模塊化蛇形機(jī)器人無線控制器開發(fā)

陸招蘭， 王坤東， 金 軒(. 三明學(xué)院 現(xiàn)代教育技術(shù)中心，福建 365004; .上海交通大學(xué) 儀器工程系，上海 0040)

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模塊化蛇形機(jī)器人無線控制器開發(fā)

陸招蘭1， 王坤東2， 金 軒2
(1. 三明學(xué)院 現(xiàn)代教育技術(shù)中心，福建 365004; 2.上海交通大學(xué) 儀器工程系，上海 200240)

基于無線控制技術(shù)和模塊化思想，開發(fā)出面向蛇形機(jī)器人的控制單元，以克服蛇形機(jī)器人龐大關(guān)節(jié)數(shù)量而帶來的通信控制困難。該控制器下位機(jī)采用ARM單片機(jī)作為內(nèi)核處理器，利用其PWM波實現(xiàn)兩路舵機(jī)的獨(dú)立速度控制，基于C1100無線收發(fā)芯片實現(xiàn)與上位機(jī)的通信，并由鋰電池供電。上位機(jī)采用ARM單片機(jī)與C1100芯片接收信息，并通過RS232串口連接至計算機(jī)。分析了蛇形蜿蜒、直線蠕動步態(tài)，提出了實現(xiàn)這些步態(tài)的運(yùn)動控制方法，進(jìn)行了實驗測試。結(jié)果表明，該控制器可靠性、實時性高，便于集成，亦可應(yīng)用于其他冗余度機(jī)器人控制。

蛇形機(jī)器人； 控制器； 無線通信； 模塊化

0 引 言

蛇形機(jī)器人能適應(yīng)輪式牽引無法到達(dá)的地形，在救災(zāi)、反恐、偵查中多有應(yīng)用[1-4]。Hirose開發(fā)出第一臺蛇形機(jī)器人ACM(Active Cord Mechanism)后，連續(xù)推出系列機(jī)器人，最新一臺ACM R5為水陸兩棲[5-7]。Gavin從1997年進(jìn)行蛇形機(jī)器人研究，設(shè)計并制作了S1～S5五代蛇形機(jī)器人[8]。德國GMD國家實驗室也很早進(jìn)行了蛇形機(jī)器人的研究，最近開發(fā)了GMD-Snake2[9]。美國NASA研究多關(guān)節(jié)蛇形機(jī)器人，在2000年推出第一代蛇形機(jī)器人[10]。國內(nèi)，上海交通大學(xué)開發(fā)了我國首臺微小型仿蛇機(jī)器人[11]。國防科大也研制了蛇形機(jī)器人，安裝有視頻監(jiān)測器[12]。中科院沈陽自動化所利用可重構(gòu)的思想研制出了一種模塊化的蛇形機(jī)器人，能進(jìn)行三維運(yùn)動[13-14]。

在蛇形機(jī)器人的研究中，靈巧、有效、可靠的運(yùn)動機(jī)構(gòu)及相應(yīng)的控制算法是核心研究內(nèi)容。但除此之外，構(gòu)建可靠性高、實時性好的驅(qū)動控制系統(tǒng)對于提高機(jī)器人的運(yùn)動可靠性、靈活性和環(huán)境適應(yīng)性也是非常關(guān)鍵的。為此，本文基于模塊化思想，利用無線通信技術(shù)開發(fā)出分布式、單元化的、獨(dú)立的無線控制模塊。

1 控制系統(tǒng)設(shè)計

1.1 總體控制方案

本研究采用分布式控制方法，每個模塊均具有獨(dú)立的控制單元，該控制單元均可接收、發(fā)送、處理數(shù)據(jù)以及控制各自關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動，克服了集中控制的負(fù)荷大、走線冗余等問題，具有控制單元負(fù)荷小，不存在模塊間通訊的走線問題，實時性高，并對于模塊的自由增減具有靈活性。控制系統(tǒng)組成框圖由圖1所示，系統(tǒng)包括由PC、ARM MCU、CC1101無線模塊構(gòu)成的上位發(fā)送端，以及由ARM MCU、CC1101無線模塊、舵機(jī)等構(gòu)成的下位控制端。下位控制端的電路板放置在每個執(zhí)行單元上，執(zhí)行單元通過CC1101無線模塊接收來自上位發(fā)送端的信號，在ARM MCU的控制下改變PWM波的占空比，從而控制舵機(jī)的轉(zhuǎn)動方向和速度。

