基于雙控制器的家庭服務機器人實驗系統(tǒng)設計

劉小軍，溫宏愿，周 軍，何偉基，崔宇豪

（1.南京理工大學泰州科技學院智能制造學院，江蘇泰州 225300；2.南京理工大學電子工程與光電技術學院，南京 210094）

0 引言

服務機器人是一種半自主或全自主工作的機器人，能幫助人類完成除生產(chǎn)制造加工過程之外的工作［1］，服務機器人市場空間巨大，未來可期［2］。近年來，服務機器人研究應用的領域非常廣泛，如家庭服務機器人［3］、助老助殘機器人［4］、醫(yī)療服務機器人［5］、教育娛樂機器人［6］和電力機器人［7］等。

機器人的研發(fā)效率一直受機器人應用場景多變、開發(fā)成本高、控制方法復雜等因素限制，因此借助合適的軟硬件開發(fā)平臺將會大大減少開發(fā)的難度，起到事半功倍的效果。目前主流的機器人軟件開發(fā)平臺有日本的開放式機器人技術中間件OpenRTM［8］，歐洲的開源機器人控制軟件OROCOS［9］，韓國的OPRoS［10］以及機器人操作系統(tǒng)ROS［11］，其中ROS由于具備社區(qū)活躍度高、豐富的資源庫，以及開發(fā)的便利性等優(yōu)勢被廣泛使用。

從成本和性能綜合考慮，本文設計了一種基于雙控制器的家庭服務機器人實驗系統(tǒng)，并成功運用于中國機器人大賽。實驗結(jié)果表明，該方案設計的服務機器人具有可靠性高、靈活性好、低成本等優(yōu)點。

1 系統(tǒng)總體設計

圖1 系統(tǒng)實物圖

本系統(tǒng)主要包括控制器、輸入設備、執(zhí)行機構，以及底盤子系統(tǒng)等部分。實驗系統(tǒng)實物如圖1所示。控制器由主控制器和從控制器組成，通過RS-232進行通信，其中主控制器基于ROS開發(fā)平臺實現(xiàn)人體骨架和物體的識別、同步定位與地圖構建（Simultaneous Localization and Mapping，SLAM）［12］、語音識別等功能；從控制器基于FreeRTOS實時操作系統(tǒng)，控制底盤以及執(zhí)行機構的運動；輸入設備包括深度相機和麥克風，其中深度相機采集環(huán)境深度圖像用于人體骨架和物體識別，麥克風實現(xiàn)語音信息的采集；執(zhí)行機構主要包括升降式機械臂和機械爪，用于執(zhí)行抓取目標物體等命令；底盤子系統(tǒng)由電源、電調(diào)及電動機、激光雷達以及全向輪等模塊構成，實現(xiàn)機器人的移動、定位及導航等功能。系統(tǒng)結(jié)構框圖如圖2所示。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 控制器

圖2 系統(tǒng)結(jié)構框圖

主控制器采用目前性能較為強勁且體積較小的mini機（Intel NUC），安裝ubuntu16.04系統(tǒng)環(huán)境。在該環(huán)境下，通過深度相機以及激光雷達采集環(huán)境信息，對這些信息進行融合處理，并根據(jù)控制指令和位姿信息，借助ROS開源算法包實現(xiàn)機器人的即時定位與地圖構建、路徑規(guī)劃以及導航避障等功能。主控制器實物圖如圖3所示。

從控制器采用面向機器人專用的RoboMaster開發(fā)板，該開發(fā)板主控芯片為STM32F427，板載IMU傳感器，擁有豐富的擴展接口和通信接口，與底盤RoboMaster M3508無刷電動機配合使用。從控制器通過RS-232接口與主控制器通信，主要負責接收主控制器發(fā)送過來的控制指令，經(jīng)過PID算法輸出控制信號驅(qū)動底盤、機械臂以及機械爪等執(zhí)行機構的電動機。從控制器實物圖如圖4所示。

圖3 主控制器

圖4 從控制器

2.2 底盤子系統(tǒng)

