移动机器人力觉操控系统的设计与实现分析

1引言

近年来, 移动机器人技术发展迅猛, 应用也越来越广泛, 而移动机器人运动的稳定性和灵活性则决定着其未来发展前景和应用价值。本文简要分析了移动机器人力觉操控系统的设计与实现, 旨在为相关研究和实践提供参考。

2移动机器人力觉操控系统总体设计

2.1设计要求与工作原理

设计要求:准确表达操控者操作意图, 保证机器人平稳运行;实现操控装置、上位机及机器人之间的无线通信。

工作原理:力传感器检测操控者施加的力/力矩, 力觉操控装置将检测到的信息发送至上位机, 上位机分析和处理信号, 将运动指令传送给移动机器人, 移动机器人根据运动指令进行相关运动。

2.2系统构成

2.2.1移动机器人

本系统采用Mecanum轮式全向移动机器人, 其有着运动能力出色的特点, 在全方位工业品传输系统及自动引导车等领域中有着广泛的应用。本文提出的移动机器人力觉操控系统主要用于人工操控机器人, 实现其全向运动[1]。全向移动主要包括平动和转动两种运动方式, 已知机器人四个车轮转速, 利用正运动方程可求出其平移速度和转动角速度, 已知平移速度和转向角速度则可以利用逆运动方程求出各个车轮转速, 逆运动方程如下:

式中, vx、vy代表机器人的平移速度;wz代表机器人的旋转速度;wi代表各个车轮转动角速度 (i=1, 2, 3, 4) 。上位机对力传感器检测到的人手力/力矩信号, 会得到移动机器人的运动形式及速度, 以公式 (1) 为基础, 则可以推导计算出移动机器人四个车轮的转速, 以此来实现人对移动机器人运动的操控。

2.2.2力觉操控装置

力觉操控装置与反馈操纵杆类似, 是重要的信息传送媒介, 其对操控体验有着重要的影响。力觉操控装置主要由力检测机构、旋转夹紧机构和吸盘底座三部分组成, 操控者握住力检测机构中的把手施加力/力矩信号, 传感器检测到该信号并通过电桥转换为电压信号输出[2]。吸盘底座的主要功能是将装置固定在移动机器人上。

力觉操控装置主要安装在机器人或机器人负载上, 无论安装在何种位置, 都要保证其坐标与移动机器人局部坐标保持一致, 以此来实现力传感器输出信号与上位机输出指令的一一对应。

2.2.3控制系统

力觉操控系统中的控制系统主要包括:

⊙力传感器系统:其主要功能是对操控者施加的力/力矩信号进行检测和处理, 并利用Wi-Fi将处理后的信号发送该上位机。

⊙上位机系统:上位机系统的主要功能是接收力传感器系统传送来的信号, 并对信号进行分析, 将对应的指令发送到运动控制系统中[3]。

⊙运动控制系统:运动控制系统接收到指令后指导机器人进行平移运动或旋转运动。本文重点对力传感器系统进行设计。

3力传感器设计

3.1力传感器结构设计方案

对于移动机器人力觉操控系统来说, 其对机器人运动的控制大致包括平移运动和旋转运动。平移运动由施加的力来控制, 旋转运动则由施加的力矩来控制, 这就要求力传感器能够检测到一维的力矩信号及二维的力信号, 从而控制移动机器人的位置。本文提出了一种“双孔独立十字梁”型的力传感器结构, 传感器主要包括推杆、盖板、弹性体及底盘组成[4]。底座周围有油槽, 加入润滑油能够减少弹性体与底座的摩擦, 形成“滑道”的效果。盖板的作用是封闭油道, 推杆的作用是传递外力, 利用螺栓将推杆与十字梁弹性体连接在一起, 将信号传递给弹性体, 弹性体变形使得其上的应变片电阻出现变化, 通过电桥输出电压信号, 从而实现对操控者施加力/力矩信号的检测。

3.2测力原理

用Fx、Fy、Fz代表传感器输入信号, 即需要检测的力/力矩信号, Fj代表子梁受到的约束力, i=1, 2, 3, 4。l代表弹性体月输电与受力作用点之间的距离。以受力平衡为依据, 可以得到:

以十字梁每根梁受力测量结果为基础, 能够推算出操控者施加的推力或扭矩。根据惠斯通原理, 可以计算出全桥电路输出电压U0。用U0 j代表单根梁j上电桥的输出信号, 则可以得到:

在式 (3) 中, M为常数, 建立了三维力/力矩的传感器模型, 从而得出传感器测力机制, 通过输出信号与输入信号的关系式, 以检测到的四个电桥输出电压为依据, 反向推导, 可以得出操作者施加的力/力矩。

4移动机器人力觉操控系统软硬件设

计与实现

4.1硬件设计

STM32有三种启动模式:

模式1:正常工作时, BOOT0引脚与低电平连接, 设置为用户闪存存储器启动模式。

模式2:用户在使用串口下载代码的时候, 需要BOOT0引脚与高电平连接, 而BOOT1引脚与低电平连接, 此时设置为系统存储器模式。

模式3:BOOT0引脚与BOOT1引脚都与高电平连接的时候, 从SRAM启动, 可调试代码。

本文设计的移动机器人力觉操控系统硬件系统结构如图1所示, 整个硬件系统以STM32芯片为控制核心, 还包括电源模块、通信模块、信号采集处理模块以及节能模块等。力觉传感器采集电压信号, 信号调理电路进行电压信号调理, 利用模数转换器将电压信号转换为数字信号, 之后利用STM32处理数据。通过I/O口输入开关量信号, STM以中断或查询的方式来读取开关量信号, 利用STM32芯片中的Wi-Fi模块和UART进行数据粗函数, 并实现与服务器的通信。电源模块的功能是为芯片及外围电路提供电能, 且能够指示点亮, 利用I/O接口, 节能模块能够实现对外部电源通断的有效控制, 从而实现节能效果。

