基于姿態庫的危險品檢測機械臂遠程控制

鄭育祥，許 旻，董二寶，李陽鴻

(中國科學技術大學工程科學學院精密機械與精密儀器系，安徽 合肥 230027)

0 引言

隨著近現代工業技術的高速發展，很多探索工作和高危作業環境，人力往往無法直接到達，需要機器人代替人力進行遠程作業。幾十年來，國內外學者針對機器人的遠程控制進行了廣泛研究。

目前，主流的遠程控制技術分為3類：主從式遙操作機器人方案，操作者通過操作主端機器人來控制從端機器人進行探索和作業任務[1-3]；人機遙操作方案，通過環境感知設備感知人體姿態變化來控制機器人[4]；遠程上位機方案，上位機(遙控箱、遙控手柄、手機和平板等)在無線網絡下與機器人實時通信控制[5-6]。

然而針對恐怖事件現場的危險品檢測作業時，存在野外環境干擾以及遠程操作的便攜性，主從式遙操作和人機遙操作方案顯然不適用于該場景；而遠程上位機方案相比其他2種方案來說，其對于控制多自由度機械臂靈活性不高。而且在危險品檢測作業中，往往需要針對危險品的特殊性，采用專門的姿態去采樣，所以提出了一種基于姿態庫的遠程控制方法，壓縮了操作時間，能更高效地完成檢測作業。

1 機械臂遠程控制系統構成

危險品檢測機器人機械臂遠程控制系統由六輪移動平臺、機械臂、控制系統和末端檢測裝置等組成，如圖1所示。

圖1 面向警用無人平臺的機械臂遠程控制系統

六輪移動平臺通過采用空心杯跨步驅動電機，集成扭桿懸架實現驅動懸架一體化，采用輪轂電機集成轉向電機和盤式制動器實現輪邊驅動、轉向與制動一體化，聯合輪步結合多自由度協調驅動控制方法，實現六輪驅動、全輪轉向和輪步行走等功能。

機械臂安裝在六輪移動平臺頂面。通過MATLAB仿真優化設計連桿尺寸，采用機電一體化旋轉關節模組設計協作型機械臂，能滿足1.3 m的特殊作業工作空間需求及10 kg的負載需求。

如圖2所示，整個控制系統采用上位機和下位機實時監控，上位機端采用的是PS2遙控手柄，應用2.4 GHz無線技術與下位機實時通信。下位機安裝在六輪移動平臺內部，主要由STM32核心板、EtherCAT通信模塊、無線通信模塊和電源穩壓模塊組成。其主要功能是解析上位機發送指令、機械臂正逆解運算、EtherCAT總線信息交互、姿態庫控制、控制末端檢測裝置的固體和液體采集以及相關功能指令。

圖2 下位機控制器模塊連接關系

末端檢測裝置采用的是安徽芯核防務公司的模塊化危險品檢測設備，能實現固體和液體采集功能，安裝于機械臂的末端工具法蘭上。

2 機械臂運動學建模

考慮到姿態庫控制中針對不同作業場景下的不同姿態，需要對其機械臂做正解和逆解控制。

首先，采用改進后D-H法建立機械臂模型，D-H參數如表1所示。

表1 機械臂D-H參數

2.1 運動學正解

應用改進的D-H模型可以得到機械臂連桿變換公式為

(1)

此模塊實現教師信息的管理功能，此模塊包括查詢、新增、更新教師信息等功能操作。教師信息包含教師編號、教師姓名、學歷、參加工作時間、職稱、職務、資格證書、所屬系部、專業領域、科研情況等相關信息。

(2)

2.2 運動學逆解

根據式(1)和式(2)，限定條件為機械臂各個關節的運動范圍為[-π,π]，通過解析法，可以依次推導出各個關節角度的解[7]：

θ1=arctan(0P5y,0P5x)±

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

由此可以發現，對于機械臂工作空間中某一位姿，可能存在的逆解個數為

2θ1×2θ5×1θ6×2θ3×1θ2×1θ4=8

(9)