底盤子系統(tǒng)是機器人的重要組成部分，主要包括底盤骨架和安裝在底盤內(nèi)部的電源、全向輪、電調(diào)及電動機等部件，承載著機器人本身的移動、定位、導航及避障等基本功能，可幫助機器人實現(xiàn)智能行走。底盤結(jié)構上采用模塊化、輕量化、靈活性設計思路，為保證底盤的強度并盡量減少底部車輪電動機的負荷，面板采用鋁合金經(jīng)激光切割而成。底盤骨架主要包括底盤外殼、機械臂支撐件、底盤中間支撐板和底盤上下面板4部分，每部分都進行了合理的布局，根據(jù)部位的不同分為1、5和3 mm 3種厚度，并與螺絲等零件相互配合組裝完成，設計加工圖如圖5所示。

底盤采用三輪全向結(jié)構，賦予機器人更靈活的運動能力。無刷電動機與全向輪的連接采用高硬度鋁合金聯(lián)軸器，能夠保證承受足夠的扭矩。系統(tǒng)采用24 V鋰電池作為電源提供能量，使用電調(diào)驅(qū)動無刷電動機，控制簡單高效。此外選用高采樣率、遠測距的激光雷達采集環(huán)境二維地圖信息用于激光SLAM導航。相關參數(shù)說明如表1所示。

圖5 底盤骨架設計加工圖

表1 底盤組件參數(shù)說明

2.3 執(zhí)行機構

2.3.1 升降式機械臂

升降式機械臂作為機器人的執(zhí)行機構部件之一，包括絲桿滑臺和機械臂兩部分，類似于人的胳膊，主要起到伸縮機械爪到所需位置和承受抓取物體質(zhì)量等作用。

（1）絲桿滑臺。絲桿滑臺為機械臂的升降運動機構，主要包括滾珠滑桿、滑塊、聯(lián)軸器、步進電動機等部件，將步進電動機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化成上下直線運動，從而實現(xiàn)機械臂在不同高度進行作業(yè)。為降低機器人質(zhì)量且具有足夠的結(jié)構強度，選用歐標鋁型材作為絲桿滑臺背板。此外為方便運輸，絲桿滑臺通過手擰梅花螺母與底盤面板相連，在保證強度的前提下實現(xiàn)機械臂抬升機構的單人拆裝。

（2）機械臂。機械臂主要由關節(jié)電動機和臂體組成。考慮到抓取重物的實用性和穩(wěn)定性，選用恒轉(zhuǎn)矩關節(jié)電動機，在機械臂完全展開的情況下末端仍可抓取0.7 kg左右的物品。機械臂與絲桿滑臺的連接處采用拔插結(jié)構設計并通過手擰梅花螺母固定，機械臂外殼采用PLA塑料3D打印。機械臂設計圖如圖6所示。

圖6 機械臂設計加工圖

2.3.2 機械爪

機械爪作為機器人的末端執(zhí)行機構，主要由爪片連桿和舵機組成，承載著對物體的抓取、放置等功能。機械爪采用可使爪片平行開合的連桿式結(jié)構，通過光敏樹脂材料經(jīng)紫外光固化3D打印。為保證機械手整體作業(yè)強度與靈活性，使用25 kg舵機驅(qū)動爪片開合以抓取物品，使用另一個舵機帶動整個手爪上下俯仰，使機械爪能夠平穩(wěn)的放置物品。機械爪等軸測視圖如圖7所示。

圖7 機械爪等軸測視圖

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 從控制器軟件設計

從控制器軟件架構基于FreeRTOS實時操作系統(tǒng)，利用FreeRTOS高效的任務調(diào)度機制將程序劃分為多個重要性不同的任務，在各個任務之間合理地分配CPU資源［13］。本系統(tǒng)采用Keil工具實現(xiàn)從控制器軟件的編程，主要包括底盤電動機、機械臂電動機以及機械爪舵機的控制任務、電動機編碼器速度獲取任務、電池電壓檢測任務以及與主控制器的信息交互任務等，運行流程如圖8所示。

（1）電池電壓檢測任務。底盤電動機、機械臂關節(jié)電動機的驅(qū)動都是從鋰電池獲取的，電池電量的多少對電動機的驅(qū)動能力至關重要。從控制器通過AD采樣模塊獲取并監(jiān)測機器人搭載鋰電池電壓，并實時將電壓值發(fā)送給主控器。若電池電壓低于閾值，則說明電池不再適合繼續(xù)驅(qū)動底盤電動機及機械臂關節(jié)電動機的運動，否則因電動機無法輸出足夠扭矩會造成動作走樣甚至危險，且會降低電池組使用壽命。此時，從控制器會發(fā)出電壓過低警報。

