智能機(jī)器人保姆

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，機(jī)器人技術(shù)在國內(nèi)外已經(jīng)得到了較好的發(fā)展。例如美國REMOTEC公司設(shè)計(jì)研制的F6-A防爆機(jī)器人，它采用活節(jié)式履帶，能夠跨越各種障礙，在復(fù)雜的地形上行走。速度為0-5.6公里/小時(shí)，無級(jí)可調(diào)，完全伸展時(shí)，最大抓取重量11公斤，配有三個(gè)低照度CCD攝像機(jī)，可配置X光機(jī)組件（實(shí)時(shí)X光檢查或靜態(tài)圖片）、放射/化學(xué)物品探測(cè)器、霰彈槍等等。可用于排爆、核放射及生化場(chǎng)所的檢查及清理，處理有毒、有害物品，特警行動(dòng)和機(jī)場(chǎng)保安。中國也由類似的遙控機(jī)器人，例如RAPTOR排爆機(jī)器人，外形緊湊、堅(jiān)固可靠，可在會(huì)場(chǎng)過道、飛機(jī)機(jī)艙中自如活動(dòng)，在各種大型機(jī)器人無法進(jìn)入的狹窄環(huán)境中執(zhí)行任務(wù)。附加攝像機(jī)，喊話器，放射線探測(cè)器，毒品探測(cè)器，散彈槍，各種水炮槍，探照燈等；模塊化設(shè)計(jì)，所有部件可迅速拆裝；遙控/線控可選，遙控距離300 -500米，線控距離100米。該機(jī)器人重量達(dá)49kg(全配置)，最高速度20 米/ 分鐘（合12千米/小時(shí)），配備有3臺(tái)CCD攝像機(jī)，其中一臺(tái)具有10 倍光學(xué)變焦，可滿負(fù)荷連續(xù)工作 2 小時(shí)以上，4關(guān)節(jié)機(jī)械手抓持能力達(dá)5-15公斤。

本作品設(shè)計(jì)一個(gè)能夠在人工采用無線干預(yù)的方式下完成取物工作的機(jī)器人保姆。主要是通過檢測(cè)使用者手動(dòng)作時(shí)產(chǎn)生的肌電信號(hào)以及手指運(yùn)動(dòng)情況來控制該機(jī)器人保姆，使該機(jī)器人保姆幫助使用者去遠(yuǎn)處（使用者視野不能達(dá)到的80M范圍內(nèi)）提取某些物品，然后在不需要使用者再次控制的條件下機(jī)器人保姆能夠?qū)⑺〉奈矬w自主地運(yùn)送回原出發(fā)地，交給使用者。在前往目的地時(shí)使用者可以通過機(jī)器人保姆的無線視頻功能對(duì)機(jī)器人保姆的運(yùn)行情況以及機(jī)器人周圍環(huán)境信息進(jìn)行監(jiān)視。

本作品采用模塊化設(shè)計(jì)思想，按照本設(shè)計(jì)主體部分可以分為三大部分：肌電信號(hào)檢測(cè)識(shí)別、無線通信設(shè)計(jì)、智能機(jī)器人設(shè)計(jì)。

1. 肌電信號(hào)檢測(cè)識(shí)別

該部分主要是通過采集人手動(dòng)作時(shí)手臂表皮勢(shì)電信號(hào)，通過信號(hào)放大以及控制算法的處理，將檢測(cè)到的信號(hào)進(jìn)行相關(guān)處理，最后得出人手相應(yīng)的動(dòng)作。主要是涉及到的技術(shù)有微弱信號(hào)檢測(cè)、微弱信號(hào)放大、數(shù)據(jù)信息處理等技術(shù)。

2. 無線通信設(shè)計(jì)

該部分主要是通過無線傳輸來實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與智能機(jī)器人之間的數(shù)據(jù)交流——上位機(jī)的控制命令的發(fā)出，智能機(jī)器人視頻信息的上傳等。主要是涉及技術(shù)有無線通信電路設(shè)計(jì)、無線視頻傳輸設(shè)計(jì)等。

3. 智能機(jī)器人

該部分主要是通過一個(gè)機(jī)器人的機(jī)械手臂能夠在上位機(jī)的控制下完成取物操作，完成取物操作后，能夠自主的返回到出發(fā)點(diǎn)，這過程中需要改機(jī)器人具備自主避障、視頻信號(hào)的無線傳輸、記憶運(yùn)動(dòng)軌跡等功能。

