大的“交龙”服 务机器人等。 4 第1 章绪论 图1 5 为哈工大机器人研究所研制的“助老陪护机器人”，当家中老人无人照料时， 该机器人可按照老人发出的指令为其倒水、双手端盘、开橱门、取药、提醒老人吃药等 服务。同时，主人可设定好机器人的自主巡逻方式以及开机的时间，还可以随时通过3 g 手机网络以及计算机登陆客户端观察老人在家中的情况。该机器人内部还装有环境传感 器来检测环境温湿度及易燃气体等状况，当发现室内有不明烟雾产生、煤气泄漏、非法 入侵体时，会第一时间录下室内状况并上传到网络客户端，同时通过手机短信及电话等 多种方式向主人以及社区安防部门报警。该“助老陪护机器人可连续工作5 小时左右， 同时在机器人电量不足时会自动寻找电源接口进行充电。 上海交大于2 0 1 0 年研制成功的“交龙”服务机器人，包括两部分：“交龙”智能 轮椅和“交龙”导游机器人，如图1 6 所示，已经成功服务于上海世博会。“交龙”智能 轮椅配备有激光测距雷达和视觉等多种传感器，它能够跟踪主人的引导，具有高精度的 自定位能力，可在有人员流动的动态环境中完成大范围的自主导航，该轮椅避障迅捷， 先进的路径规划性能赋予该轮椅高度的机动性和安全性。 1 3 智能服务机器人相关技术 服务机器人与其他种类的机器人相比，所应用的相关技术是基本相同的，主要集中 在以下几个方面： 1 机器人控制技术 主要研究模块化的控制系统，语言及编程界面正在研发过程中，人机界面要更加友 好馏】。机器人控制技术要用到很多编程方面的相关技术，编程技术可分为在线及离线编 程，在线编程的可实践性有待提高，同时离线编程的实用化也要得到进一步的开发【1 9 】。 2 多传感器系统及信号处理技术 现在机器人的智能水平及对环境的适应性有了很大提高，其中多种传感器的使用是 发挥了不可替代的作用。传感器融合技术是指操作者不仅要掌握每个独立的传感器的状 态，而且要从整理来把握整个传感器系统的运行状态【2 0 】。多传感器信息融合技术将多种 传感器在时间和空间上的互补信息进行优化整合。其内容涉及传感器、机器人学、信号 处理、概率统计等多方面的知识。多种传感器信息融合技术可分为三类，即数据层融合、 决策层融合及特征层融合【2 。多传感器信息融合技术对来自多方面的信息进行整合处 理，从而得到各种信息相互之间的关系，从而能够去伪存真，实现信息的最终优化2 2 】 3 导航与定位技术 在移动机器人系统中，导航定位的精确程度在很大程度上决定了机器人系统性能的 哈尔滨丁程人学硕= 【j 学位论文 i i i i i i i ii i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 菌i i i i 优劣，是机器人研究领域的一个核心问题。主要的定位方法包括：磁罗盘、里程讨、a g v 导航、地图模型匹配以及全球定位系统等方法。使用推测导航法可以在动态环境中对机 器人的位置进行计算，使用此种方法可把多个时段建立的数据信息匹配起来，来消除误 差的积累【2 3 1 。该技术中有两个发展方向值得注意：一个是机器人与环境交互融合问题， 也称为主动环境问题，另一个是关于如何构造完整的导航系统以便能够完成导航和f 定位 任务 2 4 。 4 i j 主和遥控技术 机器人自主及半自主技术，机器人监控及遥控技术，操作人员和机器人系统之，问的 相互协凋控制，可以通过网络在较大范围内建立机器人的遥控操作系统，在系统出现延 时的情兄下，可通过预先建立的显示来进行下一步的操作。 5 智能控制技术 智自邑控制包括神经网络、模糊控制及进化计算等，并逐渐演变成成熟的控制思想【2 川。 神经网络控制从生物学的角度看，其功能主要分为联想和思维、信息处理和推理等高级 思维活动【2 6 】，人工神经网络的信息处理能力有其独到的一面，具有非线性适应性， 由于传统的智能控制技术对于语音模式的识别以及非结构化的信息等方面的处理 不是很到位，存在很大的误差，从而使人工神经网络在模式的识别、神经专家控制 系统、智能化控制系统、系统优化组合等方面得到了施展。