圖8 從控制器運行流程圖

（2）底盤電動機、機械臂電動機控制任務。從控制器實時采集底盤電動機編碼器數(shù)據(jù)，并將其反饋給主控制器，判斷機器人已經(jīng)到達目標點后，向主控制器發(fā)布消息（Message），主控制器機械臂控制程序接收到消息后開始完成抓取物體等動作，在執(zhí)行過程中，從控制器機械臂控制程序通過CAN總線實時采集機械臂各個關節(jié)電機反饋的角度信息，并通過串口將角度信息反饋至主控制器機械臂控制程序。當主控制器判斷機械臂執(zhí)行完一系列動作后會給從控制器發(fā)送一個消息（Message），通知機械臂動作完成，以便機械臂控制程序判斷是否運行到下一目標位置。

機械臂關節(jié)電動機采用位置控制模式，使用15位絕對編碼器，底盤電動機采用速度控制模式，配有編碼器以實時回傳數(shù)據(jù)。通過編碼器反饋數(shù)據(jù)與主控制器路徑規(guī)劃出的目標數(shù)據(jù)之差得到實際偏差數(shù)據(jù)，主控制器根據(jù)實際偏差數(shù)據(jù)計算得到控制信號，回傳給從控制器，進而控制電動機工作。從控制器底盤電動機控制程序?qū)崟r將傳感器數(shù)據(jù)通過消息（Message）發(fā)送給主控制器底盤控制系統(tǒng)和機械臂控制系統(tǒng)。

3.2 主控制器軟件設計

主控制器軟件架構基于ROS平臺開發(fā)，主要實現(xiàn)即時定位與地圖構建、路徑規(guī)劃以及導航避障等功能。

3.2.1 地圖構建

主控制器軟件系統(tǒng)使用Gmapping［14］軟件包實現(xiàn)地圖構建，涉及的基本組織元有：

（1）gmapping_slam。主要作用是根據(jù)激光傳感器所測得的數(shù)據(jù)進行反饋，進而完成地圖的構建。

（2）amcl。自適應蒙特卡洛定位。采用粒子濾波器來跟蹤已知的地圖中機器人位姿，是機器人在二維平面移動過程中的概率定位系統(tǒng)。該算法將傳入的激光掃描數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為里程計結(jié)果，從而在地圖中輸出位姿信息。

在實際地圖構建過程中，由于基于二維激光雷達的Gmapping建圖系統(tǒng)存在特殊環(huán)境下的建圖失真情況，如無法探測到玻璃門、未知區(qū)域無法探測等問題。因此，本文使用一種人工標注柵格地圖的方法來修正自動生成的地圖。

3.2.2 路徑規(guī)劃與導航算法

導航是指機器人根據(jù)已知地圖和自身的起點位置，自動規(guī)劃出到預設目標點的最優(yōu)路徑，主要包含了全局路徑規(guī)劃和局部路徑規(guī)劃［15］。

全局路徑規(guī)劃采用A星算法，它具有啟發(fā)式特點的全局路徑規(guī)劃算法，擁有最低的搜索成本。假設起始點為s，目標點為g，N為當前點，n為搜索點，其成本的評價函數(shù)為

式中：g（n）為s點移動到N點的實際移動成本；h（n）為從N點到移動到g點的啟發(fā)式成本。

局部路徑規(guī)劃采用DWA算法。該算法是ROS系統(tǒng)常用的室內(nèi)環(huán)境路徑規(guī)劃算法，對滿足移動機器人的線速度和角速度進行采樣；根據(jù)采樣的結(jié)果結(jié)合機器人的運動模型，預測移動軌跡；通過評價函數(shù)對預測軌跡評分，選取最優(yōu)的速度控制移動機器人的運動。

（1）速度采樣。根據(jù)機器人自身的局限以及環(huán)境的制約，需要將機器人的速度控制在一定范圍，以便進行采樣。其中涉及以下速度因素：

式中：vs表示移動機器人的速度空間；vmin為移動機器人最小線速度；vmax為移動機器人最大線速度；wmin為移動機器人最小加速度；wmax為移動機器人最大線速度；vd表示移動機器人能夠達到的速度空間；va、wa分別為移動機器人當前的線速度和角速度；為移動機器人線速度的最大的加速度；為移動機器人角速度的最大的加速度；t為時間間隔。

