小型防爆機器人系統設計

傅曉平 陳建國

摘 要：隨著機器人在各領域的發展，小型防爆機器人在快速偵測、排除公共場所可疑危險品等優勢逐漸顯現。文中對小型防爆機器人的工作原理進行了研究，提出了通過遠程圖傳及無線搖桿控制器，能夠在遠處觀測現場情況，并操作搖桿控制機器人執行動作指令，完成排險和防爆任務的系統設計。系統主要由雙履帶底盤、雙機械臂、云臺、主控模塊和多種輔助傳感器構成。

關鍵詞：STM32F03ZET6控制器；雙機械臂；防爆機器人；圖傳

中圖分類號：TP39；TM50 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2018）09-00-04

0 引 言

二十一世紀以來，隨著智能科技在國民經濟各領域的發展，智能機器人[1]的發展也隨之取得了長足進步，智能機器人的應用領域也不斷擴展，人們希望機器人能夠靈活地適應各種工作環境，完成更多復雜任務。可遠程監視及操控的機器人具有優越的機動性和靈活性，在實際中得到了廣泛應用[2-3]，如公共場所、交通、醫療、軍事等領域。本文涉及的可遠程監視及操控的移動機器人為保證公共場所安全執行巡邏、排險、防爆等任務，具有重要的社會作用。

1 小型防爆機器人系統整體設計

系統整體設計如圖1所示。

2 雙履帶底盤設計

考慮到小型防爆機器人所面臨的排爆環境因素較為復雜，因而對移動平臺有多方面的要求，包括越障能力、地形適應能力、轉彎效率、載重能力等。對比常用的三種底盤，輪式底盤、履帶底盤和腿式底盤，綜合三者的優缺點和對公共場所的適應性，本系統選擇雙履帶式底盤。

由于本系統使用的模塊較多，質量較重，因此底盤的剛性要強，否則易造成車輛變形，影響機器人行走。因而雙履帶式底座在整體結構上采用仿坦克型，材料上兼顧機器人的輕便性，與電機固定的底板承受著整個機器人的重量，材質為不銹鋼，上部的蓋板主要承受機械臂和云臺的重量，材質為8 mm厚的亞克力板。

3 雙機械臂設計

3.1 雙機械臂機構

機械臂是小型防爆機器人的重要外設，承擔著抓取、搬運、放下等動作任務。因而要求機械臂具有機構比例適當、可活動的關節和可靠的抓取裝置。對比單只機械手和多只機械手的優缺點，雖然多只機械手在機構上更加復雜、控制更加困難，但多只機械手可協同作業使操作性更加靈活，操作空間范圍更廣，更符合執行多樣性任務的小型防爆機器人的要求。同時自由度對機械臂的動作執行效果影響較大，自由度較少時，機械臂能夠執行的動作較少、靈活性差，但其結構簡單，可靠性強；自由度較多時，機械臂能夠執行的動作較多，靈活性好，但其結構復雜，可靠性差。

本系統采用兩個自由度為5的機械臂，并各配有一個機械爪，整體較靈活，如圖2所示。

其中雙機械臂中主要使用了數字舵機作為動力來源。數字舵機在體積和質量上優于步進電機，更適合小型機械裝置，只需PWM信號就可完成精確控制。同時為了減輕機械臂的重量，關節連接件均選用鋁材料。

3.2 雙機械臂的控制

為提高系統指令的響應速度和使機械臂模塊化，運用舵機控制板控制機械臂上的數字舵機，分擔主控STM32處理器的處理的數據量。舵機控制板以微型控制器STM32F03VET6為核心，通過USART與主控板通信，輸出PWM信號給數字舵機，最多可同時控制24個數字舵機。

3.3 雙機械臂性運動學分析

機器人操作手通常為開鏈空間連桿機構，各桿件間通常由轉動副和移動副相連接。開鏈一段安裝在基座上，另一端為末端執行器。各關節由驅動器驅動，關節的相對運動引起連桿的運動，進而確定末端執行器在空間的位置和姿態。齊次坐標和齊次變換是解決機器人操作手運動學的常用數學

