基于姿态库的危险品检测机械臂远程控制

郑育祥，许 旻，董二宝，李阳鸿

(中国科学技术大学工程科学学院精密机械与精密仪器系，安徽 合肥 230027)

0 引言

随着近现代工业技术的高速发展，很多探索工作和高危作业环境，人力往往无法直接到达，需要机器人代替人力进行远程作业。几十年来，国内外学者针对机器人的远程控制进行了广泛研究。

目前，主流的远程控制技术分为3类：主从式遥操作机器人方案，操作者通过操作主端机器人来控制从端机器人进行探索和作业任务[1-3]；人机遥操作方案，通过环境感知设备感知人体姿态变化来控制机器人[4]；远程上位机方案，上位机(遥控箱、遥控手柄、手机和平板等)在无线网络下与机器人实时通信控制[5-6]。

然而针对恐怖事件现场的危险品检测作业时，存在野外环境干扰以及远程操作的便携性，主从式遥操作和人机遥操作方案显然不适用于该场景；而远程上位机方案相比其他2种方案来说，其对于控制多自由度机械臂灵活性不高。而且在危险品检测作业中，往往需要针对危险品的特殊性，采用专门的姿态去采样，所以提出了一种基于姿态库的远程控制方法，压缩了操作时间，能更高效地完成检测作业。

1 机械臂远程控制系统构成

危险品检测机器人机械臂远程控制系统由六轮移动平台、机械臂、控制系统和末端检测装置等组成，如图1所示。

图1 面向警用无人平台的机械臂远程控制系统

六轮移动平台通过采用空心杯跨步驱动电机，集成扭杆悬架实现驱动悬架一体化，采用轮毂电机集成转向电机和盘式制动器实现轮边驱动、转向与制动一体化，联合轮步结合多自由度协调驱动控制方法，实现六轮驱动、全轮转向和轮步行走等功能。

机械臂安装在六轮移动平台顶面。通过MATLAB仿真优化设计连杆尺寸，采用机电一体化旋转关节模组设计协作型机械臂，能满足1.3 m的特殊作业工作空间需求及10 kg的负载需求。

如图2所示，整个控制系统采用上位机和下位机实时监控，上位机端采用的是PS2遥控手柄，应用2.4 GHz无线技术与下位机实时通信。下位机安装在六轮移动平台内部，主要由STM32核心板、EtherCAT通信模块、无线通信模块和电源稳压模块组成。其主要功能是解析上位机发送指令、机械臂正逆解运算、EtherCAT总线信息交互、姿态库控制、控制末端检测装置的固体和液体采集以及相关功能指令。

图2 下位机控制器模块连接关系

末端检测装置采用的是安徽芯核防务公司的模块化危险品检测设备，能实现固体和液体采集功能，安装于机械臂的末端工具法兰上。

2 机械臂运动学建模

考虑到姿态库控制中针对不同作业场景下的不同姿态，需要对其机械臂做正解和逆解控制。

首先，采用改进后D-H法建立机械臂模型，D-H参数如表1所示。

表1 机械臂D-H参数

2.1 运动学正解

应用改进的D-H模型可以得到机械臂连杆变换公式为

(1)

此模块实现教师信息的管理功能，此模块包括查询、新增、更新教师信息等功能操作。教师信息包含教师编号、教师姓名、学历、参加工作时间、职称、职务、资格证书、所属系部、专业领域、科研情况等相关信息。

(2)

2.2 运动学逆解

根据式(1)和式(2)，限定条件为机械臂各个关节的运动范围为[-π,π]，通过解析法，可以依次推导出各个关节角度的解[7]：

θ1=arctan(0P5y,0P5x)±

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

由此可以发现，对于机械臂工作空间中某一位姿，可能存在的逆解个数为

2θ1×2θ5×1θ6×2θ3×1θ2×1θ4=8

(9)

考虑机械臂碰撞和角度限制问题，通常选取基关节[θ1θ2θ3]角度空间最近点作为最优解，所以需要对求得的8组解比较角度空间距离，即

di=‖Φi-Φ0‖

(10)

Φ0=[θ10θ20θ30]为当前机械臂基关节角度向量；Φi=[θ1iθ2iθ3i]为第i组解基关节角度向量；di为第i组解的角度空间距离。

图3 下位机控制器程序流程

3 姿态库控制

针对危险品的特殊性，需要采用专门的姿态去采样，依据机械臂在移动平台的安装位置选取了几个常用的采样姿态，组成姿态库，如图4所示。

图4 姿态库

图4a为原点姿态：机械臂不工作时的姿态。保证其整体是收拢的，避免在移动平台行走时与其他物体碰撞。在每次完成作业时，需要机械臂回到原点姿态，即复位动作。

图4b为初始姿态：原点姿态与其他几个常用姿态的中间过渡姿态。保证其各姿态切换时的轨迹的安全性。

图4c ～图4g为方位姿态(左侧方、右侧方、正前方、上前方和下前方姿态)：针对采样目标在移动平台相应方位时设置的姿态。

预先示教好上述的各姿态，将多组姿态数据组成姿态库存储在下位机控制器里。在远程上位机只需要相应按键即可调用姿态库中相应姿态动作，当机械臂到达期望的方位姿态后，如果末端检测装置距离检测目标还存在着一段距离，可以通过上位机操作基坐标方向微动动作指令，到达期望的目标位置。具体操作流程如图5所示。

图5 检测操作流程

4 实验

实验分为无线通信实验和有无姿态库对比实验。

4.1 无线通信实验

在无线通信实验中，无线通信的有效距离定义为：从六轮移动平台的前端前进，当无线手柄和接收器的连接灯开始闪烁时，即表示通信断开，记录当前位置与下位机控制器之间的距离。

经过多次测试发现，在室内环境下当离下位机控制器10 m范围内，信号较强，通信实时性较高；而在室外环境下受干扰较多，在距离8 m范围内，能保持正常通信。无线遥控的距离取决于无线信号的覆盖范围，在实际应用中可采用远距离无线网桥的方案增加遥控距离。

4.2 有无姿态库对比实验

随机给定一个机械臂工作空间内的指定目标，用常规关节控制和姿态库控制2种方式控制机械臂到达指定目标位置，用电子秒表记录每次从原点位置到检测目标位置所用的时间。每组多次记录，取平均值。

本实验在空间中随机选取了10个点进行对比实验。实验控制过程如图6所示，在一块固定板上贴合了一个圆柱状红色标记物，作为目标点，可通过移动固定板和调整其高度，重新选取目标点。其中，箭头指向为指定目标点，每张图右下角为开始记录到当前的时间点。

图6 第1组连续抓拍

本实验的10组数据对比结果如图7所示。根据10组记录的时间结果对比发现，采用姿态库控制所用时间远小于常规关节控制所用的时间，可以验证基于姿态库的优异性，能减少远程控制机械臂到达目标的时间，提高效率。

图7 10组随机点2种控制所用时间对比

5 结束语

提出了一种基于姿态库的危险品检测机器人机械臂远程控制方法，设计了机械臂远程控制系统的整体架构方案，通过分析机械臂运动学，在下位机控制器建立机械臂正逆解模型；分析采样作业的几种常用姿态，建立了姿态库，实现了远程一键调用。通过实验发现，无线通信距离基本满足作业要求，但受室外干扰，通信距离影响较大。增加姿态库控制，可适用于危险品检测作业场景，可以降低无线通信被干扰的影响，有效地减少作业时间，验证本文方法的有效性。