智能机器人手臂控制系统

　　引言机器人诞生于20世纪，发展比较快，而且应用极其广泛，应用于抗震救灾，机械加工生产，科学研究，国防中，对人们的生产生活起到了巨大的影响，在生活与生产中早就成为了必不可少的生产力，加快了人类的进步和社会的发展，促进了国家先进生产力的提高，智能机器人越来越成为机器人制造的主流，采用无线传播系统，超声波传感测距，无线技术传播系统，能够使机器人更加先进，越来越容易被人们应用，对生产起到很大的促进作用。

　　1履带式移动机器人总体设计

　　1.1履带式移动机器人的运动机构设计

　　履带机器人的运动机构由履带式移动机构和五自由度机械臂两部分组成。履带式移动机构由两台步进电机分别驱动两条履带。五自由度机械臂由大臂、小臂及手腕构成，所有关节都由步进电机经谐波减速器进行驱动。两自由度云台安装在机械臂上，云台上的摄像机可完成全方位图像采集作业。

　　1.2履带式移动机器人的控制系统总体设计

　　该机器人的体系结构采用模块化结构，各个模块都是相对独立的运行，协调工作。

　　其中机器人微控制器系统主要是由多个单片机控制器组成，它们负责完成传感器的信息采集、电机控制以及与遥控计算机的通讯三大任务。机器人的运动控制及执行机构系统是机器人的动作执行部分，具体完成机器人的各个动作，如前进、后退、转弯等。

　　2履带式移动机器人的硬件设计

　　2.1移动机器人的微控制系统设计

　　机器人是由一个5自由度的关节式机械手和一个2自由度的履带组成，采用两级单片机控制，5个从单片机分别控制5个步进电机，作为关节控制驱动系统，接受主单片机的指令并执行指令，实现对各关节的运动控制等功能。同时两履带的两个步进电机需要两个从单片机控制，接受主单片机的指令，实现履带车转弯前进或后退等功能。从单片机还会接收极限位置传感器的信号，保证各驱动部件的运动在规定范围。

　　2.2履带式移动机器人的超声波感知模块设计

　　超声波传感器具有成本低廉，采集信息速率快，距离分辨率高，质量轻、体积小、易于装卸等优点。并且超声波传感器在采集环境信息时不存在复杂的图像匹配技术，不需要通过大量的计算获得距离数据，因此其测距速度快，实时性好。超声波传感器测距模块的设计

　　超声波传感器系统主要由超声波发生电路、超声波接收电路等模块组成，整个系统主要是由主单片机来控制，从而完成超声波信号的发射与接收。另外本系统设有接近开关，接近开关的触发响应以及移动机器人发出紧急停车信号、控制通讯等功能也都是通过主单片机SPCE061A来完成的，在移动机器人中，SPCE061A的UART编程设置是可编程控制的接口，通过编程控制设置通信方式、校验方式、波特率等[1]。为了对环境有充分的了解，获取足够的环境信息，建立有效的环境模型，必须采用多个传感器组成机器人的感知系统。该履带式移动机器人拟配备10个超声传感器，在机器人的前进方向按照15度的间隔配置7个，覆盖前方105度的区域，另外三个分别安装在正左方、正右方及正后方，可以用来探测穿过狭窄通道时的环境信息。激发换能器产生超声波信号[2]。

　　这套遥控系统由遥控计算机、移动机器人、数据无线通信系统，图像无线传输系统组成。图像无线传输系统将移动机器人前方的摄像头图像传输到遥控计算机上，合成立体图像，提供给操作者分析。数据无线通信系统负责在移动机器人和遥控计算机之间传递移动机器人的状态参数以及控制命令。

　　2.3数据无线通信系统设计

　　数据无线通信系统实现了遥控计算机和机器人双向数据交换。无线数据收发模块采用基于nRF401无线通信单片机的PTR2000微小型、低功耗、高速率19.2K无线收发数传MODEM。

　　首先处于发射端的遥控计算机串行口RTS产生高电平，经过MAX232电平转换（将RS232电平转换成TTL电平），使PTR2000（1）的TXEN引脚置1，进入发射模式。接着由计算机串口TXD将控制指令按照一定的协议，经过电平转换，最后由无线通信模块DI端接入并发射。发射端的电平转换模块和PTR2000模块的电源为普通干电池组，因为开关电源会引起乱码和传送距离缩短。处于接收端的PTR2000（2）模块处于接收模式。收到信号后，PTR2000（2）模块通过DO引脚，将信号引入单片机SPCE061A的IOB7。主单片机是机器人控制单元与通信模块PTR2000（2）的过渡部分。它负责将信号通过串口接收，从中提取控制命令及参数，最后控制各单元。数据无线通讯系统。图像无线传输系统及立体视频显示设计

　　图像无线传输系统是遥控系统中的重要模块，为操作人员提供可靠的视觉信息，我们采用了西安504所的MTVT-91G微波开路电视传输系统，此系统利用卫星通讯传输技术开发。履带式移动机器人控制系统软件设计

　　履带式移动机器人控制系统的软件编制主要是主单片机控制系统的编制。主要包括：主单片机与无线通信模块的通讯程序设计，主从单片机之间的多机通信程序设计以及超声波传感模块的程序设计。

　　2.4主单片机与无线通信模块串行通讯程序设计

　　主单片机SPCE061A通过自带的通用串行异步收发器（UART）和无线传输模块PTR2000完成与遥控计算机的通信。串行通信可分为异步传送方式和同步传送方式。在此，采用单片机的异步通信方式。

　　2.5通讯程序的设计

　　主单片SPCE061A与无线传输模块PTR2000的通信程序主要包括：主单片机SPCE061A的主程序和收发中断子程序。机器人串行通讯收发编程

　　PTR2000模块与单片机的连接中，PTR2000模块的D0和DI分别与单片机RxD（IOB1）和TxD（IOB0）连接。单片机可直接通过将IOB8位置1或置0而将无线收发模块置于发射或接收状态.PTR2000的Pin6（PWR）与SPCE061A的IOB6相连，PTR2000的Pin7（TXEN）与SPCE061A的IOB8相连，CS直接接地。

　　2.6超声波感知系统软件设计

　　该超声波感知系统软件主要由主程序、中断服务程序和串行通讯程序等三部分组成。串行通讯程序在上节中己经介绍过，在此主要对系统软件的主程序进行详细的介绍。

　　3.结论

　　本文设计的履带式移动机器人采用了主从式控制系统结构，而且主单片机采用了目前性价比较高的凌阳16位单片机，相比于常用的8位单片机，16位单片机具有更快速的数据处理速度。机器人通过无线传输模块与遥控计算机进行通信，相比于仅仅用单片机控制的机器人该机器人能够利用遥控计算机的强大功能完成大量复杂的控制分析功能。而且无线传输系统使得该机器人能够有很大的工作空间。特别地，论文所采用的凌阳SPCE061A单片机相比于传统16位单片机具有更多的功能模块。

　　从经济性考虑，它能够在一些人类无法适应或者危险的工作条件下在遥控计算机的控制下完成工作任务。由于该机器人的机械手臂具有足够的自由度和转动角度，所以即使在恶劣的工作环境下也同样能够精确灵活的完成相应动作。该机器人以其灵活性和精确性能够有效的解决工作中的实际问题，在提高工作效率，减少原料浪费，保护劳动者安全等方面具有重大意义。作者：张鑫，李晋，李苗