有了人工； 申经网络，结 合成熟的传统控制技术，智能控制技术将会变得更加成熟。 6 路径规划 对于任何导航方式来说，机器人都要对所需进行的移动过程进行路径的规划，当前 进过程中出现障碍时还要进行避障。所谓路径规划的目的就是要按照系统功能提出的要 求使机器人由起始点到目标位置规划一条最理想的无碰路径矧。由于不同的移动机器人 对环境中各种信息的感知程度有强弱之分，所以可分为已完全掌握环境信息的全，同路径 规划和对环境部分未知，要通过传感器来获得环境中路径以及障碍物等信息的局部路径 规划哆。 全局路径规划包括探究移动路径的搜索策略以及对系统所处的环境进行建模两个 方面。环境建模有多种方法，其中最为成熟的方法为可视图法。可视图法要求机器人、 目标位置及障碍物之间进行直线连接，即彼此之间是可视的。v o r o n o i d i a g r a m s 法和 t a n g e n ：g r a p h ；法f 2 9 】对可视图法进行了改进： 而局部路径规划主要方法包括遗传算法、模糊逻辑算法及人工势场法等。遗传算法 由j h ol a n d 在6 2 年代提出，它是利用选择和交叉机制来控制机构的运算程序【3 0 1 。：模糊逻 6 第1 章绪论 辑算法对系统传感器的信息进行实时采集，通过查询得到所需信息，从而制定出局部路 径规划的相应策略。当机器人所处的环境是未知的时候，采用该方法，可以较好的完成 系统的路径规划，具有较好的实时性 3 1 1 。 1 4 本文的主要研究工作 本文主要研究了结构环境下的移动机械手的控制，底层小车承载着机械手沿着导航 磁条所构成的结构环境进行移动，并在相应的结点完成取水、送水、看护、察看等功能， 主要工作内容如下： 1 机器人机械结构介绍及控制系统总体方案设计。简要介绍了系统机械结构，并结 合系统结构及功能需求分析设计了控制系统的方案，制定了控制策略，简要阐述了系统 的硬件实现手段。 2 小车循迹及控制逻辑的实现。简述了磁导航循迹的控制原理，以及小车在结构环 境下进行工作的控制逻辑实现方式，并进行了小车脱离磁导航结构环境时返回原点的轨 迹规划。 3 控制系统的硬件设计。介绍了系统的控制器、通信方式及电机驱动电路，并进行 了语音模块、自动充电检测模块等硬件电路的设计。 4 机械臂的取水轨迹规划及仿真。分析了机械臂的运动学模型，并进行了逆运动学 分析，规划了机械臂取水及放水的运动轨迹。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章系统总体方案设计 2 1 机器人机械结构方案 作勾一个能够移动的系统，机械本体为系统提供结构支撑。机械本体的结构、材料 及工艺：匈应满足系统的高效、稳定、轻质量以及造型美观等方面的要求【32 1 。该服务机器 人主要包括两大部分：一部分为机器人本体；另一部分为底层小车。 服务机器人本体由头部、躯干、上肢构成，由底层小车带动行走。 头部内置摄像头，实现特定位置的察看功能，躯干做装饰，为本体提供支撑。由上 肢右臂实现水杯的抓取功能。左臂做装饰，无抓取功能。机器人的整体结构如图2 1 所 刁弋。 图2 1 整体结构图2 2 机械臂结构 图2 3 底部小车 机器人右臂共4 个自由度，包括肩关节，肘关节，腕关节和手部夹取，如图2 2 所 示，每一个自由度处都由一个直流电机进行带动，故整个机器人系统需要四个电机。肩 部、肘部及腕部电机均由蜗轮蜗杆减速器来实现关节的传动，进而实现手臂的俯仰运动。 第2 章系统总体方案设计 手部夹取关节由拉线来带动，完成手爪的张合。 在选择机器人手臂的材料时，综合考虑到材料的强度、刚度、可加工性及价格等方 面，机器人手臂选取材料为高强度硬铝。 机器人躯干由方形钢管焊接而成，用于支撑机器人的手臂，并与底层小车由螺栓螺 母相连接。 在移动型机器人中，相对于步行式和履带式移动机器人来说，轮式移动机器人所占 比例很大。一般来说，步行式机器人结构较为复杂，而履带式机器人移动速度较慢，考 虑到本系统主要用于家庭室内服务，室内平整度较好，所以采用轮式方案即可。 