雙臂搬運機器人反應式導航控制系統設計

孫 輝，高 劍，潘之騰，李建梅，臧汝靜

(1.菏澤市科學技術信息研究所，山東 菏澤 274000；2.菏澤市產品檢驗檢測研究院，山東 菏澤 274000)

0 引言

雙臂搬運機器人的設計模仿了人體雙臂協作原理，使其雙側臂關節同時具有運動能力，即可執行同步操作，也可處于不同的行為狀態之中。在執行搬運任務時，由于雙側臂關節結構的運動能力并不受到明確約束，所以該類型機器人的作業半徑相對較為廣闊[1]。在搬運作業任務中，雙臂機器人可以將貨物轉移至既定位置之處，且運動行為能力也不會受到所處位置的影響，故而其動力供應極易得到保障，這也是雙臂搬運機器人受到各個施工單位廣泛歡迎的主要原因[2]。現階段雙臂搬運機器人正朝著具有自組織、自適應能力的智能化方向發展，故而導航能力的高低成為了評價機器人應用能力的關鍵指標，特別是在任務過程中，如何在增強機器人避障準確性的同時，使其搬運能力得到保障，已經成為了一項亟待解決的難題。

導航技術的應用同時涉及位置定位與行進軌跡規劃。對于雙臂搬運機器人而言，位置節點定位能夠幫助核心控制主機掌握機器人所處的實際運行位置[3]；而行進軌跡規劃則是核心控制主機的基礎執行能力，對于不同機器人設備來說，由于其承擔的作業任務不同，其所經歷的行進軌跡也會有所不同。傳統仿真控制系統利用PC傳感器記錄雙臂搬運機器人的實際運行狀態，再借助Linux平臺對所得數據參量進行整合，最終經由傳輸通道，將這些信息文本反饋回核心控制主機[4]。然而此系統的實際控制能力有限，并不能使雙臂搬運機器人在復雜路況環境中實現對障礙物設備的準確躲避。為解決上述問題，設計一種新型的雙臂搬運機器人反應式導航控制系統，再根據對比實驗結果，求證該系統的實用性能。

1 系統硬件單元設計

雙臂搬運機器人反應式導航控制系統的硬件單元由單片機與電機電路、ARM微處理器、PIC單片機、反應式導航子模塊四部分共同組成，本章節將針對各個應用設備展開研究。

1.1 單片機與電機電路

雙臂搬運機器人反應式導航控制系統采用直流電機供應形式，將單片機電路置于+VCC端口與-VDD端口之間，能夠在PWM元件的作用下，統一PB1、PB2、PB3、PB4節點的連接狀態，使其在穩定輸入電量信號的同時，將交流電量波段轉換成直流傳輸形式，并可以借助多個負載電阻設備，將這些電量信號反饋至下級連接元件之中，單片機電力的完整連接結構如圖1所示[5]。PWM元件左右兩端接口同時負載PB節點與單片機端子設備，前者與+VCC端口相連，負責對電量傳輸信號進行聚合處理，后者分別與MOTOR電量元件和NPN5609設備相連，可在承接電量傳輸信號的同時，將負載電壓與負載電流均勻分配給R1、R2與R3電阻。由于R級電阻的內阻數值不同，故而其所處連接位置與執行作用能力也有所不同[6]。

圖1 單片機與電機電路的連接結構

MOTOR電量元件、NPN5609設備同屬于單片機與電機電路中的核心應用結構，在實際應用過程中，兩者共同調試雙臂搬運機器人的行進運動狀態，并可以根據障礙物節點的分布形式，更改機器人的實時反應行為。

1.2 ARM微處理器

ARM微處理器是32位的反應式導航行為處理元件，可以借助外部負載電源，對已獲取的電量信號進行處理，并可以從中選取功耗標準與其他信號參量不同的電量特征值作為核心作用對象[7](雙臂搬運機器人反應式導航控制系統的微處理器結構為ARM-7系列的應用元件，具體連接結構如圖2所示)。對于雙臂搬運機器人反應式導航控制系統而言，ARM微處理器以LPC22xx芯片作為核心應用元件，左側與拓展接口、導航控制接口相連，能夠深入機器人管控主機內部，獲取其中存儲的電信號參量及導航節點記錄信息。當單片機復位電路保持連續閉合狀態時，LPC22xx芯片對于存儲信息參量的提取速率達到最大值狀態，此時JTAG接口會自發斷開，以此避免雙臂搬運機器人出現過度反映的表現行為，使得控制主機的實時運行能力得到保障[8]。

