基于ARM的危险品搬运机器人的设计与实现

随着科学技术的发展，自动化，智能化的程度进一步得到了提高，新一代搬运车的研发在国内外受到越来越多的重视。由于有一些物品具有很高的危险性，不能用人工直接进行搬运，我们设计实现了危险物品搬运机器人系统。可以运用手动控制机器人的搬运，避免了人与危险物品的直接接触，适用于搬运有毒、易爆的物品，在实际应用中很有意义。如果能够用智能化机器人系统来替代人来到危险区的话，那样将会大大减少许多事故的发生。

1 搬运机器人系统的功能需求

该系统分为两部分：车载远端控制系统和监控平台。车载远端控制系统根据监控平台发出的控制指令执行动作，并将采集到的实时视频图像发回监控平台;监控平台则不断接收车载远端控制系统发回的图像和信息，根据情况遥控操作机器人，实现主从式遥控操作。该系统的设计具有以下的功能：

1)具有轮式行走机构，控制性能好，灵活机动，速度快，平稳，可靠性高;

2)具有视频监控的功能，能过看到周围的环境;

3)具有灵恬的机械手，平稳而快速地夹持危险品并搬运至指定位置。

根据危险物品搬运机器人功能需求的特点可以归纳出该系统的性能需求主要包括：

1)机器人直线行走和转弯行走;

2)USB摄像头采集图像;

3)机械臂带云台，转动范围180度;

4)AS-6DOFB型六自由度机械臂，用来抓取物品。

该系统以ARM处理器S3C6410为核心，选用6410开发板作为主板。各个模块都是由开发板控制。机器人主要由硬件系统和软件系统构成。硬件系统主要包括：ARM处理器、外围接口电路、六自由度机械臂、摄像头、小车车体以及电源等，其中ARM处理器核心;软件包括：嵌入式LINUX操作系统、外设驱动程序、LINUX应用程序等。该系统的工作流程为：机器人通过人的控制前后移动，当摄像头看到前方有危险物品时，机器人通过控制机械手对危险物品进行搬运。

根据实际情况，本系统实现了以下模块，如图1所示。

1)机器人控制：主要由电机的开关控制，电机转向控制，电机转速控制组合起来的。

2)视频监控：主要由视频开关控制，设置视频图像属性，获取视频图像属性，视频图像数据传送组成的。

3)机械臂控制：由机械臂转向，机械手张开闭合控制所控制的。

2 搬运机器人系统的硬件设计

2.1 系统的总体硬件设计

S3C6410是一个16/32位RISC微处理器，旨在提供一个具有成本效益、功耗低，性能高的应用处理器解决方案，采用了64/32位内部总线架构。危险物品搬运机器人的系统硬件框图如图2所示，摄像头负责进行图像采集，经过USB集线器传到6410处理器，中央控制器6410控制机械臂的运动，直流电机正反转向，从而控制机器人行走。

2. 2 直流电机驱动模块

驱动板主要采用了双Ha桥直流电机驱动芯片，我们采用ST公司的L298N典型双H桥直流电机驱动芯片，用于驱动直流电机或双极性步进电机驱动电路芯片外围电路主要用由二极管构成的电桥电路，两组电机并联而成。

机器人通过采用L298N芯片驱动进行移动，红绿端子分别为左右两边直流减速电机接线座;EA、I1、I2与EB、I3、I4分别为控制信号输入接口，其中EA与EB分别是左右两路电机控制接口使能端，高电平有效，可用于PWM调速。表1为接口使用真值表，输入信号不同，对应电机运转状态不同。

这里EA、I1、I2控制左电机，EB、I3、I4控制右电机，EA、EB为PWM调速接口，加给高电平为全速。此处接口为单路四线两相步进电机接口，同时也可以驱动2路直流减速电机。

2.3 机械臂

为保证机器人工作的灵活性，机械手设计为由腰身、大臂、小臂、手爪组成，共具有3个关节(腰身-大臂、大臂-小臂、小臂-手爪)7个自由度(腰身1dof，大臂1dof，小臂1dof，手腕4dof)。其中：腰身——1自由度，做旋转运动。固定安装在机器人车底盘上，以车体正前方为基准，可分别向左右旋转135°，两端各有限位装置以避免自体碰撞。由液压控制运动，在底部装有电位计反馈准确位置以保证控制精度;大臂和小臂——各1自由度，分别相对于上级关节做上下运动，以车体水平面为基准，大臂可向上运动45°、向下运动30°，小臂可向上运动25°、向下运动60°。由液压控制运动，用电位计回馈，保证关节位置准确;手爪——4自由度，分别做上下摆动、旋转、伸缩、夹持运动，以小臂延长线为基准，手爪可上下摆动±90°，又可以小臂为基准轴旋转±180°，伸1米，采用伺服电机提供动力，通过减速箱减速保证功率需求，由伺服电机控制器控制。有编码盘反馈，保证位置准确。腰身，大小臂液压回路有压力传感器保护。油压有稳定装置。

2.4 摄像头模块

在视频采集服务器端，接受视频图像属性参数，设置视频采集设备。返回视频设备信息嵌入式嵌入式系统建立起来之后，就可以利用嵌入式操作系统内核提供的接口来开发视频监控软件模块了。它整体运行在服务器端，可以在没有外接网络的条件下独立运行。本模块实现了视频的采集、播放等功能，客户端与服务器端的数据交互如图3所示。

3 搬运机器人系统的软件设计

3.1 服务器端软件设计

服务器端的软件运行状态图如图4所示，开始进入服务器端，当无命令进入时，为循环等待状态，等待接受命令;当接收到命令时，判断是控制电机还是控制摄像头命令：当控制电机状态，判断为控制机器人还是机械臂;如果是控制机器人，则机器人循环等待控制命令，如果是控制机械臂，则机械臂循环等待控制命令。如果是控制摄像头命令，则进行图像、视频传输;当接收到退出进入服务器状态命令时，退出服务器运行状态。