(a) 上位機(jī)

(b) 下位機(jī)

1.2 分布式下位機(jī)驅(qū)動控制單元

下位機(jī)采用單片機(jī)控制，選用意法半導(dǎo)體的STM32F103RBT6，內(nèi)核為ARM Cortex-M3，用到單片機(jī)的SPI接口，2路PWM波輸出，其他資源可以作為后續(xù)添加視頻模塊、傳感器模塊的儲備。無線收發(fā)模塊采用CC1100，具有體積小、靈敏度高，可編程控制控制數(shù)據(jù)傳輸率，電流消耗較低，且只需要極少的外部元件就可以組成一個完整的無線傳輸模塊等特點，適合本蛇形機(jī)器人設(shè)計需要的無線芯片的要求。

驅(qū)動單元主要由旋轉(zhuǎn)舵機(jī)和伸縮舵機(jī)組成，旋轉(zhuǎn)舵機(jī)產(chǎn)生關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動，而伸縮電機(jī)經(jīng)齒輪齒條運(yùn)動轉(zhuǎn)換后具有直線伸縮功能，分別采用Futaba S3003 180°舵機(jī)和春天SM-S4309R 360°舵機(jī)。控制信號為50 Hz的PWM波，在ARM MCU的控制下改變PWM波的占空比，從而控制舵機(jī)的轉(zhuǎn)動方向和速度。

整個蛇形機(jī)器人系統(tǒng)是由鋰電池供電。參考鋰電池的輸出功率以及儲電量和2個舵機(jī)的功率，可工作6 h左右，滿足實驗設(shè)計要求。鋰離子電池輸出電壓為9 V，經(jīng)穩(wěn)壓后輸出4.8 V驅(qū)動舵機(jī)，另一路穩(wěn)壓后為3.3 V，給單片機(jī)提供工作電壓。同時，為了判斷機(jī)器人模塊是否處于加電工作狀態(tài)，在芯片的輸出端放置了一個LED燈。

2 運(yùn)動控制算法及程序

上位PC機(jī)界面采用C#編寫，主要功能是發(fā)送自定義的控制信號給上位機(jī)發(fā)送電路板，包括蛇形機(jī)器人的步態(tài)選擇，前進(jìn)方向以及速度控制等。機(jī)器人在每次運(yùn)動開始前需要初始化：當(dāng)選擇蜿蜒運(yùn)動時，需要將機(jī)器人的機(jī)體曲線初始化為蛇形曲線形式；當(dāng)選擇直線運(yùn)動時，需要將機(jī)器人的每個執(zhí)行單元設(shè)置為自由伸長狀態(tài)，以保證運(yùn)動的可靠性和精確性。

控制信息的長度為15 Byte，字節(jié)0為狀態(tài)選擇位，分別對應(yīng)下位機(jī)的定時器時間設(shè)置、蜿蜒運(yùn)動、直線運(yùn)動、蜿蜒運(yùn)動初始化、直線運(yùn)動初始化以及停止6種狀態(tài)。若前導(dǎo)碼為0xFF，則對應(yīng)為定時器時間設(shè)置，用以設(shè)置機(jī)器蛇運(yùn)動速度的快慢，具體分析見蜿蜒運(yùn)動的運(yùn)動控制部分，此時字節(jié)1、2為定時器3設(shè)置位，用以控制直線運(yùn)動單步之間間隔的時間，字節(jié)3、4為定時器2設(shè)置位，用以控制蜿蜒運(yùn)動兩轉(zhuǎn)角之間PWM占空比轉(zhuǎn)換時間；若前導(dǎo)碼為0x01，則為蜿蜒運(yùn)動初始化控制指令，其中需要控制搖擺關(guān)節(jié)回到零位，并將直線關(guān)節(jié)收縮；若前導(dǎo)碼為0x1C，則為蜿蜒運(yùn)動開始標(biāo)志，則字節(jié)1、2對應(yīng)模塊1搖擺關(guān)節(jié)初始化角度，字節(jié)3、4對應(yīng)模塊2搖擺關(guān)節(jié)初始化角度，……；同理，前導(dǎo)碼為0x0A，0x3B，0x4F分別為機(jī)器蛇直線運(yùn)動初始化、直線運(yùn)動開始以及運(yùn)動結(jié)束控制指令，控制字節(jié)格式如圖2所示，其存儲在RxBuf中。