轮式移动机器人常用的方式主要包括三轮式、四轮式和六轮式三种，六轮式结构较 为复杂，一般不采用。由于小车承载的上层躯干重心相对较高，且机械臂质量较大，这 就对底层小车的稳定性提出了较高的要求，一般三轮式结构相对四轮式来说所占面积较 小一些，所以会造成机器人底盘的稳定性较差。尽管可以增大轮间的问距来增大底盘面 积，但是由于三轮式结构的分布可知当底层小车要进行旋转时，由于旋转中心与小车底 盘的对称中心不重合，这就造成小车无法原地回转，从结构上决定了小车移动的局限性。 所以经分析可得，底部小车采用四轮轮式结构。小车由前、后、左、右四轮支撑，为左 右双轮差速移动平台，左右两轮各由一2 4 v 直流电机进行驱动，前后两轮为随动轮，如 图2 3 所示。这样既保证了机器人系统的稳定性，同时小车的运动还不失灵活性。 表2 1 电机相关参数 被控电机减速器编码器 对象 功率额定转速减速比减速器类型分辨率标定形式 ( w )( r m i n ) ( p r ) 肩关节 4 02 0 0 03 0 蜗轮蜗杆 5 0 0 旋转式 减速器电位计 肘关节 1 78 1 0 06 4 行星轮 1 2 旋转式 减速器电位计 腕关节 1 78 1 0 06 4行星轮1 2 旋转式 减速器电位计 手爪 53 0 0 05 0 行星轮霍尔开关 减速器 左轮 9 03 6 0 03 0 行星轮 5 0 0 电机减速器 右轮 9 03 6 0 03 0 行星轮 5 0 0 电机减速器 由上述可知系统共有六路电机驱动，在六个电机中，除手爪张合关节电机为开环控 9 j i l l j 滨工程火学硕= i ：学位论文 i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 制外，其余五路均为闭环控制。控制系统通过采集电机尾部编码器反馈的；帼应的位置和 速度信息来实现速度闭环或位置闭环控制。由于系统所选电机自带编码器为光栅增量式 编码器所以说要在服务机器人每次重新启动后进行初始位置的重新标定，即系统要进 行上电复位。在该服务机器人系统中，要对机械臂部分的肩关节、肘关节：和腕关节进行 复位，所选复位方式为旋转式电位计，当各关节电机带动电位计旋转后使电位计输出电 压发生变化，关节到达复位位置后，电位计输出电压达到某个定值被系统检测到，使电 机停止：陆动，完成复位。系统所选电机各参数如表2 1 所示。 2 2 控制系统总体方案设计 2 2 1 系统的结构环境简介 该智能服务机器人的移动要靠底部的小车来实现，在该课题中要求小车沿地面所铺 设的磁条进行移动，磁条所构成的路径便理解为系统的结构环境，该结构环境具体布置 方案如图2 4 所示： 图2 4 服务机器人运行的结构环境 该智能服务机器人在一房间内工作，可完成去饮水机处取水、送水至茶几处、去窗 户处查看、去幼儿所在的床处进行看护等功能，待机器人电量不足时可自动返回充电座 处自行充电。整个工作过程沿铺设好的磁条进行移动。黑色的方形磁条轨道是小：车的固 定循迹路线，磁条轨道在固定的位置上放置了磁条结点，对应着固定环境的位置。 2 2 2 系统控制方案 对一个机器人控制系统来说，实现同一种控制功能可有多种方式，常用的控制方式 1 0 第2 章系统总体方案设计 有集中控制和分级控制。 1 集中控制： 对于集中控制来说，整个系统的控制功能由一台p c 机即可完成，即可由一台p c 机完成整个控制系统的数据信息处理、伺服控制等功能。所以应具有比较强的数据处理 及运算能力和良好的实时性，可以在系统的一个采样周期i 内完成各个控制回路的信号采 样、控制算法和运动规划等。还应具有良好的人机交互界面及接口。 2 分级控制： 分级控制与集中控制正好相反，它的特点是功能及控制任务相对分散，适用于拥有 多个环节的控制系统。上位机负责执行控制命令的发送、输入操作数据、显示系统的工 作状态，并接收下位机返回的相关信息，经过已制定的算法进行相应的规划，并将规划 得到的控制命令发送给下位机，所以上位机应具有较强的数据处理及运算能力。下位机 应具有较强的处理数据的能力，即实时性要良好。