1引言

近年來(lái), 移動(dòng)機器人技術(shù)發(fā)展迅猛, 應用也越來(lái)越廣泛, 而移動(dòng)機器人運動(dòng)的穩定性和靈活性則決定著(zhù)其未來(lái)發(fā)展前景和應用價(jià)值。本文簡(jiǎn)要分析了移動(dòng)機器人力覺(jué)操控系統的設計與實(shí)現, 旨在為相關(guān)研究和實(shí)踐提供參考。

2移動(dòng)機器人力覺(jué)操控系統總體設計

2.1設計要求與工作原理

設計要求:準確表達操控者操作意圖, 保證機器人平穩運行;實(shí)現操控裝置、上位機及機器人之間的無(wú)線(xiàn)通信。

工作原理:力傳感器檢測操控者施加的力/力矩, 力覺(jué)操控裝置將檢測到的信息發(fā)送至上位機, 上位機分析和處理信號, 將運動(dòng)指令傳送給移動(dòng)機器人, 移動(dòng)機器人根據運動(dòng)指令進(jìn)行相關(guān)運動(dòng)。

2.2系統構成

2.2.1移動(dòng)機器人

本系統采用Mecanum輪式全向移動(dòng)機器人, 其有著(zhù)運動(dòng)能力出色的特點(diǎn), 在全方位工業(yè)品傳輸系統及自動(dòng)引導車(chē)等領(lǐng)域中有著(zhù)廣泛的應用。本文提出的移動(dòng)機器人力覺(jué)操控系統主要用于人工操控機器人, 實(shí)現其全向運動(dòng)[1]。全向移動(dòng)主要包括平動(dòng)和轉動(dòng)兩種運動(dòng)方式, 已知機器人四個(gè)車(chē)輪轉速, 利用正運動(dòng)方程可求出其平移速度和轉動(dòng)角速度, 已知平移速度和轉向角速度則可以利用逆運動(dòng)方程求出各個(gè)車(chē)輪轉速, 逆運動(dòng)方程如下:

式中, vx、vy代表機器人的平移速度;wz代表機器人的旋轉速度;wi代表各個(gè)車(chē)輪轉動(dòng)角速度 (i=1, 2, 3, 4) 。上位機對力傳感器檢測到的人手力/力矩信號, 會(huì )得到移動(dòng)機器人的運動(dòng)形式及速度, 以公式 (1) 為基礎, 則可以推導計算出移動(dòng)機器人四個(gè)車(chē)輪的轉速, 以此來(lái)實(shí)現人對移動(dòng)機器人運動(dòng)的操控。

2.2.2力覺(jué)操控裝置

力覺(jué)操控裝置與反饋操縱桿類(lèi)似, 是重要的信息傳送媒介, 其對操控體驗有著(zhù)重要的影響。力覺(jué)操控裝置主要由力檢測機構、旋轉夾緊機構和吸盤(pán)底座三部分組成, 操控者握住力檢測機構中的把手施加力/力矩信號, 傳感器檢測到該信號并通過(guò)電橋轉換為電壓信號輸出[2]。吸盤(pán)底座的主要功能是將裝置固定在移動(dòng)機器人上。

力覺(jué)操控裝置主要安裝在機器人或機器人負載上, 無(wú)論安裝在何種位置, 都要保證其坐標與移動(dòng)機器人局部坐標保持一致, 以此來(lái)實(shí)現力傳感器輸出信號與上位機輸出指令的一一對應。

2.2.3控制系統

力覺(jué)操控系統中的控制系統主要包括:

⊙力傳感器系統:其主要功能是對操控者施加的力/力矩信號進(jìn)行檢測和處理, 并利用Wi-Fi將處理后的信號發(fā)送該上位機。

⊙上位機系統:上位機系統的主要功能是接收力傳感器系統傳送來(lái)的信號, 并對信號進(jìn)行分析, 將對應的指令發(fā)送到運動(dòng)控制系統中[3]。

⊙運動(dòng)控制系統:運動(dòng)控制系統接收到指令后指導機器人進(jìn)行平移運動(dòng)或旋轉運動(dòng)。本文重點(diǎn)對力傳感器系統進(jìn)行設計。

3力傳感器設計

3.1力傳感器結構設計方案

對于移動(dòng)機器人力覺(jué)操控系統來(lái)說(shuō), 其對機器人運動(dòng)的控制大致包括平移運動(dòng)和旋轉運動(dòng)。平移運動(dòng)由施加的力來(lái)控制, 旋轉運動(dòng)則由施加的力矩來(lái)控制, 這就要求力傳感器能夠檢測到一維的力矩信號及二維的力信號, 從而控制移動(dòng)機器人的位置。本文提出了一種“雙孔獨立十字梁”型的力傳感器結構, 傳感器主要包括推桿、蓋板、彈性體及底盤(pán)組成[4]。底座周?chē)杏筒? 加入潤滑油能夠減少彈性體與底座的摩擦, 形成“滑道”的效果。蓋板的作用是封閉油道, 推桿的作用是傳遞外力, 利用螺栓將推桿與十字梁彈性體連接在一起, 將信號傳遞給彈性體, 彈性體變形使得其上的應變片電阻出現變化, 通過(guò)電橋輸出電壓信號, 從而實(shí)現對操控者施加力/力矩信號的檢測。