圖2 控制字節(jié)格式

2.1 蛇形蜿蜒運(yùn)動

動態(tài)情況下，在任意時間t，機(jī)器人每個搖擺關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)角函數(shù)[8]：

φi(t)=Asin[ωt+(i-1)β]

(1)

式中：ω=bk，決定關(guān)節(jié)角的頻率大小；A=-2αsinb1幅值控制參數(shù)；β=2b1為周期控制參數(shù)。蜿蜒運(yùn)動的速度由舵機(jī)轉(zhuǎn)速決定，改變PWM脈寬時間，用以改變轉(zhuǎn)速。當(dāng)機(jī)器人搖擺關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角變化時，對應(yīng)著PWM波占空比的變化；當(dāng)PWM波從上一個狀態(tài)的占空比到下一個狀態(tài)的占空比持續(xù)的時間不同時，就會使得轉(zhuǎn)角的平均轉(zhuǎn)速不同，從而使整個蛇形機(jī)器人的前進(jìn)速度不同。控制舵機(jī)的PWM信號時基為20 ms，意味著最少需要20 ms的時間才能使舵機(jī)的轉(zhuǎn)角發(fā)生變化。實際工作狀態(tài)下，蛇形機(jī)器人關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角值在時間上不可能連續(xù)，只能是一些離散值，離散點越多，運(yùn)動越逼近真實運(yùn)動，造成的代價是控制的復(fù)雜性。但是，離散點過少會造成機(jī)器人運(yùn)動的卡頓。綜合考慮，將關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角函數(shù)離散成7個值，每個離散點間相位差為60°。在單片機(jī)的控制上，固化一個離散表(此表為離散的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角函數(shù)值，分別對應(yīng)不同占空比的PWM波，采用定時器4捕獲/比較寄存器2作為蜿蜒運(yùn)動PWM波寄存器)，每過一段時間，讀取表中的值用以產(chǎn)生占空比不同的PWM波，控制搖擺關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動。

運(yùn)動控制程序的流程圖如圖3所示，單片機(jī)設(shè)置一個定時器用以控制PWM波占空比的變化間隔。程序中設(shè)置了一個函數(shù)TM4_Config(u16 pwm1,u16 pwm2)，其中pwm1和pwm2分別為180°舵機(jī)和360°舵機(jī)的PWM控制值。在蜿蜒運(yùn)動中，只關(guān)心180°舵機(jī)的值，而將360°舵機(jī)的值設(shè)置為0x00。由圖2所示，每個pwm1變量由高低字節(jié)2 Byte組成，每個循環(huán)周期遍歷一遍控制字節(jié)(除前導(dǎo)碼)。在開始進(jìn)行蜿蜒運(yùn)動前，首先需要將直線平移關(guān)節(jié)收縮，然后每個模塊將固化表中對應(yīng)的值寫入TM4_Config()函數(shù)，使機(jī)器人身體形成蜿蜒曲線。當(dāng)啟動蜿蜒運(yùn)動時，定時器開始工作，定時時間到時，判斷標(biāo)志位是否是控制字節(jié)的末尾(此處將標(biāo)志位設(shè)為status，判斷status是否等于7，若是7，在遍歷到了末尾)，若不是，則將status+1，繼續(xù)定時，并同時將得到的高低字節(jié)寫入TM4_Config()函數(shù)，改變PWM波占空比。若遍歷到了末尾，則將status設(shè)置為0，重新開始新一輪的遍歷，同時也將得到的字節(jié)寫入函數(shù)，控制PWM波的變化。