所以应二县有较强的实时通信能力、一 定数目的i o 接口。 由于本课题中服务机器人系统的自由度较多，因此系统应采用分级控制。所以上位 机应具有较强的数据处理及运算能力，一定数量的输入输出接口，主要包括a d 接口、 编码器接口等；还应具有一个详细的软件操作界面。而下位机应具有快速实时通信的能 力，即良好的实时性。本文中p c 机作为系统的上位机，完成取水、察看、看护等控制 命令的发送等，下位机由主a r m 接收上位机发来的控制指令，经过主a r m 的逻辑协 调发送给相应的从a r m ，几个从a r m 完成对机械臂各关节以及底层小车左右两轮的 伺服控制，具体方案如图2 5 所示。 使用6 个从a r m 分别对6 个电机进行控制，6 个a r m 分别与主a r m 进行通信。 肩部、肘部、腕部和底层小车左右轮分别实现电机的速度闭环控制，手爪张合的电机实 现开环控制。整个控制系统通过c a n 总线进行通信。系统中用于循迹的磁导航传感器 信号以及用于避障的光电开关的信号都由主a r m 进行采集。对于本机器人服务系统来 说，底层小车是典型的速度闭环系统，而机械臂的运动是典型的位置伺服系统。控制系 统中采用数字控制的方法，每个关节的a r m 控制器输出p w m 信号，p w m 信号通过h 桥来输出相应的工作电压来驱动电机进行运动。同时安装于直流电机尾部的正交编码器 的信号作为位置反馈来构成伺服控制闭环。 主机发送的各种指令要通过无线路由器传入系统的网络模块，网络模块接收发来的 指令数据传入c a n 总线，再由c a n 总线发送到相应的各环节的a r m 控制器中。网络 摄像头通过网线接入无线路由器，无线摄像头所采集的画硅百则通过无线路由器传入主机 界面中。 c a n 总 姚 j 一无线路由器k ：爿网络摄像头 网络模块 a r m 黑鬣 行程开关信号 一一 一- 正交编码器信号 l 翼嚣 角度信号 一一正交编码器信号，一 一 l 裟嚣 正交编码器信号 角度信弓 一厂一 势臣塑重型秘也翌型 a r m 角度信号 一一广 叫减速器f _ 叫肘关节i 正交编码器信号 主ar m 广了晤丽琢再 a r ml 裟嚣 正交编码器信号 a r m 正交编码器信号 2 2 3 系统工作原理 图2 5 系统总体控制方案 一厂 叫减速器 一叫右轮j o 。l 一 整个系统是由s t m 3 2 f 1 0 7 型高性能a r m 、功率放大模块、自动充电模块、：爵音模 1 2 丽到 磊一 一m 动一| 主驹一 玲 匮 第2 章系统总体方案设计 i i ；i i ；i i ；i ；i i ；i i ；i ；嗣i i ；i i 薯高i i i ；i ；i ；i i i i ；薯岛；i 罱；i i i i ；i i ；i i i i ； 块、信号采集模块等模块组成。其中主a r m 主要负责底层小车磁导航传感器信号的检 测以及系统各个自由度控制指令的协调发送，各从a r m 主要负责各电机运动控制算法 的计算，功率放大模块实现p w m 信号的放大以及电机的驱动，通信模块则负责主a r m 与主机的通信。 当底层小车在导航磁条上进行循迹时，磁导航传感器负责采集磁条的位置信息并由 主a r m 接收，当底层小车偏离航向时，主a r m 检测到磁导航传感器位置信息的变化， 经过系统控制算法的协调通过c a n 总线给小车左右两轮发送命令进行调整。当小车运 行至取水及放水两个节点时，经磁导航信号的检测，系统可使小车停止，机械臂可进行 相应的动作指令抓取和释放水杯。各关节通过c a n 总线接收到控制指令后，由相应的 从a r m 进行速度或位置闭环控制算法，经过控制器的运算得到p w m 信号输出，p w m 信号经过h 桥驱动放大来驱动电机。电机控制器具有过流保护的能力，即在关节电机的 工作过程中，若发生负载过大或电机堵转等现象，电机的电枢电流会瞬间增大，当电流 超过规定值时，过流保护模块会使系统失去驱动能力以保护电机。 2 3 控制系统通信方案及软件的设计 由于服务机器人要直接和人打交道，所以要保证服务机器人的功能不会对人类 造成伤害，如过量辐射或是控制系统失控等都是必须要避免的问题。