4.2软件设计

以RVMDK软件为基础进行系统开发, 利用C语言进行编程。采用模块化设计方法进行程序设计, 对控制器完成的各项功能进行编程, 待到功能模块调试成功之后进行联调, 组成整个软件系统。具体如下:

4.2.1 ADC转换

ADC的正常启动是移动机器人力觉操控系统正常工作的前提条件, 在系统正常工作的过程中, 需要A DC来持续采集转换数据。为了保证转换通道较高的准确度, 应尽量设置较长的采样时间, 但需要注意的是, 这会影响ADC的转换效率。ADC转换时间公式为:Tcovn=采样时间+12.5个周期, 其中Tcovn代表总转换时间。本文将转换时间设置为239.5个周期, 时钟频率设置为12MHz, 则可以得到总转换时间为252个周期, 换算即为21us。操作者施加的力是ADC转换新号的主要来源, 信号变换频率要<2Hz, 不仅能够保证信号获取的准确度, 同时转换效率较高。在ADC正常工作过程中需要进行一系列的设置: (1) 将IO时钟和ADC时钟开启, 将IO口设置为模拟输入[6]; (2) 对ADC进行复位, 进行分频因子设置; (3) 参数初始化, 设置ADC工作模式和规则序列; (4) 进行ADC校准; (5) 将ADC转换开启。在ADC转换完成之后, 利用DMA控制器将转换值转移至变量中, DMA完成后, 则ADC数据可供主函数使用。

4.2.2串行通信

本文设计的移动机器人力觉操控系统虽然能够持续采集4路电桥信号, 并将信号转换为运动指令, 但之后的指令均由串口发送, 这就不可避免的造成C PU资源和电能的浪费。一般来说, 人手操作频率在2Hz以下, 因此采用定时器中断触发方式, 隔一段时间进行运动指令的发送。为保证通信可靠性, 消除干扰信号, 在数据末端增加CRC校验码, 其有着较强的纠错能力, 能够实现差错校验功能。

4.2.3无线通信

通过串口将运动指令传输至无线模块之后, 无线模块将数据转发至服务器。本文设计的力觉操控系统无线通信模块的工作模式有三种:一是透传模式:顾名思义, 即数据透明传输模式;二是命令模式:用户可通过AT命令来查询或设置串口参数及网络参数;三是PWM/GPIO模式:在该模式下, 用户可以通过网络命令来控制PWM/GPIO。

在实施控制小车的时候, 无线通信模块处于透传模式, 通过串口可向无线通信模块发送运动指令, 经转发到服务器, 无线通信模块本质上是一个无线终端, 即STA, 其与服务器 (PC) 构成C/S架构, 客户端为STA, 服务器端为PC, 属于两层体系结构, 能够充分发挥硬件优势, 节能降耗, 提升性能。

模块接受串口数据的过程中会对相邻字节的间隔时间不断检查, 如果检查结果大于设置值, 则代表一帧结束, 如果检查结果小于或等于设置值, 则一直接收数据, 指导数据大于1000字节。一帧接收结束之后, 利用无线方式将数据传送到客户端, 系统默认相邻字节时间间隔为250ms, 同时操控者施加力的频率在2Hz以下, 即运动指令发送时间周期大于500ms, 由此可见, 这种串口成帧的模式能够满足系统对串口转发效率的需求。

为了实现无线通信, 需要进行其他配置, 上电后进入透传模式, 将模块设置为命令模式, 重启之后默认为透传模式。

设置为命令模式之后, 通过AT指令进一步配置, 通过串口将每条指令输入到模块中, 继续拧参数化配置, 串口显示“+ok”。此外, 也可以通过编程输入AT指令。输入完成后模块会自动重新启动, 重启后默认为透传模式, 检测到力/力扭矩信号, 即可实现运动指令向服务器的发送。

5移动机器人力觉操控系统调试实验

5.1实验原理及方法

实验目的是保证移动机器人力觉操控系统力传感器坐标与机器人局部坐标的一致性, 保证信号输出与运动指令一一对应, 从而保证系统控制性能。实验采用移动机器人平移速度为0~0.2m/s, 旋转速度为0~60°/s。控制者施加力范围在-50N-50N之间, 力矩在-5N·m~5N·m。则可以将机器人运动形式划分为四种情况:有且只有一个力信号, 机器人进行前后左右平移;有两个力信号, 机器人进行斜向平移, 平移方向为两个力合力方向[7];有且只有力矩信号, 机器人进行旋转;无信号, 静止。

5.2实验结果

将力觉操控装置在操控台上进行调试试验, 实验结果表明, 本文设计的移动机器人力觉操控系统能够实现机器人的全向运动, 运动形式与控制者施加力/力矩对应, 机器人运行的过程中较为平稳和流畅, 证明系统的稳定性和可靠性优良。且灵敏度、非线性误差均满足要求

6结束语

综上所述, 本文提出了一种移动机器人力觉操控系统, 分析了系统组成及具体设计, 探讨了功能实现过程。系统调试结果可知, 本文提出的移动机器人力觉操控系统在非线性误差及灵敏度方面满足要求, 能够实现机器人稳定、可靠地全向运动。