圖3 蛇形蜿蜒運(yùn)動控制流程圖

2.2 直線運(yùn)動

直線運(yùn)動多為蚯蚓等仿生生物所采用，本研究中引入直線關(guān)節(jié)后，蛇形機(jī)器人的運(yùn)動步態(tài)亦可包含該步態(tài)[15]。圖4(a)為一種單駐波運(yùn)動示意圖，其中紅色加深單元為正在運(yùn)動的模塊，具體運(yùn)動過程描述如下：假設(shè)向右為機(jī)器人前進(jìn)方向，在第0步為初態(tài)；t1時刻，向執(zhí)行單元1的舵機(jī)(此處為360°舵機(jī)，以下敘述無特殊說明均為360°舵機(jī))輸入占空比為0.15，頻率為50 Hz PWM波，其余執(zhí)行單元舵機(jī)加電，但是處于停止?fàn)顟B(tài)。執(zhí)行單元1舵機(jī)正轉(zhuǎn)，帶動齒條產(chǎn)生位移，從而使執(zhí)行單元1前進(jìn)一個步距，此時機(jī)器人處在第1步；在t2時刻，向執(zhí)行單元1的舵機(jī)輸入占空比為0.05的PWM波，同時向執(zhí)行單元2的舵機(jī)輸入占空比為0.15的PWM波，其余執(zhí)行單元舵機(jī)加電，但是處于停止?fàn)顟B(tài)。執(zhí)行單元1舵機(jī)反轉(zhuǎn)，執(zhí)行單元2舵機(jī)正轉(zhuǎn)，此時執(zhí)行單元1保持在原位不動，而執(zhí)行單元2向前前進(jìn)1個步距，機(jī)器人處在第2步；在t3、t4，…，t9時刻，每個執(zhí)行單元中舵機(jī)的控制與前述相同。定義向舵機(jī)輸入占空比為0.15，頻率為50 Hz PWM波，使舵機(jī)正轉(zhuǎn)，以正電平表示；向舵機(jī)輸入占空比為0.05，頻率為50 Hz PWM波，使舵機(jī)反轉(zhuǎn)，以負(fù)電平表示，上述運(yùn)動過程如圖4(b)。從第0～第7步，機(jī)器人完成一個前進(jìn)步態(tài)，步距等于每個單元前進(jìn)距離。重復(fù)這個過程，機(jī)器人就能完成連續(xù)前進(jìn)運(yùn)動。通過調(diào)節(jié)輸入PWM波的占空比，即可以控制機(jī)器人的前進(jìn)方向以及前進(jìn)速度。

(a) 運(yùn)動過程

(b) 舵機(jī)時序

單駐波運(yùn)動的控制流程圖如圖5所示。首先直線運(yùn)動前開始初始化，主要是搖擺關(guān)節(jié)回到零位，直線平移關(guān)節(jié)伸長。現(xiàn)以模塊1的軟件控制為例，flag初始值為0，直線運(yùn)動開始時，打開定時器3，flag加1，當(dāng)定時時間到時，判斷flag是否為1，若為1，則將PWM波占空比設(shè)置為1 ms，使360°舵機(jī)反轉(zhuǎn)，相應(yīng)的直線平移關(guān)節(jié)收縮。剛開始運(yùn)動時，模塊1的flag++后flag值為1，則直線平移關(guān)節(jié)收縮；然后等待第二次定時時間到，flag再次加1，判斷flag是否等于2，若為2(此時為2)，則將PWM波占空比設(shè)置為2 ms，使360°舵機(jī)正轉(zhuǎn)，相應(yīng)的直線平移關(guān)節(jié)伸長；然后第三次定時到時，flag為3，PWM波占空比設(shè)置為1.5 ms，舵機(jī)停轉(zhuǎn)，直線平移關(guān)節(jié)靜止。至此，模塊1的直線平移關(guān)節(jié)在一個運(yùn)動周期內(nèi)運(yùn)動結(jié)束，當(dāng)定時器第8次定時時間到時，將flag設(shè)置為0，繼續(xù)開始另一個周期的運(yùn)動。后面的其他模塊跟模塊1的控制流程相同。