為保證機器人在碰到障礙物之前速度降為零，故約束：

式中：dist（v，w）為速度（v，w）對應的估計到最近障礙物的距離；vr機器人的速度空間。

（2）評價函數(shù)。軌跡評價函數(shù)的作用就是對若干組速度軌跡進行評價，選擇最優(yōu)路徑避開障礙物。評價函數(shù)為

式中：heading（v，ω）表示在當前速度下，預測機器人在軌跡末端時的朝向和目標位置的角度差；dist（v，ω）表示機器人障礙物之間的距離；velocity（v，ω）使機器人盡保持最優(yōu)速度；α，β，γ為權重系數(shù)，示意圖如圖9所示。

圖9 機器人行走軌跡

4 實驗結(jié)果與分析

4.1 地圖構建測試

本文在ROS系統(tǒng)中通過執(zhí)行Gmapping的軟件包實現(xiàn)地圖的構建，建圖系統(tǒng)的各個節(jié)點及節(jié)點間的關系如圖10所示。

圖10 建圖節(jié)點圖

建圖系統(tǒng)主要包括鍵盤控制節(jié)點、機器人底盤控制節(jié)點、激光雷達節(jié)點、Gmapping節(jié)點和地圖服務節(jié)點；節(jié)點之間的矩形方框表示主題，主題指向節(jié)點則表示該節(jié)點訂閱了相應的消息，節(jié)點指向主題表示該主題發(fā)布了相應的消息。

采用roslanuch啟動節(jié)點相關，驅(qū)動激光雷達獲取環(huán)境數(shù)據(jù)并發(fā)布到／scan主題上；運行Gmapping節(jié)點和地圖服務節(jié)點，打開可視化地圖界面rviz；主控制器啟動鍵盤控制節(jié)點，通過鍵盤發(fā)送命令給底盤系統(tǒng)，實現(xiàn)機器人的移動；控制機器人在目標場所移動，從而實現(xiàn)地圖的構建，本文選擇實驗樓層場景，建圖效果如圖11所示。

4.2 路徑規(guī)劃與導航測試

路徑規(guī)劃建立在圖11所建柵格地圖上。首先，需要對機器人位姿進行初始化設置，點擊rviz地圖，會出現(xiàn)一個箭頭，箭頭指向即為機器人初始位置的朝向，位姿初始化后可以為機器人選擇目標點的朝向，此后全局規(guī)劃器會為機器人規(guī)劃出一條全局路徑，從機器人初始位置出發(fā)，到目標點結(jié)束，如圖12所示（帶箭頭的淺藍色線）。

圖11 地圖構建效果

圖12 實際規(guī)劃效果

路徑規(guī)劃完成后，現(xiàn)實環(huán)境中機器人就會開始沿著規(guī)劃好的全局路徑進行移動，若中途不再出現(xiàn)障礙物，機器人會一直沿著該路徑，直到目標點為止。同時在實際測試中，還進行了在已知地圖中增加障礙物的試驗，機器人在行進過程中如果檢測到未知的障礙物，會啟動局部規(guī)劃器，繞開障礙物，實現(xiàn)動態(tài)避障，完成導航任務。

4.3 物品識別和抓取功能測試

對該家庭服務機器人實驗系統(tǒng)進行物品的識別和抓取功能測試。方法為：在桌上擺放易拉罐、飲料瓶、零食等物品，機器人根據(jù)人的指令識別并抓取目標物品，如圖13所示。

圖13 現(xiàn)場測試

測試時，每個物品識別和抓取15次，求取系統(tǒng)執(zhí)行的正確率。測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以根據(jù)指令正確識別和抓取目標物品，相關測試結(jié)果見表2所示。

表2 物品識別和抓取功能測試

5 結(jié)語

本文設計和開發(fā)了一種低成本家庭服務機器人實驗系統(tǒng)，采用主從控制器控制結(jié)構，主控制器基于ROS實現(xiàn)機器人的即時定位與地圖構建、路徑規(guī)劃與導航、語音識別等功能；從控制器基于FreeRTOS主要實現(xiàn)對底盤、升降式機械臂以及機械手的實時控制以及電池電壓檢測等。該服務機器人成功應用于2019年中國機器人大賽家庭服務機器人非限定項目比賽，并取得一等獎的優(yōu)異成績，測試結(jié)果驗證了系統(tǒng)設計的穩(wěn)定性、可靠性及有效性。

·名人名言·

業(yè)精于勤荒于嬉，行成于思毀于隨。

——韓愈《進學解》