總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示：

圖6 信號(hào)采集軟件流程圖

在本設(shè)計(jì)中，無線通信分為兩個(gè)部分，一個(gè)部分是數(shù)據(jù)信號(hào)（控制命令）通信，一個(gè)是視頻通信。數(shù)據(jù)通訊模塊采用APC220多通道微功率嵌入式無線數(shù)傳模塊，該模塊是高度集成半雙工微功率無線數(shù)據(jù)傳輸模塊，其嵌入高速單片機(jī)和高性能射頻芯片。創(chuàng)新的采用高效的循環(huán)交織糾檢錯(cuò)編碼，抗干擾和靈敏度都大大提高，最大可以糾24bits連續(xù)突發(fā)錯(cuò)誤，達(dá)到業(yè)內(nèi)的領(lǐng)先水平。視頻通信采用2．4GHz 無線音視頻模塊，2．4GHz和433MHz一樣是一個(gè)公共頻道，主要是開放給工業(yè)，科學(xué)、醫(yī)學(xué)三個(gè)主要機(jī)構(gòu)使用，不需授權(quán)即可使用，2.4GHz技術(shù)空中通信速率快，可達(dá)到2M/S，能滿足視頻傳輸對(duì)傳輸速率的要求，在本設(shè)計(jì)中，攝像頭采用普通的CCD倒車?yán)走_(dá)攝像頭，水平成像角度為150度，攝像頭輸出的是標(biāo)準(zhǔn)的AV制式的信號(hào)，該信號(hào)直接連入視頻發(fā)射模塊，整個(gè)部分沒有和單片機(jī)相連接，這樣即使單片機(jī)在使用過程中出現(xiàn)問題，系統(tǒng)也能繼續(xù)傳輸圖像。

該部分都是采用現(xiàn)成模塊而設(shè)計(jì)的，這樣使用方便，而且穩(wěn)定可靠。在軟件設(shè)計(jì)上只需要對(duì)數(shù)據(jù)通信部分進(jìn)行簡(jiǎn)單操作即可完成。

智能機(jī)器人的硬件主要設(shè)計(jì)部分在于機(jī)械手臂與攝像頭的設(shè)計(jì)，其軟件設(shè)計(jì)主要是遙控器部分、攝像頭部分等的設(shè)計(jì)，下面主要來介紹著這幾部分的設(shè)計(jì)。

1）機(jī)械手硬件設(shè)計(jì)

機(jī)械手是本設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分，機(jī)械手要完成一個(gè)抓取動(dòng)作，需要有多個(gè)關(guān)節(jié)和一個(gè)可控制的夾持器，在機(jī)械手的關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)上，模仿了人的手臂的工作方式，機(jī)械手有三個(gè)關(guān)節(jié)分別對(duì)應(yīng)肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、腕關(guān)節(jié)，其中肩關(guān)節(jié)使用一個(gè)金屬齒輪舵機(jī)和一個(gè)塑料舵機(jī)分別控制機(jī)械手的兩個(gè)自由度，肘關(guān)節(jié)使用一個(gè)金屬齒輪舵機(jī)控制一個(gè)自由度，腕關(guān)節(jié)使用兩個(gè)塑料舵機(jī)控制一個(gè)自由度和一個(gè)夾持動(dòng)作。這五個(gè)舵機(jī)能在信號(hào)的作用下，同時(shí)協(xié)同工作，完成爪持的動(dòng)作。所有關(guān)節(jié)與水平面成垂直關(guān)系時(shí)，安裝時(shí)定義為舵機(jī)的零角度附近，這樣每一個(gè)關(guān)節(jié)都能執(zhí)行±90°的運(yùn)動(dòng)，關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)關(guān)系和對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖7所示。

圖7 機(jī)械手設(shè)計(jì)示意圖

2）機(jī)械手的控制部分設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用的是舵機(jī)來控制，舵機(jī)的工作原理是控制電路板接受來自信號(hào)線的控制信號(hào)，控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)帶動(dòng)一系列齒輪組，減速后傳動(dòng)至輸出舵盤。舵機(jī)的輸出軸和位置反饋電位器是相連的，舵盤轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)，帶動(dòng)位置反饋電位器，電位器將輸出一個(gè)電壓信號(hào)到控制電路板，進(jìn)行反饋，然后控制電路板根據(jù)所在位置決定電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向和速度，從而達(dá)到目標(biāo)角度后停止，這樣，實(shí)現(xiàn)了舵機(jī)角度的閉環(huán)控制。舵機(jī)的輸入線共有三條，紅色中間，是電源線，一邊黑色的是地線，這輛根線給舵機(jī)提供最基本的能源保證，舵機(jī)的第三根線是信號(hào)線，本設(shè)計(jì)中用到的舵機(jī)控線為白色或者黃色，舵機(jī)的控制信號(hào)時(shí)基脈沖周期是20ms的脈寬調(diào)制（PWM）信號(hào)，其中脈沖寬度從0.5ms到2.5ms，相對(duì)應(yīng)舵盤的位置為0－180度，呈線性變化，其對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖8所示。

圖8 舵機(jī)輸出角度與脈沖周期關(guān)系圖

3）機(jī)械手電路設(shè)計(jì)
采用的是當(dāng)機(jī)械手舵機(jī)在工作時(shí)，需要5V供電電壓，同時(shí)工作的電流大概是2~3A，在

圖9 機(jī)械手電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中，使用的電池是12V的硫酸鉛蓄電池，為了滿足供電的需要，設(shè)計(jì)中采用5個(gè)KIA7805芯片將12V的電壓轉(zhuǎn)換為5V的電壓，分別為5個(gè)舵機(jī)供電。電路原理圖如圖9。