圖5 單駐波直線運(yùn)動控制流程圖

3 運(yùn)動控制測試與分析

3.1 蛇形蜿蜒運(yùn)動

利用前面確定的數(shù)值A(chǔ)=0.7,ω=1,β=0.9，計算各關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)，分為7個離散值，求出各個模塊控制電路板ARM芯片定時器4捕獲比較寄存器1需要遍歷的值，固化轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)表如表1所示。

表1 實驗條件下各關(guān)節(jié)初始轉(zhuǎn)角

固化轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)表內(nèi)編號為1～7寄存器的值分別對應(yīng)1～7模塊初始化時，需要寫入捕獲比較寄存器1的值。蛇形機(jī)器人每個模塊均會遍歷表1內(nèi)的寄存器值，蜿蜒運(yùn)動PWM波占空比變化規(guī)律為每7個單位時間循環(huán)1次。即蛇形機(jī)器人每一個模塊相比與前一個模塊的轉(zhuǎn)角滯后1位，同時也都隨著時間的推移，每隔單位時間(200 ms)相應(yīng)向后循環(huán)把寄存器數(shù)據(jù)寫入定時器4捕獲比較寄存器1中改變180°舵機(jī)的脈沖占空比(到達(dá)第7位后繼續(xù)回到第1位取值)，從而形成完整的蜿蜒運(yùn)動過程。

只要舵機(jī)原始的轉(zhuǎn)角速度與單位時間內(nèi)通過脈沖占空比改變而得到的轉(zhuǎn)角速度平均值大致相同或成一定比例，就可以保證蛇形機(jī)器人運(yùn)動的整體平滑性。舉例說明如下：我們設(shè)置單位時間為200 ms，表1內(nèi)相鄰2位寄存器的值造成的PWM波占空比變化對應(yīng)的轉(zhuǎn)角差為60°，則實際舵機(jī)轉(zhuǎn)速為375～300°/s，蛇形機(jī)器人雖然每一步運(yùn)行時間與舵機(jī)實際轉(zhuǎn)速有些許出入，但整體上不會有明顯的卡頓現(xiàn)象。在前述數(shù)據(jù)下，我們進(jìn)行了蜿蜒運(yùn)動的實驗，如圖6所示。在蜿蜒運(yùn)動中，機(jī)器人的運(yùn)動曲線準(zhǔn)確，由于機(jī)體與地板表面的摩擦系數(shù)縱向與軸向幾乎一致，機(jī)器人運(yùn)動時會有些打滑。分析原因是研制的蛇形機(jī)器人外殼不具有真實蛇類皮膚表面摩擦系數(shù)各向異性的特點。通過在機(jī)器人底部增加被動輪的經(jīng)典方式，可以有效防止打滑出現(xiàn)。

圖6 蜿蜒運(yùn)動實驗

3.2 直線運(yùn)動

在直線運(yùn)動過程中，綜合考慮舵機(jī)運(yùn)行速度、齒輪齒條模數(shù)比、齒條長度以及模塊各部分干涉問題，將一個加電周期設(shè)置為1.4 s。實驗時在狹窄通道中機(jī)器人運(yùn)行平穩(wěn)，采用圖4運(yùn)動學(xué)分析的步態(tài)時，機(jī)器人運(yùn)動速度約為4.3 mm/s。通過在一個運(yùn)動周期內(nèi)增加多個駐波的形式，可以有效提高機(jī)器人的前進(jìn)速度，采用2個駐波時，速度可以達(dá)到約8.6 mm/s。在平坦地面上直線運(yùn)動與在狹窄通道中運(yùn)動狀態(tài)參數(shù)類似。直線運(yùn)動的實驗結(jié)果如圖7所示，運(yùn)動方向為從左向右移動，駐波在圖中用白色方框圈出。可以看出，右邊第1個模塊開始運(yùn)動，駐波隨后相繼向左傳遞，當(dāng)駐波到達(dá)左邊第一個模塊，1個周期并未結(jié)束時，右邊第1個模塊繼續(xù)開始運(yùn)動，從而構(gòu)成了多駐波直線運(yùn)動。