鉴于服务机器 人工作的特殊性质，控制系统的稳定性就要得到特别的重视。稳定性主要在于控制 系统的命令发送要稳定，为了保证系统的通信环节的稳定性，系统要采用稳定性相 对较高的通信方式。 由前文可知，系统中所涉及到的主要通信方式包括c a n 总线通信以及网络通 信，其中c a n 总线通信用于主a r m 与各个自由度从a r m 的相互通信。由于系统 中存在主机( p c 机) ，所以可以考虑网络通信，即主机通过网络给控制系统发送 命令，由主a r m 接收。主a r m 中不存在网络接收模块，所以考虑增加一网络模 块，用来接收主机界面发来的控制命令。控制命令经网络模块接收后再通过c a n 总线与主a r m 及各个从a r m 进行通信，实现整个系统的通信过程。 由上述方案知主机与系统网络模块问建立了网络连接，在试验阶段可以考虑用 一根网线将主机与系统网络模块连接起来，实现主机与服务机器人系统之间的通 信，但是考虑到服务机器人系统要在移动中完成工作的，所以应考虑主机与系统网 络模块问实现无限网络通信，取代原来的有线通信。所以系统中增加了无限路由器， 哈尔滨工程大学顷：i ：学位论文 i i i i ii i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 一一i i 由无线路由器与主机实现无线通信，系统网络模块与无线路由器之问通过网线实现 有线通信即可。 2 3 1 网络通信方案设计 由前文通信系统的分析可知，涉及到网络传输的部分主要有： ( 1 ) 主机界面与无线路由器之间的通信。该部分主要涉及到主机软件界面对 服务机器人系统的各种控制命令的发送。 ( 2 ) 路由器与系统网络模块之间的通信。该部分信息实时性要求很高，涉及 到系统网络接收模块以及网络摄像头的通信。 常用的网络传输协议有t c p ( t r a n s m i s s i o nc o n t r o lp r o t o c 0 1 ) 协议和u d p ( u ：s e i d a t a g r a mp r o t o c 0 1 ) t ) j 、议1 3 3 】。 从用户角度看，t c p 协议可以提供面向连接的、全双工的、可靠的 的数据传输服务。t c p 发送的包有序号，对方收到后要有一个反馈，超过一定时间 未收到反馈就自动进行超时重发，因此t c p 最大的优点就是可靠。 由前文t c p 协议的传输 j r - , 0 发现，其数据超时重发功能会降低系统的实时性， 因而这个延时不适用于系统的实时控制部分。相对于t c p 协议的高可靠性，u d p 协议更注重速度的流畅性。对于主机软件命令的发送，宜采用u d p 协议进行通信。 s t m 3 2 f 1 0 7 x xe t h e m e t p h y1 硝1 0 0 m c u r m ”t x e n。 e t h e m e t ： m a c1 例1 0 0 r m n1 x o 1 ：o l。 r m i lr x d i l ：o l h e l k r m i i r m i lc r xd v ；7p i n s l e e e 5 8 8p t p 5 0 m h z r m f f 。+ r e f 一、c l k ，5 0 m h z = g p i n s 。e i l m e r m d i o m o c i 。芦i n p u tt i m m e p s a t r 龇a m 。p fj 园。由 删h z x q l f a 2 i 蹦!；d p 8 3 8 4 8 j j 图2 6 网络模块物理层与主控芯片的连接原理图 隔络模块中的主控芯片同为a r m 芯片s t m 3 2 f 1 0 7 ，这得益于该芯片强：太的功 能，相比于s t m 3 2 f 10 5 ，该芯片增加了以太网模块。片上集成的以太网m a c 支持 m i i 和r m i i ，因此，实现一个完整的以太网收发器只需一个外部p h l y - 芯片。 