考慮機械臂碰撞和角度限制問題，通常選取基關節[θ1θ2θ3]角度空間最近點作為最優解，所以需要對求得的8組解比較角度空間距離，即

di=‖Φi-Φ0‖

(10)

Φ0=[θ10θ20θ30]為當前機械臂基關節角度向量；Φi=[θ1iθ2iθ3i]為第i組解基關節角度向量；di為第i組解的角度空間距離。

圖3 下位機控制器程序流程

3 姿態庫控制

針對危險品的特殊性，需要采用專門的姿態去采樣，依據機械臂在移動平臺的安裝位置選取了幾個常用的采樣姿態，組成姿態庫，如圖4所示。

圖4 姿態庫

圖4a為原點姿態：機械臂不工作時的姿態。保證其整體是收攏的，避免在移動平臺行走時與其他物體碰撞。在每次完成作業時，需要機械臂回到原點姿態，即復位動作。

圖4b為初始姿態：原點姿態與其他幾個常用姿態的中間過渡姿態。保證其各姿態切換時的軌跡的安全性。

圖4c ～圖4g為方位姿態(左側方、右側方、正前方、上前方和下前方姿態)：針對采樣目標在移動平臺相應方位時設置的姿態。

預先示教好上述的各姿態，將多組姿態數據組成姿態庫存儲在下位機控制器里。在遠程上位機只需要相應按鍵即可調用姿態庫中相應姿態動作，當機械臂到達期望的方位姿態后，如果末端檢測裝置距離檢測目標還存在著一段距離，可以通過上位機操作基坐標方向微動動作指令，到達期望的目標位置。具體操作流程如圖5所示。

圖5 檢測操作流程

4 實驗

實驗分為無線通信實驗和有無姿態庫對比實驗。

4.1 無線通信實驗

在無線通信實驗中，無線通信的有效距離定義為：從六輪移動平臺的前端前進，當無線手柄和接收器的連接燈開始閃爍時，即表示通信斷開，記錄當前位置與下位機控制器之間的距離。

經過多次測試發現，在室內環境下當離下位機控制器10 m范圍內，信號較強，通信實時性較高；而在室外環境下受干擾較多，在距離8 m范圍內，能保持正常通信。無線遙控的距離取決于無線信號的覆蓋范圍，在實際應用中可采用遠距離無線網橋的方案增加遙控距離。

4.2 有無姿態庫對比實驗

隨機給定一個機械臂工作空間內的指定目標，用常規關節控制和姿態庫控制2種方式控制機械臂到達指定目標位置，用電子秒表記錄每次從原點位置到檢測目標位置所用的時間。每組多次記錄，取平均值。

本實驗在空間中隨機選取了10個點進行對比實驗。實驗控制過程如圖6所示，在一塊固定板上貼合了一個圓柱狀紅色標記物，作為目標點，可通過移動固定板和調整其高度，重新選取目標點。其中，箭頭指向為指定目標點，每張圖右下角為開始記錄到當前的時間點。

圖6 第1組連續抓拍

本實驗的10組數據對比結果如圖7所示。根據10組記錄的時間結果對比發現，采用姿態庫控制所用時間遠小于常規關節控制所用的時間，可以驗證基于姿態庫的優異性，能減少遠程控制機械臂到達目標的時間，提高效率。

圖7 10組隨機點2種控制所用時間對比

5 結束語

提出了一種基于姿態庫的危險品檢測機器人機械臂遠程控制方法，設計了機械臂遠程控制系統的整體架構方案，通過分析機械臂運動學，在下位機控制器建立機械臂正逆解模型；分析采樣作業的幾種常用姿態，建立了姿態庫，實現了遠程一鍵調用。通過實驗發現，無線通信距離基本滿足作業要求，但受室外干擾，通信距離影響較大。增加姿態庫控制，可適用于危險品檢測作業場景，可以降低無線通信被干擾的影響，有效地減少作業時間，驗證本文方法的有效性。