傅晓平 陈建国

摘 要：随着机器人在各领域的发展，小型防爆机器人在快速侦测、排除公共场所可疑危险品等优势逐渐显现。文中对小型防爆机器人的工作原理进行了研究，提出了通过远程图传及无线摇杆控制器，能够在远处观测现场情况，并操作摇杆控制机器人执行动作指令，完成排险和防爆任务的系统设计。系统主要由双履带底盘、双机械臂、云台、主控模块和多种辅助传感器构成。

关键词：STM32F03ZET6控制器；双机械臂；防爆机器人；图传

中图分类号：TP39；TM50 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2018）09-00-04

0 引 言

二十一世纪以来，随着智能科技在国民经济各领域的发展，智能机器人[1]的发展也随之取得了长足进步，智能机器人的应用领域也不断扩展，人们希望机器人能够灵活地适应各种工作环境，完成更多复杂任务。可远程监视及操控的机器人具有优越的机动性和灵活性，在实际中得到了广泛应用[2-3]，如公共场所、交通、医疗、军事等领域。本文涉及的可远程监视及操控的移动机器人为保证公共场所安全执行巡逻、排险、防爆等任务，具有重要的社会作用。

1 小型防爆机器人系统整体设计

系统整体设计如图1所示。

2 双履带底盘设计

考虑到小型防爆机器人所面临的排爆环境因素较为复杂，因而对移动平台有多方面的要求，包括越障能力、地形适应能力、转弯效率、载重能力等。对比常用的三种底盘，轮式底盘、履带底盘和腿式底盘，综合三者的优缺点和对公共场所的适应性，本系统选择双履带式底盘。

由于本系统使用的模块较多，质量较重，因此底盘的刚性要强，否则易造成车辆变形，影响机器人行走。因而双履带式底座在整体结构上采用仿坦克型，材料上兼顾机器人的轻便性，与电机固定的底板承受着整个机器人的重量，材质为不锈钢，上部的盖板主要承受机械臂和云台的重量，材质为8 mm厚的亚克力板。

3 双机械臂设计

3.1 双机械臂机构

机械臂是小型防爆机器人的重要外设，承担着抓取、搬运、放下等动作任务。因而要求机械臂具有机构比例适当、可活动的关节和可靠的抓取装置。对比单只机械手和多只机械手的优缺点，虽然多只机械手在机构上更加复杂、控制更加困难，但多只机械手可协同作业使操作性更加灵活，操作空间范围更广，更符合执行多样性任务的小型防爆機器人的要求。同时自由度对机械臂的动作执行效果影响较大，自由度较少时，机械臂能够执行的动作较少、灵活性差，但其结构简单，可靠性强；自由度较多时，机械臂能够执行的动作较多，灵活性好，但其结构复杂，可靠性差。

本系统采用两个自由度为5的机械臂，并各配有一个机械爪，整体较灵活，如图2所示。

其中双机械臂中主要使用了数字舵机作为动力来源。数字舵机在体积和质量上优于步进电机，更适合小型机械装置，只需PWM信号就可完成精确控制。同时为了减轻机械臂的重量，关节连接件均选用铝材料。

3.2 双机械臂的控制

为提高系统指令的响应速度和使机械臂模块化，运用舵机控制板控制机械臂上的数字舵机，分担主控STM32处理器的处理的数据量。舵机控制板以微型控制器STM32F03VET6为核心，通过USART与主控板通信，输出PWM信号给数字舵机，最多可同时控制24个数字舵机。

3.3 双机械臂性运动学分析

机器人操作手通常为开链空间连杆机构，各杆件间通常由转动副和移动副相连接。开链一段安装在基座上，另一端为末端执行器。各关节由驱动器驱动，关节的相对运动引起连杆的运动，进而确定末端执行器在空间的位置和姿态。齐次坐标和齐次变换是解决机器人操作手运动学的常用数学

工具[4]。

采用齐次坐标和齐次变换分析，首先列出单只机械臂结构参数表，见表1所列。

运用Matlab软件，将表1中的数据带入程序中，可得双机械臂的工作空间[5]。两个单独机械臂工作空间重叠部分，为双机械臂的协作空间。云空间及投影如图3-图6

所示。

4 云台及图传设计

云台及图传如同小型防爆机器人的眼睛，需采集现场画面信息并通过无线传输给操作人员，因此云台结构以能够提供更多视觉角度为设计原则。

云台模块由三个数字舵机和直流推杆组成，并配有舵机控制板，使用统一的串口通信格式与主控模块通信，从而控制云台。云台的直流推杆可调节云台的高度，使得小型防爆机器人能从较高处采集视觉信息，避免因高大的障碍物遮挡而无法观测。云台的最顶端配有图传模块和灯光补偿装置，使机器人可在不同环境下从更多角度采集视频信息。