工具[4]。

采用齊次坐標和齊次變換分析，首先列出單只機械臂結構參數表，見表1所列。

運用Matlab軟件，將表1中的數據帶入程序中，可得雙機械臂的工作空間[5]。兩個單獨機械臂工作空間重疊部分，為雙機械臂的協作空間。云空間及投影如圖3-圖6

所示。

4 云臺及圖傳設計

云臺及圖傳如同小型防爆機器人的眼睛，需采集現場畫面信息并通過無線傳輸給操作人員，因此云臺結構以能夠提供更多視覺角度為設計原則。

云臺模塊由三個數字舵機和直流推桿組成，并配有舵機控制板，使用統一的串口通信格式與主控模塊通信，從而控制云臺。云臺的直流推桿可調節云臺的高度，使得小型防爆機器人能從較高處采集視覺信息，避免因高大的障礙物遮擋而無法觀測。云臺的最頂端配有圖傳模塊和燈光補償裝置，使機器人可在不同環境下從更多角度采集視頻信息。

圖傳模塊由攝像機、圖傳發射機和視頻接收器組成。攝像機輸出AV信號給圖傳發射機，圖傳發射機通過無線傳輸給視頻接收機，視頻接收機接收數據并解析，從而完成圖像傳輸。攝像機選用的是具有F2.8光圈和155°超廣角小蟻運動攝像機，能夠提供更優質的圖像信息。圖傳發射機選用奧姆威5.8 G圖傳發射機，發射頻率為5.8 GHz，四級可調功率，具有40個可調頻道。視頻接收器選用7寸內置5.8雙路接收一體機顯示器，分辨率為800×480。

燈光補償裝置選用四個功率為2 W的高亮LED燈組成的LED燈模塊。主控模塊可以輸出的控制信號通過L298N驅動電路，來控制LED燈的開關，為小型防爆機器人提供燈光補償。

5 主控模塊與輔助傳感器

機器人主控模塊采用微型控制器STM32F03 ZET6。STM32系列微控制器是由意法半導體公司以ARM Cortex-M3為內核開發生產的32位微控制器，專為高性能、低成本的嵌入式應用設計。STM32F03ZET6為“增強型”系列，最高工作頻率為72 MHz，內置高速存儲器（最高可達512 kB的閃存和64 kB的SRAM），擁有豐富的外設資源，12通道的DMA控制器、16通道的A/D轉換器、最高達112個快速I/O口（I/O口翻轉速度可達18 MHz）和11個定時器等，還具有多個通信接口方便與外接模塊通信[6]。開發人員可在Keil軟件上編譯好程序，通過下載器下載到芯片中，完成在線調試。

主控模塊通過通信指令控制輔助傳感器采集和發送數據，從而使小型防爆機器人能夠完成周圍環境信息采集，接受數據并將信息回傳搖桿控制器。主要的輔助傳感器包括無線通信模塊、GPS模塊和電子羅盤模塊。

GPS的作用在于能夠獲取小型防爆機器人的室外定位信息，操作人員能實時了解小型防爆機器人所處的位置。GPS模塊使用U-BLOX公司生產的以NEO-7N為內核的衛星定位器，最高定位精度為2.5 m。模塊上搭載微處理器，可解析GPS模塊中的原始數據，并通過串口將定位信息傳到主控模塊。

電子羅盤模塊采用體積小、功耗小的AHRS模塊GY953，將得到的三軸陀螺儀、三軸加速度計和三軸磁力計的數據利用四元數進行互補融合，解算出姿態角[7]，從而得到小型防爆機器人姿態數據。其中的融合算法運算量較大，占用的CPU資源較多，因而由配有的微處理器處理，將數據結果通過串口傳回主控模塊。使用額外處理器能夠大大節省主控模塊的CPU資源，從而加快整個系統的響應速度[8]。

