多功能可移动机械臂平台的研制

黄 尧

（陆军工程大学（石家庄校区）火炮工程系， 河北 石家庄 050065）

引言

基于即时地图构建技术（SLAM）与远程控制图像回传技术（SSH）的多功能可移动机械臂平台，可以利用安装在底部的360°激光扫描测距雷达在复杂的环境下将地图实施构建出来，并精确显示可移动机械臂平台的方向与位置。利用在Ubuntu16.04环境下的安全外壳协议（SSH）可以进行远程控制平台与机械臂的活动并进行实时图像回传。

1 研制背景

随着高科技技术的发展，机器人越来越广泛地被应用于各行各业，如工业机器人，搬运机器人。而像排爆机器人、侦查机器人等也被大量的应用在军事领域，但是基于深度学习的智能机器人仍然处在初级阶段。为此我们基于即时定位与地图构建技术（SLAM）和在安全外壳协议（SSH）的远程控制与数据回传技术，研发了即时地图构建与远程控制与图像回传技术的多功能可移动机械臂平台。

2 技术实现

2.1 设计思路

本成果以树莓派3b为上位机进行开发，移动平台系统使用了树莓派Ubuntu mate 16.04，远程控制系统使用了在VMware Workstation Pro虚拟机环境下的Ubuntu16.04操作系统。上位机主体结构见表1。

下位机使用了3个基于STM32F103芯片控制的可编程模块（分别为底盘模块、避障测距模块、机械臂控制模块），和一个基于STM32F767的机器视觉摄像头[1]。

2.2 技术路线

多功能可移动机械臂平台的技术路线见图1。

表1 主体结构

图1 技术路线

2.3 功能介绍

实时构建出的3D地图并显示其测算方向、行动轨迹，见下页图2；机械臂平台数据实时回传；图像回传到电脑并远程编程；远程动态调试PID；还具有颜色识别，位置识别等功能[2]。

3 作品说明

3.1 开发环境

开发环境：Windows10,Ubuntu16.04。开发工具与程序编译软件：KEIL4.72。

图2 实时构建出的3D地图并显示行动轨迹

下载器：Jink。机械三维图绘制：UG6.0、solidwork2016。

3.2 使用说明

1）打开电脑端的虚拟机，启动Ubuntu16.04系统；

2）将虚拟机与树莓派连接到同一个网络，在虚拟机端通过SSH与VNC远程控制树莓派；

3）打开rqt工具，调节PID参数；

4）打开RIVZ，将树莓派回传的数据构建成为可视化地图。

4 创新点及应用

4.1 创新点

本成果采用模块化设计，各部分独立控制，以树莓派为上位机，控制多个STM32模块进行闭环控制，降低设备成本，便于升级改进。根据现实需要，进行相应模块的编程。模块化设计极大地利用了各语言之间的优势，减少了单个芯片的工作负荷，缩短了研发周期。创新点主要有如下几点：将机械臂搬到了可移动平台上，并利用SLAM进行实时地图构建；利用Python编程进行图像识别并回传给虚拟机；利用Linux环境下的SSH进行远程控制和图像数据回传；利用RIVZ将构建的地图可视化[3]。

4.2 应用情况

在民用领域，目前SLAM技术在家庭中仅仅只是应用在扫地机器人上和普通的服务机器人。扫地机器人无法完全发挥SLAM的潜力，在加入了机械臂之后，可以利用扩展模块让机器人扩展无穷的功能，比如通过语音识别让机器人将一个物体从一个房间搬到另一个房间、通过GPS模块搜索一个广大的区域，并将目标物体带回。

在军事领域，SLAM技术应用尚处于初级阶段。在巷战，丛林战等复杂环境下，普通的军用机器人无法应对复杂多变的战场环境。但在加入了SLAM技术之后，机器人可以对部分环境做出相应的判断，极大的减轻了操作人员的负担，使操作人员可以将精力更多放在机械臂和其上安装的模块，比如自动步枪、激光定位器等。