如图2 6 所示，主控制芯片s t m 3 2 f 10 7 与以太网物理层芯片d p 8 3 8 4 8 之间通 过简化媒体独立接口r m i i 相连，实现数据的传输。对于1 0 0 m b i t s s 的数据传送速度 1 4 来说，r m i i 接口的同步时钟为5 0 m h z ，该时钟与m a c 的输入时钟保持一致。该接口 具有r x d 和t x d ，每种有两根，共4 根信号线，还有一根r e f c l k 时钟线用于对所 有数据传输进行同步，其余的三根信号线线用于对系统的控制信号进行传输3 钔。 2 3 2c a n 总线通信方案设计 c a n 总线是控制器局域网总线的简称，是目前国际上运用非常成熟的现场总线之 一。在很多西方国家，c a n 总线协议被很多车辆以及重型机械所应用。对于信息传输 来说，由于要受到很多外界环境的干扰，如超低温环境或强电磁辐射等，信息的可靠新 很难得到保证，而c a n 总线经过近些年的研发，已经具备了很高的稳定性和可靠性， 同时c a n 总线的自动检测错误的能力也要由于一般的串口通信，能在恶劣的环境条件 下保证信息的可靠传输，所以目前在很多严寒、高温、强噪声以及强电磁辐射的工业环 境中应用非常广泛【35 | 。 1 c a n 总线通信相对于串口通信的优点 在c a n 总线出现以前，计算机与各种硬件设备相互之间的通信大多通过串口通信 来进行，主要包括r s 2 3 2 、r s 4 8 5 总线等方式。但串口通信一般只能实现单一的通信， 即在以串口通信为主的通信网络中，通信只能通过p c 机的中转才1 能实现，即点对点的 通信方式f 36 | 。这样，每一个通讯的从设备都要与p c 机建立串口连接，在硬件结构的搭 建上非常的繁冗，服务机器人系统脱离p c 机在室内进行工作更是变得不可企及。 c a n 总线的通信技术是基于i s o o s i 模型进行通信的，整个c a n 通信的软件系统 已十分成熟。c a n 总线设备可以自动搭建网络，而且没有主设备和从设备之分，任何 一个基于c a n 总线通信的设备均可进行发送和接收控制信息。由于不同厂家在生产相 应的基于c a n 通信的控制设备时都是以c a n 网络协议为基础，因而设备之间具有兼容 性。因为基于c a n 总线搭建的通信网络中任何一个设备都可发可收，这样在硬件结构 搭建时，就可以省去每根同主p c 机进行通讯的串口线，而只要把每个通讯设备的c a n 接口顺次连接，构成了一个网络，如图2 7 所示。 在由国际标准化组织颁布的c a n 总线物理层规范中，规范推荐c a n 网络中所有的 通信站点都要接到一个公共的总线信道上，即每个通信站点要通过相应的硬件接口进行 串接，其中任何一个站点发送的信息，所有其它站点均能通过公共信道进行接收。因此 总线结构为多点式【3 7 】。c a n 总线设备可以自动搭建网络，而且没有主设备和从设备之 分，及任何一个基于c a n 总线通信的设备均可进行发送和接收控制信息。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i i i i i ii i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i c a k b u s 图2 7c a n 网络拓扑结构 2 系统c a n 总线通信结构图 对于服务机器人系统来说，系统各个控制命令的发送都是基于c a n 总线进； j 二传递 的。如图2 8 所示，网络模块接收无线网络信号传来的控制指令，控制指令在网络模块 中通过c a n 接口传输到c a n 网络中。 网络模块 么 。i can 总线 么、么彳：? 么么、彳、 迥乒了箩己乒3 乒迥乒3 乒己乒立一 丰 肩肘腕手爪左右语音 arm 关节关节关节张合轮轮模块 图2 8 系统c a n 总线通讯结构图 2 3 3a r m 嵌入式操作系统的选择 a i , m ( a d