圖7 直線運(yùn)動實驗

4 結(jié) 語

超冗余度蛇形機(jī)器人控制系統(tǒng)的難點之一就是其龐大的控制系統(tǒng)，模塊化分布式控制方式是其發(fā)展的必然趨勢。本研究基于模塊化思想，開發(fā)上位機(jī)、下位機(jī)及其控制驅(qū)動模塊的軟硬件系統(tǒng)。研究開發(fā)了電源穩(wěn)壓、無線收發(fā)、舵機(jī)控制等電路，開發(fā)了上位機(jī)PC程序、無線收發(fā)程序以及舵機(jī)控制程序。對蛇形蜿蜒運(yùn)動及直線蠕動的運(yùn)動控制進(jìn)行了算法分析，并實現(xiàn)了這兩種運(yùn)動形式。運(yùn)動測試表明，本研究構(gòu)建的無線控制與驅(qū)動系統(tǒng)切實可行、穩(wěn)定性高。但是，目前各個關(guān)節(jié)模塊之間仍然沒有橫向信息傳遞，沒有完全發(fā)揮分布式控制系統(tǒng)的優(yōu)勢，另外，一旦其中某一模塊單片機(jī)宕機(jī)，則會產(chǎn)生運(yùn)動的不協(xié)調(diào)，且不利于機(jī)器人的自主運(yùn)動，這些需要在后續(xù)的開發(fā)中予以改進(jìn)。

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法治是實現(xiàn)教育現(xiàn)代化的可靠保障。全面深化改革、全面依法治教如車之兩輪，共同推動教育現(xiàn)代化不斷向前發(fā)展。

社會主義核心價值觀是興國之魂。我們要實現(xiàn)的教育現(xiàn)代化是具有中國特色的現(xiàn)代化，社會主義核心價值觀是中國特色的內(nèi)核，是培養(yǎng)社會主義建設(shè)者和接班人的核心要義。

摘自《教育部袁貴仁部長在2015年全國教育工作會議上的講話》

Development of Modularized Wireless Controller for Snake-like Robot

LUZhao-lan1,WANGKun-dong2,JINXuan2
(1. Modem Education Technology Center, Sanming University, Sanming 365004, China; 2. Department of Instrument Engineering, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China)

This research developed a controller for snake-like robot based on wireless technology and modularization. This design overcame the communication difficulty come from its large number of articulations. ARM MCU was used as kernel processor with PWM module to control two steering engine. C1100 chip realized the wireless communication with the upper computer composed of ARM MCU, C1100. The upper computer was connected with the PC by RS232. Snake-like serpentine, linear peristalsis were analyzed. The control methods were proposed to realize these gaits, and the tests were performed to verify these methods. It was demonstrated that this controller had a high reliability, and it was easy to integrated into the robot. Wireless technology and modularization design have made a foundation for the multi-gaits of the snake-like robot, and these could be implemented into the other redundant robots.

snake-like robot; controller; wireless communication; modularizing

2014-04-21

上海科技啟明星計劃項目(13QA1402200)資助

陸招蘭(1966-)，女，上海人，實驗師，主要研究方向為通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。Tel.:13960568830；E-mail:csc5711@163.com

王坤東(1978-)，男，陜西長安人，副教授，主要從事仿生機(jī)器人技術(shù)研究。Tel.:021-34207229；E-mail: kdwang@sjtu.edu.cn

TP 242

A

1006-7167(2015)02-0062-05