圖2 ARM微處理器元件的結構簡圖

NOR接口(U1接口)、SRAM接口(U2接口)同屬負載于LPC22xx芯片右側，能夠及時轉存電源設備與單片機復位電路輸出的電信號參量，并可以將其轉換成可供導航控制接口與擴展接口直接調取的應用形式。

1.3 PIC單片機

在雙臂搬運機器人反應式導航控制系統中，PIC單片機元件的連接行為遵循哈佛總線機制，由于外部負載接口數量較多，故其在執行尋址指令時，所需消耗的電量信號極少，能夠使機器人結構始終保持相對穩定的運動行進狀態。PIC16(L)F18857芯片作為PIC單片機的核心應用結構，外部同時負載MCLR、RA、VSS、VPP、RB、VDD等多種類型的接口組織[9]。其中，MCLR接口與RA0接口負載于同一連接位置處，負責將PIC單片機與主單片機電路連接起來；RA1-RA4接口負責將外部電量信號傳輸回PIC16(L)F18857芯片，與RB0-RB2接口的執行能力相反；VSS、VPP、VDD同屬于功能性接口，可以確保PIC16(L)F18857芯片始終保持相對穩定的連接狀態；ICSPCLK接口與導航控制主機相連，負責調節ARM微處理器的實時連接狀態。完整的PIC單片機連接結構如圖3所示。

圖3 PIC單片機連接結構

PLCkit結構作為PIC單片機的外部負載元件，可以在ICSPDAT接口的作用下，與PIC16(L)F18857芯片建立連接關系，當MCLR端口連續閉合時，主單片機電路可以直接更改雙臂搬運機器人的運動行進狀態，此時整個PIC單片機元件的連接形式始終保持穩定[10]。

1.4 反應式導航子模塊

1.4.1 HN-9移動平臺

HN-9移動平臺決定了雙臂搬運機器人的運動行進能力，由臂關節連接桿、感應器、導航節點、主擋板4個應用結構共同組成[11]，其各個連接結構的作用能力如下(具體結構模型如圖4所示)。

圖4 HN-9移動平臺示意圖

臂關節連接桿：在雙臂搬運機器人的反應式導航子模塊中，臂關節連接桿位于HN-9移動平臺的邊緣區域，具有較強的可操控能力[12]。當連接桿連續向下運動時，表示雙臂搬運機器人的運動行為較為頻繁，整個HN-9移動平臺所需承擔的電信號總量也就相對較大；當連接桿連續向上運動時，表示雙臂搬運機器人的運動行為存在偶然性，整個HN-9移動平臺所需承擔的電信號總量相對較少。

感應器：感應器連接在HN-9移動平臺前側，負責感知雙臂搬運機器人的實際運動狀態，并可以將所采集到的數據信息參量反饋回導航控制主機。

導航節點：負責記錄雙臂搬運機器人的位置信息。

主擋板：接收電量輸入信號，并借助感應器元件，將這些電信號參量傳輸至臂關節連接桿設備之中。

1.4.2 智能導航平臺

智能導航平臺是具有信息記錄能力的控制系統應用子模塊，能夠根據雙臂搬運機器人所處位置節點的不同，對已獲得信息參量進行排列處理，并可以將記錄文本反饋給HN-9移動平臺，使其所制定的控制執行指令更符合實際應用需求。假設雙臂搬運機器人當前所處位置節點O0坐標為(X0，Y0，Z0)，在反應式導航控制系統作用下，其運動后位置節點O1坐標為(X1，Y1，Z1)，由于機器人設備不具備空間運動能力，所以節點O0、節點O1始終處于同一控制平面中[13-14]。由于智能導航平臺的存在，由節點O0到節點O1的機器人運動行為能夠得到有效控制。為避免機器人反應速度下降，在設置智能導航平臺時，還應關注濾波控制器與HN-9移動平臺之間的實時連接關系。當障礙物節點與機器人當前運動節點之間的物理間隔值相對較大時，濾波控制器的執行速率則會隨之提升；而當障礙物節點與機器人當前運動節點之間的物理間隔值相對較小時，濾波控制器的執行速率則會不斷下降，這種連續感應行為也是保障雙臂搬運機器人在作業任務過程中能夠進行精準避障的主要原因。

