遙操作機器人平臺及其技術的實現

張靜

摘 要：近年來，機器人開始應用于各行各業，比如工業、國防和餐飲行業，而遙操作機器人因其可應用于危險環境下的各種作業，比如太空探索、遠程教育等，成為了各國專家研究的熱點。因此，對遙操作機器人平臺和相應技術進行了研究。

關鍵詞：遙操作機器人；Internet；Web瀏覽器；傳感器

中圖分類號：TP242 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.06.088

機器人的研究是人類歷史上的一大變革，它代替了一部分人工勞動，提高了生產的效率和精度，在航空航天、工業生產和餐飲等方面都得到了廣泛應用。機器人不僅可以進行遠程操作，也可以執行危險任務。隨著智能和反饋控制技術的不斷應用和發展，機器人在日常生活、生產中將發揮更加重要的作用。因此，本文對遙操作機器人平臺及其技術進行了探討。

1 遙操作機器人平臺研究方案

遙操作機器人平臺可分為2種，即基于Internet的雙向力反饋遙操作機器人系統和基于Web瀏覽器的系統。其中，基于Web瀏覽器的遙操作機器人系統又可分為智能型和輪式型。就目前而言，遙操作機器人已經在多個領域得到了廣泛應用，比如在化工領域，輪式機器人得到了充分應用，主要用于檢測場內的有毒、有害氣體的泄漏情況。輪式機器人具體的操作過程為：在輪式機器人上配有紅外設備、氣體和超聲傳感器，當進入檢測范圍時，自身的傳感器等設備將檢測到的信息和相應的視頻信息會從無線網絡傳到控制端口，再在控制端口上顯示相應的信息，操作人員根據傳回的信息辨識，并根據實時情況，對機器人進行相關的指令控制，以完成必要的工作。針對以上功能要求，可采用遙操作機器人平臺方案。

遙操作機器人平臺是一種通過各種傳感器系統對外界環境的變化做出自主導航的一系列任務的系統。但在自主應對復雜環境的過程中，需要多個特殊功能模塊的相互配合和協調工作，比如電源、驅動設備、傳感器模塊和紅外設備等。因此，在設計遙操作機器人時，需要考慮多方面的內容，其主要功能設計如下。

1.1 模塊化設計

在選擇模塊化時，要遵循一定的模塊化設計原則，要保證所選擇模塊的機械連接接口與輸入、輸出接口配套。因此，用戶可以根據自己的需求進行相應組合，以實現不同的功能要求。

1.2 平臺智能體的架構設計

該平臺共有4層架構，分別是遠程用戶層、本地決策層、傳感器決策層和運動執行層。遠程用戶層為個人計算機，可以通過編寫監控端的應用程序實現實時控制，也可以通過基于USB的手柄實現對機器人的控制；本地決策層采用單片機控制系統，兩者通過無線路由通信；傳感器決策層包括氣體傳感器和超聲紅外傳感器；運動執行層包括直流減速電機和舵機。

1.3 配件系統

該平臺配有云臺、變焦無線攝像頭（可達到360°無死角）和無線以太網通訊系統等。但在配置云臺時，要配置與其相適應的電源系統。

1.4 擴展功能

該平臺在擴展功能方面不僅具有擴展空間、配件豐富等特點，而且在多路電子方面實現了數據的輸入、輸出、轉換、數模和模數之間的轉換等。因此，用戶可以根據自己的需要選擇相應的功能。

2 平臺的總體結構和技術分析

遙操作機器人平臺主要由電源、驅動設備模塊、控制模塊（驅動控制電路、本體驅動電機和視覺云臺控制電機）、視覺模塊（攝像頭）、傳感器模塊（紅外、超聲等傳感器）、通信模塊和上位機模塊等組成。

2.1 性能指標

機器人的主要參數為：外形尺寸500 mm×200 mm×190 mm，為了達到輕便、便于攜帶的目的，設計質量大約為10 kg，負載達20 kg；工作電壓為12 VD，采用直流驅動，轉速為100 r/min，減速比為60. 因此，遙操作機器人平臺可應用于沙土地等環境，適應環境的能力較強。

2.2 電源和設備驅動模塊

遙操作機器人平臺配備了12 V/2 200 mA的動力鋰電池，循環壽命>500次，可連續工作4～6 h。功率放大模塊采用33886大功率電機驅動板，該高速光耦隔離的電機驅動器可實現雙路剎車，支持50 k以上的PWM信號。信號畸變很小，可獲得理想的上、下沿。采用雙電源供應的方式，可實現電機功率電路與單片機控制電路實現電氣上的完全隔離，具有較強的抗干擾能力，不會出現反脈沖沖擊單片機電路等現象，適用于一些對電磁干擾要求較高的場合。

2.3 傳感器模塊

遙操作機器人平臺配有超聲波傳感器、紅外傳感器，可進行導航避障；配有網絡攝像頭，像素為130萬；配有檢測氯氣、氨氣和混合可燃氣體的氣體傳感器。

2.4 控制模塊

控制模塊可采用個人PC，ARM是單片機的最小系統。本設計方案采用由美國公司研發的一種新型S51系列的單片機，S51系列的單片機內部配有相應的程序存儲器、數模轉換模塊和PWM等，不僅實現了多種功能的轉換，而且其基本功能可與普通的51系列的單片機完全兼容。單片機可控制遙小車的前進、后退、左轉和右轉等運動，以及云臺的俯仰和旋轉運動。

2.5 視覺模塊

視覺模塊采用網絡攝像頭，采用可國際上比較知名的攝像頭品牌AXIS，可以提供具有SVGA分辨率的優質圖像，并可提供能針對寬帶和存儲效率單獨進行優化的多個H.264和Motion JPEG流。視覺模塊采用以太網供電，不需要提供電源電纜，從而降低了安裝成本。像素計數器可進一步幫助安裝人員確認物體像素分辨率是否滿足法規或特定客戶的要求。

2.6 通信處理模塊

要想在網絡通信方面具備一定的優勢，就必須注意在通信處理模塊方面進行良好的選擇。就目前而言，通信方式大致分為面向連接和無連接兩種方式。

本文在設計中采用了TCP/IP通信方式，這種方式的優點較多，比如其不僅可為用戶提供安全、可靠的服務，而且具有數據的確認和重組功能，可保證數據傳送的準確性。

參考文獻

[1]王躍虎.基于虛擬現實的遙操作機器人研究[D].天津：河北工業大學，2006.

[2]劉曙光.基于Internet的遙操作機器人系統控制研究[D].西安：西北工業大學，2010.

〔編輯：張思楠〕