無線通信模塊采用的是SX1278/76射頻模塊，通信方式為USART串行接口。射頻模塊功率為1 W（30 dBm），SX1278/SX1276芯片方案采用先進的LoRa擴頻技術[9]，通信距離為8 000 m，抗干擾能力強。在地域復雜的情況下，保證通過搖桿控制器能對小型防爆機器人平臺進行有效控制。

串口通信[10]是一種常見的數據通信方式。串口通信按位發送和接收字節，僅使用3條線TX，RX和地線，并在微處理器中進行簡單的初始化配置，就可完成數據傳輸。本系統中無線通信模塊與主控模塊之間的串口通信，采用的是半雙工單線通信方式，波特率為9 600 b/s。

6 軟件設計

小型防爆機器人平臺的程序流程如圖7所示。系統通電后，各模塊初始化。若有模塊初始化不成功，蜂鳴器響起，提示操作人員。各模塊初始化后，系統進入循環，依次讀取通信模塊的數據、模塊數據，對通信數據包進行解析，判斷通信數據包是否正確。若數據正確，刷新所顯示的通信數據，否則LED閃爍，重新讀取數據。當通信數據正確，將它模塊數據比較，確定系統是否可執行，防止操作人員誤操作，保證系統的可靠性。若可操作，則執行并讀取執行指令后的模塊數據，再發送模塊數據，否則直接發送模塊數據，進入下一個循環。

搖桿控制器的程序流程如圖8所示。系統通電后，各模塊初始化，判斷各模塊初始化是否成功，若初始化成功，則進入循環，否則蜂鳴器響起，提醒操作人員。依次讀取遙感數據、編碼遙感數據、發送遙感數據，刷新所顯示的遙感數據。再讀取通信模塊數據，判斷通信模塊數據是否正確，若數據正確，則刷新所顯示的通信模塊數據進入下一個循環，否則LED閃爍，重新開始讀取數據。

7 結 語

通過對小型防爆機器人機械結構、控制系統的軟硬件設計，制作出一臺可通過遠程圖傳及無線搖桿進行控制的小型防爆機器人，如圖9所示。通過屏幕觀測遠處的現場情況，操作搖桿控制機器人完成各種動作，實現在公共場所活動中，幫助安保人員執行巡邏、排險、防爆等任務，具有廣范的應用價值和前景。

參考文獻

[1]孟慶春，齊勇，張淑軍，等. 智能機器人及其發展[J].中國海洋大學學報（自然科學版），2004（5）：831-838.

[2]方向，高振儒，周守強，等. 反爆炸恐怖襲擊防排爆技術綜述 [J].中國工程科學，2013（5）：80-83.

[3]莫海軍，吳少煒.排爆機器人及相關技術[J].機器人技術與應用，2005（4）：31-36.

[4]孟慶鑫，王曉東.機器人技術基礎[M].哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，2009：52-74.

[5]寇彥云，萬熠，趙修林，等.震救援雙臂機器人結構設計與運動學分析[J]. 機械設計與制造，2016（10）：142-146.

[6]彭剛，秦志強. 基于ARM Cortex-M3的STM32系列嵌入式微控制器應用實踐[M]. 北京：電子工業出版社，2011.

[7]關越魏，何波賢，于仁清，等. 基于四元數解算陀螺儀姿態角算法的實現[J]電腦編程技巧與維護，2015（9）：32-34.

[8]李瑞峰，亢雪英.基于雙DSP的防爆機器人控制器的設計[J].制造業自動化，2005（7）：43-45，64.

[9]龍維珍，覃琳，孫衛寧.LoRa傳輸技術特性分析[J].企業科技與發展，2017（5）：108-110.

[10]勾慧蘭，劉光超.基于STM32的最小系統及串口通信的實現[J].工業控制計算機，2012（9）： 26-28.