1.4.3 ROS操作平臺

ROS操作平臺負責管理雙臂搬運機器人反應式導航控制系統中的執行進程指令，以Master節點管理器作為核心應用元件，可以聯合下級Model節點，實現管控信息指令的相互傳輸，從而使得Client客戶端、Server服務器能夠同時控制導航任務的執行狀態。具體操作界面如圖5所示。

圖5 ROS操作平臺主界面

在運行過程中，Master節點管理器可以同時協調Model1導航節點與Model2反應節點，前者負責記錄雙臂搬運機器人的過往運動數據，后者負責監測機器人的實時運動狀態，由于導航控制任務不具備雙向傳輸的能力，所以在Master節點管理器元件的作用下，Model1導航節點、Model2反應節點具有相同的連接等級[15]。Client客戶端作為底層執行設備，可以直接控制Model1導航節點，隨著雙臂搬運機器人反應速率的不斷加快，導航控制任務的輸出量也在持續增大，為保障機器人設備對于外部障礙物的精準避讓能力，客戶端元件還必須具備一定的數據處理與數據存儲能力[16]。Server服務器可以直接控制Model2反應節點，兩者共同維護導航控制任務的傳輸穩定性，并可以將已發布任務指令改寫成可供系統控制主機直接調用的形式。

2 雙臂搬運機器人的協調控制

在各級硬件應用結構的支持下，按照絕對位姿向量求解、相對位姿向量求解、速度雅可比計算、動力學遞推表達式建立的處理流程，完成雙臂搬運機器人反應式導航控制系統的設計。

2.1 絕對位姿向量

絕對位姿向量是指在搬運任務過程中，由機器人臂關節初始運動節點指向終止運動節點的位移向量，該項指標參量的計算取值越大，就表示機器人雙臂結構所能承擔的搬運任務量越大。就反應式導航控制系統而言，由于負責記錄節點位移的設備主機并不能直接與機器人運動軌跡路徑相接觸，所以絕對位姿向量指標的計算結果也總是具有一定的物理偏差[17-18]。設δ表示雙臂搬運機器人機械臂末端的運動速度向量，且該向量指標的取值受到ROS操作平臺反應時長ΔT的直接影響。當機器人臂關節由初始位置χ0運動至終止位置χn時，聯立上述物理量，可將雙臂搬運機器人反應式導航控制系統所承擔的絕對位姿向量表達式定義為：

(1)

式中，w0表示初始運動位置處的臂關節彎曲度系數，wn表示終止位置處的臂關節彎曲度系數。為有效控制絕對位姿向量計算數值的誤差度水平，在對w0系數、wn系數進行賦值時，要求其實際取值必須處于[1,e)的物理區間，且兩個指標參量不能同時等于極大值與極小值賦值結果。

2.2 相對位姿向量

(2)

式中，E0表示相對節點ε0處的機器人臂關節行為特征，En表示相對節點εn處的機器人臂關節行為特征。在設計雙臂搬運機器人反應式導航控制系統時，要求絕對位姿向量、相對位姿向量之間必須具有明顯的數值差。

2.3 速度雅可比

速度雅可比既可以描述搬運機器人雙臂關節結構與其運動位姿之間的線性映射關系，也可以體現出臂關節運動空間與臂關節協調空間之間的力學傳遞關系。對于雙臂搬運機器人反應式導航控制系統而言，速度雅可比指標體現出了微分思想的最優線性逼近原則，可以在區分絕對位姿向量、相對位姿向量差異性的同時，將臂關節結構所承載的力學作用控制在既定數值水平之內。設a1、a2表示兩個隨機選取的雙臂搬運機器人運動位姿控制系數，在運算過程中，上述兩個指標參量的取值結果始終不相等。

速度雅可比計算表達式為：

(3)

2.4 動力學遞推

雙臂搬運機器人反應式導航控制系統的動力學遞推表達式定義為：

(4)