3.2測力原理

用Fx、Fy、Fz代表傳感器輸入信號, 即需要檢測的力/力矩信號, Fj代表子梁受到的約束力, i=1, 2, 3, 4。l代表彈性體月輸電與受力作用點(diǎn)之間的距離。以受力平衡為依據, 可以得到:

以十字梁每根梁受力測量結果為基礎, 能夠推算出操控者施加的推力或扭矩。根據惠斯通原理, 可以計算出全橋電路輸出電壓U0。用U0 j代表單根梁j上電橋的輸出信號, 則可以得到:

在式 (3) 中, M為常數, 建立了三維力/力矩的傳感器模型, 從而得出傳感器測力機制, 通過(guò)輸出信號與輸入信號的關(guān)系式, 以檢測到的四個(gè)電橋輸出電壓為依據, 反向推導, 可以得出操作者施加的力/力矩。

4移動(dòng)機器人力覺(jué)操控系統軟硬件設

計與實(shí)現

4.1硬件設計

STM32有三種啟動(dòng)模式:

模式1:正常工作時(shí), BOOT0引腳與低電平連接, 設置為用戶(hù)閃存存儲器啟動(dòng)模式。

模式2:用戶(hù)在使用串口下載代碼的時(shí)候, 需要BOOT0引腳與高電平連接, 而B(niǎo)OOT1引腳與低電平連接, 此時(shí)設置為系統存儲器模式。

模式3:BOOT0引腳與BOOT1引腳都與高電平連接的時(shí)候, 從SRAM啟動(dòng), 可調試代碼。

本文設計的移動(dòng)機器人力覺(jué)操控系統硬件系統結構如圖1所示, 整個(gè)硬件系統以STM32芯片為控制核心, 還包括電源模塊、通信模塊、信號采集處理模塊以及節能模塊等。力覺(jué)傳感器采集電壓信號, 信號調理電路進(jìn)行電壓信號調理, 利用模數轉換器將電壓信號轉換為數字信號, 之后利用STM32處理數據。通過(guò)I/O口輸入開(kāi)關(guān)量信號, STM以中斷或查詢(xún)的方式來(lái)讀取開(kāi)關(guān)量信號, 利用STM32芯片中的Wi-Fi模塊和UART進(jìn)行數據粗函數, 并實(shí)現與服務(wù)器的通信。電源模塊的功能是為芯片及外圍電路提供電能, 且能夠指示點(diǎn)亮, 利用I/O接口, 節能模塊能夠實(shí)現對外部電源通斷的有效控制, 從而實(shí)現節能效果。

4.2軟件設計

以RVMDK軟件為基礎進(jìn)行系統開(kāi)發(fā), 利用C語(yǔ)言進(jìn)行編程。采用模塊化設計方法進(jìn)行程序設計, 對控制器完成的各項功能進(jìn)行編程, 待到功能模塊調試成功之后進(jìn)行聯(lián)調, 組成整個(gè)軟件系統。具體如下:

4.2.1 ADC轉換

ADC的正常啟動(dòng)是移動(dòng)機器人力覺(jué)操控系統正常工作的前提條件, 在系統正常工作的過(guò)程中, 需要A DC來(lái)持續采集轉換數據。為了保證轉換通道較高的準確度, 應盡量設置較長(cháng)的采樣時(shí)間, 但需要注意的是, 這會(huì )影響ADC的轉換效率。ADC轉換時(shí)間公式為:Tcovn=采樣時(shí)間+12.5個(gè)周期, 其中Tcovn代表總轉換時(shí)間。本文將轉換時(shí)間設置為239.5個(gè)周期, 時(shí)鐘頻率設置為12MHz, 則可以得到總轉換時(shí)間為252個(gè)周期, 換算即為21us。操作者施加的力是ADC轉換新號的主要來(lái)源, 信號變換頻率要<2Hz, 不僅能夠保證信號獲取的準確度, 同時(shí)轉換效率較高。在A(yíng)DC正常工作過(guò)程中需要進(jìn)行一系列的設置: (1) 將IO時(shí)鐘和ADC時(shí)鐘開(kāi)啟, 將IO口設置為模擬輸入[6]; (2) 對ADC進(jìn)行復位, 進(jìn)行分頻因子設置; (3) 參數初始化, 設置ADC工作模式和規則序列; (4) 進(jìn)行ADC校準; (5) 將ADC轉換開(kāi)啟。在A(yíng)DC轉換完成之后, 利用DMA控制器將轉換值轉移至變量中, DMA完成后, 則ADC數據可供主函數使用。

