基于CAN 總線結構的服務機器人模塊化雙臂系統構建

李憲華，郭永存，郭帥，朱濤

(1. 安徽理工大學機械工程學院，安徽淮南232001;2. 上海大學機電工程與自動化學院，上海200444;3. 中國電子科技集團公司第八研究所，安徽淮南232001)

微軟公司董事會主席比爾·蓋茨曾預言:機器人即將重復個人計算機產業的崛起之路，成為人們日常生活中的一部分，實現“家家都有機器人”［1］。如果想讓機器人能夠在一定程度上代替人類來完成某些日常工作，在其結構和功能上應盡量以人作為參照對象進行設計［2－3］，服務機器人進行作業的最直接手段就是通過手臂完成取、放、擰緊、開關等動作，手臂是服務機器人完成任務操作的最終實現工具，因此對機器人手臂進行合理的設計變得尤為重要。目前幾乎大部分工業機械臂的控制系統采用專用計算機、專門機器人語言、專用操作系統與專用處理器，各子系統耦合比較大，僅以示教盒作為人機接口。此種封閉式控制系統存在開放性差、軟件獨立性差和擴展性差等問題，大大限制了系統的可擴展性和靈活性［4－6］。因此對于家用服務機器人應采用質量輕且系統代碼開放的手臂系統，以便于機器人系統的深入研究開發、擴展和多傳感器的集成。

1 手臂硬件系統構建

基于以上原因，課題組采用德國Amtec 公司生產的PowerCube 可重構機器人模塊構成機器人的雙臂。該模塊不僅具備機械系統的可重構性，而且每個控制系統亦可單獨工作，主要特點有: (1)質量較輕。模塊集馬達、減速器、控制電路、碼盤、驅動器于一體，大大減小了本身質量。PRL120 型號的模塊馬達功率為250 W，輸出額定轉矩達216 N·m，而質量僅為3.6 kg。PRL60 為最小模塊，輸出功率為40 W，輸出額定轉矩達4.5 N·m，關節模塊和手爪模塊如圖1 所示。(2)系統開放，便于開發。模塊代碼都為開放的，提供基本的通信協議和DLL 動態鏈接庫，便于在不同操作系統編程平臺下進行信息融合。該服務機器人手臂上位機操作系統為WindowsXP，開發環境為VC++。 (3)組裝簡單，便于組成各種構形。機器人模塊的一個重要特點就是可重構性，將具有不同尺寸和功能特征、擁有一定裝配關系的關節模塊與連桿以積木的方式搭建起來就構了一個機械臂。根據需要不同，可以組成不同構型的機器人，以便適應任務的多樣性。PowerCube 模塊通信方式、驅動和控制都是相同的，僅需將它們用中間桿件連接起來便可。當需要構建不同的機器人手臂時，只需改變連接件即可。

圖1 PowerCube 模塊

每個模塊都為中空軸結構，因此連線非常簡捷。每個模塊有7 根電纜線，包括2 根馬達電源線、2 根控制電源線、3 根控制數據線。電源都為24 V，使用不同顏色的線材，電氣接口如圖2 所示。本文所構建機器人雙臂一共使用了14 個模塊，單個手臂7 個模塊，其中6 個模塊用于構成手臂，1 個模塊為手爪。首先串聯每個手臂的7 個模塊，然后并聯兩個手臂的兩組模塊，如圖3 所示。

圖2 PowerCube 模塊電氣接口

PowerCube 模塊可供使用的通訊協議有3 種，分別為CAN、RS232、ProfiBus，文中采用的通訊協議為CAN，波特率為1 000 kB/s。普通計算機沒有CAN 通訊接口，但具有USB 接口，因此為了實現模塊與計算機間的通信，必須完成CAN 通信協議與USB 通信協議之間的轉換，采用一個CAN 轉USB 轉換器，可以實現這種功能，如圖4 所示。

圖3 機器人雙臂模塊連接方式

圖4 CAN－USB 協議轉換

為了連接14 個關節模塊，必須設計模塊間連桿，根據模塊機械接口的物理尺寸，采用鋁合金材料，兩個手臂所需連桿為14 個。每個連桿模塊內部留有孔，這樣可以避免手臂在外部走線。由于手臂的機械部分與電氣部分均采用串聯方式連接，所以連接模塊與連桿的同時，必須連接電氣部分。模塊端部均布有12個螺孔用以模塊間的連接，模塊本身具有物理零位，因此進行連接時，要使模塊運動至機械零位，以便于手臂的物理校零。完成手臂裝配后，將其安裝于服務機器人本體上，如圖5 所示。

圖5 模塊化雙臂構建過程

2 手臂軟件系統設計

每個模塊都具有獨立的控制器和驅動器，因此分布式控制系統［7－8］比較適合用來對手臂進行控制。分布式控制系統是指由多臺計算機分別控制生產過程中多個控制回路，同時又可集中獲取數據、集中管理和集中控制的自動控制系統。手臂的控制系統由三層組成，分別是路徑規劃層、軌跡規劃層和關節控制層。第一層指定作業過程的路徑;第二層規劃每個關節的時基變量，用以產生運動指令，通過CAN 總線將指令分發給關節控制器;第三層接收上位計算機指令，完成關節的運動控制。各關節控制器獨立進行關節的運動控制，并向上位計算機發送各關節的狀態信息。在實際的程序編寫中，采用VC + + 的多線程技術［9－10］，將軟件系統分為兩個線程，主線程主要完成手臂路徑、軌跡規劃與指令幀生成，并向各個關節發送運動指令，同時接收關節的位置信息，決定下一動作指令幀的發送。輔線程接收關節運行的狀態信息，包括關節電流信息和錯誤信息等。電流的大小能夠反映手臂負載的大小，電流超出某一設定值時，便可認為手臂抓取重力已超過其額定負載，此時控制系統發出錯誤信號，并立刻停止手臂的動作;錯誤信息包含關節出現的錯誤情況，有代碼與之相對應，通過查詢錯誤出處便可做出相應處理。而輔線程則將各種信息進行處理，然后把處理的結果返回給軌跡規劃層，用以決定是否向各關節控制器繼續發送運動指令。文中采用的軟件方案如圖6 所示。

圖6 手臂軟件系統方案

3 實驗

在完成了機器人雙臂的軟硬件系統構建后，對機器人的運動學進行了解算，完成了手臂正逆運動學計算及軌跡規劃等問題［11－12］。為了驗證雙臂硬件系統構建的可靠性及軟件系統的正確性及穩定性，設計了機器人開瓶倒水動作。位于機器人腰部位置的三目視覺傳感器獲得水瓶的位置，然后統一至機器人基礎坐標系下，而后經過逆解計算得到右臂的各關節坐標，手臂按照規劃好的路徑到達水瓶上方，最后垂直向下運動至抓瓶點，關閉手爪完成抓取動作，而后雙臂協調進行開瓶動作，將水瓶擰開后，右臂倒水，左臂放下瓶蓋，最后右臂將水瓶置于桌上，雙臂同時放下，回到初始位姿。實驗結果如圖7 所示，從而完成了對手臂軟硬件系統的驗證。

圖7 雙臂運動測試實驗

4 結論

采用PowerCube 可重構機器人模塊共14 個，基于CAN 總線構建了服務機器人的雙臂硬件平臺，依據手臂功能模塊化的特點，采用分布式控制系統方案，設計了機器人雙臂的控制系統，采用多線程技術設計了雙臂軟件系統，最后通過實驗驗證了CAN 總線結構下雙臂軟硬件系統構建的正確性及穩性定。

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