以動力學遞推表達式作為約束條件，在求取速度雅可比指標的同時，確定絕對位姿向量、相對位姿向量之間的關聯程度，并聯合相關硬件設備結構，實現雙臂搬運機器人反應式導航控制系統的順利應用。

3 實驗結果與分析

選擇兩臺外觀一致的全新SYB1510A型雙臂搬運機器人作為實驗對象，分別利用反應式導航控制系統、傳統仿真控制系統對所選機器人的運動行為進行調控，其中前者作為本文系統、后者作為文獻[3]系統、文獻[4]系統。為保證實驗結果的公平性，除所選取控制方法不同外，本文系統、文獻[3]系統、文獻[4]系統其他實驗條件均保持一致，具體實驗參數配置情況見表1。

表1 實驗參數準備

雙臂搬運機器人在作業任務過程中的行進避障準確性(ζ)的計算表達式如下：

(5)

行進避障準確性(ζ)可以反映出系統主機對于機器人運動行為的控制能力。ζ指標的計算數值越大，系統主機對于機器人運動行為的連續控制能力也就越強。對本文系統、文獻[3]系統、文獻[4]系統雙臂搬運機器人在作業任務過程中的行進避障準確性(ζ)進行計算，具體計算數值如表2。

表2 避障準確性對比結果(ζ)

分析表2可知，當實驗時間等于50 s時，本文系統ζ指標達到最大值34.2%；當實驗時間等于20 s時，文獻[3]系統ζ指標達到最大值21.8%，文獻[4]系統ζ指標達到最大值20.7%，與本文系統最大值相比，分別下降了12.4%和13.5%。整個實驗過程中，本文系統ζ指標均值為28.7%，文獻[3]系統ζ指標均值為16.7%，文獻[4]系統ζ指標達到最大值15.8%，明顯低于本文系統ζ指標均值水平。

為了進一步測試本文系統的應用效果，以所設計的雙臂搬運機器人為例，測試機器人的各種參數，對該實驗對象采用機器人實行導航控制，選用的機器人在滿電情況下能夠行駛10 km，行駛路線的平面結構如圖6所示。

圖6 行駛路線結構圖

該線路東西長度為400 m，南北長度300 m，其周圍包含多個障礙點、保安室以及監控室等。為直觀體現本文系統的反應式導航控制效果，采用本文系統對圖6實際行駛路線導航控制，獲取本文系統配準后的反應式導航控制軌跡與期望軌跡的吻合程度，得到具體結果如圖7所示。

圖7 反應式導航控制軌跡結果

由圖7可知，經過本文系統反應式導航控制后的路線與期望路線吻合程度較高，雙臂搬運機器人能夠按照設定軌跡完成反應式導航，保證導航控制的有效性，達到了預期目的。

綜上可知，本次實驗結論為：

1)利用反應式導航控制系統所得節點間隔距離與搬運速度指標的數值水平較高，在搬運貨物質量保持不變的情況下，可以有效增大雙臂搬運機器人在作業任務過程中的行進避障準確性，對于系統主機而言，其對于機器人運動行為的連續控制能力能夠得到一定程度的促進。

2)本文系統下導航線路與期望路線基本相符，吻合程度較高，具有較好的效果。

4 結束語

與傳統仿真控制系統相比，反應式導航控制系統重新規劃了單片機與電機電路的連接形式，借助ARM微處理器、PIC單片機等結構，對反應式導航子模塊的作用能力進行調試。在作業任務過程中，由于HN-9移動平臺、智能導航平臺、ROS操作平臺三類硬件應用結構的存在，雙臂搬運機器人絕對位姿向量、相對位姿向量之間的誤差值水平得到保障，不但可以實現對速度雅可比指標的準確求解，還能夠得到完整的動力學遞推表達式。在實際應用方面，反應式導航控制系統不但增大了障礙物節點與機器人行進節點之間的間隔距離，還使得機器人雙臂關節結構的搬運速度得到一定程度的提升，這對于增大行進避障準確性指標的數值水平確實起到了明顯的促進性影響作用。對于系統主機元件來說，行進避障準確性數值的增大，可以實現對機器人運動行為的準確控制，這在實際應用方面具有較強的可行性價值。