图传模块由摄像机、图传发射机和视频接收器组成。摄像机输出AV信号给图传发射机，图传发射机通过无线传输给视频接收机，视频接收机接收数据并解析，从而完成图像传输。摄像机选用的是具有F2.8光圈和155°超广角小蚁运动摄像机，能够提供更优质的图像信息。图传发射机选用奥姆威5.8 G图传发射机，发射频率为5.8 GHz，四级可调功率，具有40个可调频道。视频接收器选用7寸内置5.8双路接收一体机显示器，分辨率为800×480。

灯光补偿装置选用四个功率为2 W的高亮LED灯组成的LED灯模块。主控模块可以输出的控制信号通过L298N驱动电路，来控制LED灯的开关，为小型防爆机器人提供灯光补偿。

5 主控模块与辅助传感器

机器人主控模块采用微型控制器STM32F03 ZET6。STM32系列微控制器是由意法半导体公司以ARM Cortex-M3为内核开发生产的32位微控制器，专为高性能、低成本的嵌入式应用设计。STM32F03ZET6为“增强型”系列，最高工作频率为72 MHz，内置高速存储器（最高可达512 kB的闪存和64 kB的SRAM），拥有丰富的外设资源，12通道的DMA控制器、16通道的A/D转换器、最高达112个快速I/O口（I/O口翻转速度可达18 MHz）和11个定时器等，还具有多个通信接口方便与外接模块通信[6]。开发人员可在Keil软件上编译好程序，通过下载器下载到芯片中，完成在线调试。

主控模块通过通信指令控制辅助传感器采集和发送数据，从而使小型防爆机器人能够完成周围环境信息采集，接受数据并将信息回传摇杆控制器。主要的辅助传感器包括无线通信模块、GPS模块和电子罗盘模块。

GPS的作用在于能够获取小型防爆机器人的室外定位信息，操作人员能实时了解小型防爆机器人所处的位置。GPS模块使用U-BLOX公司生产的以NEO-7N为内核的卫星定位器，最高定位精度为2.5 m。模块上搭载微处理器，可解析GPS模块中的原始数据，并通过串口将定位信息传到主控模块。

电子罗盘模块采用体积小、功耗小的AHRS模块GY953，将得到的三轴陀螺仪、三轴加速度计和三轴磁力计的数据利用四元数进行互补融合，解算出姿态角[7]，从而得到小型防爆机器人姿态数据。其中的融合算法运算量较大，占用的CPU资源较多，因而由配有的微处理器处理，将数据结果通过串口传回主控模块。使用额外处理器能够大大节省主控模块的CPU资源，从而加快整个系统的响应速度[8]。

无线通信模块采用的是SX1278/76射频模块，通信方式为USART串行接口。射频模块功率为1 W（30 dBm），SX1278/SX1276芯片方案采用先进的LoRa扩频技术[9]，通信距离为8 000 m，抗干扰能力强。在地域复杂的情况下，保证通过摇杆控制器能对小型防爆机器人平台进行有效控制。

串口通信[10]是一种常见的数据通信方式。串口通信按位发送和接收字节，仅使用3条线TX，RX和地线，并在微处理器中进行简单的初始化配置，就可完成数据传输。本系统中无线通信模块与主控模块之间的串口通信，采用的是半双工单线通信方式，波特率为9 600 b/s。

6 软件设计

小型防爆机器人平台的程序流程如图7所示。系统通电后，各模块初始化。若有模塊初始化不成功，蜂鸣器响起，提示操作人员。各模块初始化后，系统进入循环，依次读取通信模块的数据、模块数据，对通信数据包进行解析，判断通信数据包是否正确。若数据正确，刷新所显示的通信数据，否则LED闪烁，重新读取数据。当通信数据正确，将它模块数据比较，确定系统是否可执行，防止操作人员误操作，保证系统的可靠性。若可操作，则执行并读取执行指令后的模块数据，再发送模块数据，否则直接发送模块数据，进入下一个循环。

摇杆控制器的程序流程如图8所示。系统通电后，各模块初始化，判断各模块初始化是否成功，若初始化成功，则进入循环，否则蜂鸣器响起，提醒操作人员。依次读取遥感数据、编码遥感数据、发送遥感数据，刷新所显示的遥感数据。再读取通信模块数据，判断通信模块数据是否正确，若数据正确，则刷新所显示的通信模块数据进入下一个循环，否则LED闪烁，重新开始读取数据。

7 结 语

通过对小型防爆机器人机械结构、控制系统的软硬件设计，制作出一台可通过远程图传及无线摇杆进行控制的小型防爆机器人，如图9所示。通过屏幕观测远处的现场情况，操作摇杆控制机器人完成各种动作，实现在公共场所活动中，帮助安保人员执行巡逻、排险、防爆等任务，具有广范的应用价值和前景。

参考文献

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