遥操作机器人平台及其技术的实现

张静

摘 要：近年来，机器人开始应用于各行各业，比如工业、国防和餐饮行业，而遥操作机器人因其可应用于危险环境下的各种作业，比如太空探索、远程教育等，成为了各国专家研究的热点。因此，对遥操作机器人平台和相应技术进行了研究。

关键词：遥操作机器人；Internet；Web浏览器；传感器

中图分类号：TP242 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.06.088

机器人的研究是人类历史上的一大变革，它代替了一部分人工劳动，提高了生产的效率和精度，在航空航天、工业生产和餐饮等方面都得到了广泛应用。机器人不仅可以进行远程操作，也可以执行危险任务。随着智能和反馈控制技术的不断应用和发展，机器人在日常生活、生产中将发挥更加重要的作用。因此，本文对遥操作机器人平台及其技术进行了探讨。

1 遥操作机器人平台研究方案

遥操作机器人平台可分为2种，即基于Internet的双向力反馈遥操作机器人系统和基于Web浏览器的系统。其中，基于Web浏览器的遥操作机器人系统又可分为智能型和轮式型。就目前而言，遥操作机器人已经在多个领域得到了广泛应用，比如在化工领域，轮式机器人得到了充分应用，主要用于检测场内的有毒、有害气体的泄漏情况。轮式机器人具体的操作过程为：在轮式机器人上配有红外设备、气体和超声传感器，当进入检测范围时，自身的传感器等设备将检测到的信息和相应的视频信息会从无线网络传到控制端口，再在控制端口上显示相应的信息，操作人员根据传回的信息辨识，并根据实时情况，对机器人进行相关的指令控制，以完成必要的工作。针对以上功能要求，可采用遥操作机器人平台方案。

遥操作机器人平台是一种通过各种传感器系统对外界环境的变化做出自主导航的一系列任务的系统。但在自主应对复杂环境的过程中，需要多个特殊功能模块的相互配合和协调工作，比如电源、驱动设备、传感器模块和红外设备等。因此，在设计遥操作机器人时，需要考虑多方面的内容，其主要功能设计如下。

1.1 模块化设计

在选择模块化时，要遵循一定的模块化设计原则，要保证所选择模块的机械连接接口与输入、输出接口配套。因此，用户可以根据自己的需求进行相应组合，以实现不同的功能要求。

1.2 平台智能体的架构设计

该平台共有4层架构，分别是远程用户层、本地决策层、传感器决策层和运动执行层。远程用户层为个人计算机，可以通过编写监控端的应用程序实现实时控制，也可以通过基于USB的手柄实现对机器人的控制；本地决策层采用单片机控制系统，两者通过无线路由通信；传感器决策层包括气体传感器和超声红外传感器；运动执行层包括直流减速电机和舵机。

1.3 配件系统

该平台配有云台、变焦无线摄像头（可达到360°无死角）和无线以太网通讯系统等。但在配置云台时，要配置与其相适应的电源系统。

1.4 扩展功能

该平台在扩展功能方面不仅具有扩展空间、配件丰富等特点，而且在多路电子方面实现了数据的输入、输出、转换、数模和模数之间的转换等。因此，用户可以根据自己的需要选择相应的功能。

2 平台的总体结构和技术分析

遥操作机器人平台主要由电源、驱动设备模块、控制模块（驱动控制电路、本体驱动电机和视觉云台控制电机）、视觉模块（摄像头）、传感器模块（红外、超声等传感器）、通信模块和上位机模块等组成。

2.1 性能指标

机器人的主要参数为：外形尺寸500 mm×200 mm×190 mm，为了达到轻便、便于携带的目的，设计质量大约为10 kg，负载达20 kg；工作电压为12 VD，采用直流驱动，转速为100 r/min，减速比为60. 因此，遥操作机器人平台可应用于沙土地等环境，适应环境的能力较强。

2.2 电源和设备驱动模块

遥操作机器人平台配备了12 V/2 200 mA的动力锂电池，循环寿命>500次，可连续工作4～6 h。功率放大模块采用33886大功率电机驱动板，该高速光耦隔离的电机驱动器可实现双路刹车，支持50 k以上的PWM信号。信号畸变很小，可获得理想的上、下沿。采用双电源供应的方式，可实现电机功率电路与单片机控制电路实现电气上的完全隔离，具有较强的抗干扰能力，不会出现反脉冲冲击单片机电路等现象，适用于一些对电磁干扰要求较高的场合。

2.3 传感器模块

遥操作机器人平台配有超声波传感器、红外传感器，可进行导航避障；配有网络摄像头，像素为130万；配有检测氯气、氨气和混合可燃气体的气体传感器。

2.4 控制模块

控制模块可采用个人PC，ARM是单片机的最小系统。本设计方案采用由美国公司研发的一种新型S51系列的单片机，S51系列的单片机内部配有相应的程序存储器、数模转换模块和PWM等，不仅实现了多种功能的转换，而且其基本功能可与普通的51系列的单片机完全兼容。单片机可控制遥小车的前进、后退、左转和右转等运动，以及云台的俯仰和旋转运动。

2.5 视觉模块

视觉模块采用网络摄像头，采用可国际上比较知名的摄像头品牌AXIS，可以提供具有SVGA分辨率的优质图像，并可提供能针对宽带和存储效率单独进行优化的多个H.264和Motion JPEG流。视觉模块采用以太网供电，不需要提供电源电缆，从而降低了安装成本。像素计数器可进一步帮助安装人员确认物体像素分辨率是否满足法规或特定客户的要求。

2.6 通信处理模块

要想在网络通信方面具备一定的优势，就必须注意在通信处理模块方面进行良好的选择。就目前而言，通信方式大致分为面向连接和无连接两种方式。

本文在设计中采用了TCP/IP通信方式，这种方式的优点较多，比如其不仅可为用户提供安全、可靠的服务，而且具有数据的确认和重组功能，可保证数据传送的准确性。

参考文献

[1]王跃虎.基于虚拟现实的遥操作机器人研究[D].天津：河北工业大学，2006.

[2]刘曙光.基于Internet的遥操作机器人系统控制研究[D].西安：西北工业大学，2010.

〔编辑：张思楠〕