4.2.2串行通信

本文設計的移動(dòng)機器人力覺(jué)操控系統雖然能夠持續采集4路電橋信號, 并將信號轉換為運動(dòng)指令, 但之后的指令均由串口發(fā)送, 這就不可避免的造成C PU資源和電能的浪費。一般來(lái)說(shuō), 人手操作頻率在2Hz以下, 因此采用定時(shí)器中斷觸發(fā)方式, 隔一段時(shí)間進(jìn)行運動(dòng)指令的發(fā)送。為保證通信可靠性, 消除干擾信號, 在數據末端增加CRC校驗碼, 其有著(zhù)較強的糾錯能力, 能夠實(shí)現差錯校驗功能。

4.2.3無(wú)線(xiàn)通信

通過(guò)串口將運動(dòng)指令傳輸至無(wú)線(xiàn)模塊之后, 無(wú)線(xiàn)模塊將數據轉發(fā)至服務(wù)器。本文設計的力覺(jué)操控系統無(wú)線(xiàn)通信模塊的工作模式有三種:一是透傳模式:顧名思義, 即數據透明傳輸模式;二是命令模式:用戶(hù)可通過(guò)AT命令來(lái)查詢(xún)或設置串口參數及網(wǎng)絡(luò )參數;三是PWM/GPIO模式:在該模式下, 用戶(hù)可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò )命令來(lái)控制PWM/GPIO。

在實(shí)施控制小車(chē)的時(shí)候, 無(wú)線(xiàn)通信模塊處于透傳模式, 通過(guò)串口可向無(wú)線(xiàn)通信模塊發(fā)送運動(dòng)指令, 經(jīng)轉發(fā)到服務(wù)器, 無(wú)線(xiàn)通信模塊本質(zhì)上是一個(gè)無(wú)線(xiàn)終端, 即STA, 其與服務(wù)器 (PC) 構成C/S架構, 客戶(hù)端為STA, 服務(wù)器端為PC, 屬于兩層體系結構, 能夠充分發(fā)揮硬件優(yōu)勢, 節能降耗, 提升性能。

模塊接受串口數據的過(guò)程中會(huì )對相鄰字節的間隔時(shí)間不斷檢查, 如果檢查結果大于設置值, 則代表一幀結束, 如果檢查結果小于或等于設置值, 則一直接收數據, 指導數據大于1000字節。一幀接收結束之后, 利用無(wú)線(xiàn)方式將數據傳送到客戶(hù)端, 系統默認相鄰字節時(shí)間間隔為250ms, 同時(shí)操控者施加力的頻率在2Hz以下, 即運動(dòng)指令發(fā)送時(shí)間周期大于500ms, 由此可見(jiàn), 這種串口成幀的模式能夠滿(mǎn)足系統對串口轉發(fā)效率的需求。

為了實(shí)現無(wú)線(xiàn)通信, 需要進(jìn)行其他配置, 上電后進(jìn)入透傳模式, 將模塊設置為命令模式, 重啟之后默認為透傳模式。

設置為命令模式之后, 通過(guò)AT指令進(jìn)一步配置, 通過(guò)串口將每條指令輸入到模塊中, 繼續擰參數化配置, 串口顯示“+ok”。此外, 也可以通過(guò)編程輸入AT指令。輸入完成后模塊會(huì )自動(dòng)重新啟動(dòng), 重啟后默認為透傳模式, 檢測到力/力扭矩信號, 即可實(shí)現運動(dòng)指令向服務(wù)器的發(fā)送。

5移動(dòng)機器人力覺(jué)操控系統調試實(shí)驗

5.1實(shí)驗原理及方法

實(shí)驗目的是保證移動(dòng)機器人力覺(jué)操控系統力傳感器坐標與機器人局部坐標的一致性, 保證信號輸出與運動(dòng)指令一一對應, 從而保證系統控制性能。實(shí)驗采用移動(dòng)機器人平移速度為0~0.2m/s, 旋轉速度為0~60°/s?？刂普呤┘恿Ψ秶?50N-50N之間, 力矩在-5N·m~5N·m。則可以將機器人運動(dòng)形式劃分為四種情況:有且只有一個(gè)力信號, 機器人進(jìn)行前后左右平移;有兩個(gè)力信號, 機器人進(jìn)行斜向平移, 平移方向為兩個(gè)力合力方向[7];有且只有力矩信號, 機器人進(jìn)行旋轉;無(wú)信號, 靜止。

5.2實(shí)驗結果

將力覺(jué)操控裝置在操控臺上進(jìn)行調試試驗, 實(shí)驗結果表明, 本文設計的移動(dòng)機器人力覺(jué)操控系統能夠實(shí)現機器人的全向運動(dòng), 運動(dòng)形式與控制者施加力/力矩對應, 機器人運行的過(guò)程中較為平穩和流暢, 證明系統的穩定性和可靠性?xún)?yōu)良。且靈敏度、非線(xiàn)性誤差均滿(mǎn)足要求

6結束語(yǔ)

綜上所述, 本文提出了一種移動(dòng)機器人力覺(jué)操控系統, 分析了系統組成及具體設計, 探討了功能實(shí)現過(guò)程。系統調試結果可知, 本文提出的移動(dòng)機器人力覺(jué)操控系統在非線(xiàn)性誤差及靈敏度方面滿(mǎn)足要求, 能夠實(shí)現機器人穩定、可靠地全向運動(dòng)。