基于RTX51的排爆機(jī)器人嵌入式控制器軟硬件開發(fā)

摘要：介紹遙操作排爆機(jī)器人pbj-1的嵌入式控制系統(tǒng)研制情況。敘述了利用rtx51開發(fā)排爆機(jī)器人嵌入式控制系統(tǒng)固件中的一些問題和解決辦法。實(shí)踐證明基于嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)rtx51開發(fā)工作于非結(jié)構(gòu)環(huán)境中的遙操作機(jī)器人控制系統(tǒng)可以有效地提高整個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)的性能及開發(fā)效率。 關(guān)鍵詞：排爆機(jī)器人 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) 微控制器 rtx51排爆機(jī)器人（eod robot）是一種遙操作地面移動(dòng)機(jī)器人，操作機(jī)主體一般是由一個(gè)機(jī)械手和一個(gè)可移動(dòng)平臺(tái)組成，主要用于拆除疑似爆炸物品，以減少作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)人員傷亡，是軍警部門必須裝備的設(shè)施。目前國際上主要流行美國remotec公司的andros系列排爆機(jī)器人、法國cybernetics公司研制的trs200中型排爆機(jī)器人等。但是國外的排爆機(jī)器人價(jià)格過高，出現(xiàn)故障后維修特別不方便。因此國家863專家組已經(jīng)將高性能排爆機(jī)器人的研發(fā)及國產(chǎn)化列入了重點(diǎn)支持的課題。由于種種原因，目前的排爆機(jī)器人很多只采用plc實(shí)現(xiàn)點(diǎn)動(dòng)控制，功能有限且操作性較差。研究高性能控制器成排爆、消防等各種遙操作地面移動(dòng)機(jī)器人的共同課題。利用先進(jìn)的嵌入式系統(tǒng)技術(shù)可以較好地解決這類問題。本文概述了上海交通大學(xué)機(jī)器人研究所研制的新型遙控移動(dòng)式排爆機(jī)器人pbj-1的嵌入式控制系統(tǒng)固件的情況。利用嵌入式系統(tǒng)技術(shù)開發(fā)適合排爆等各類遙控地面移動(dòng)機(jī)器人使用的嵌入式控制系統(tǒng)能夠解決上述種種矛盾。1 pbj-1功能介紹目前國示上比較流行的排爆機(jī)器人，都需要由經(jīng)過專門培訓(xùn)的操作人員通過操作一組分別控制機(jī)械臂上各個(gè)關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的按鍵控制，操作很不方便。操作人員需要根據(jù)狀況，判斷出需要機(jī)械手執(zhí)行的動(dòng)作，再經(jīng)過大腦的轉(zhuǎn)換，手工控制機(jī)械臂各個(gè)關(guān)節(jié)順序動(dòng)作，使機(jī)械手爪擬合出一條空間軌跡以完成作業(yè)，大大降低了工作效率。這類排爆機(jī)器人一般都需要大量的攝像機(jī)，隨時(shí)顯示爆炸物相對(duì)機(jī)械手爪的位置，以便操作人員決定下一步動(dòng)作。新型排機(jī)器爆人pbj-1為了使操作人員更加方便，在嵌入式控制器中嵌入式機(jī)器人運(yùn)行學(xué)運(yùn)算，能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)械臂的自主聯(lián)動(dòng)控制。操作者只要通過觀看控制箱上面的顯示器，直接操縱控制器命令機(jī)器人水平前、后或垂直上、下運(yùn)動(dòng)，機(jī)械臂可以實(shí)時(shí)進(jìn)行機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)運(yùn)算和分解運(yùn)行控制，控制機(jī)械手爪完成空間的直線擬合運(yùn)動(dòng)。這種操作方式略過了操作人員在大腦中進(jìn)行動(dòng)作轉(zhuǎn)換的步驟，大大方便了排爆這一高危險(xiǎn)性作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的作業(yè)。為了方便現(xiàn)場(chǎng)操作，在其嵌入式控制器系統(tǒng)中還加入了機(jī)器人的一些半自主動(dòng)作功能。例如當(dāng)機(jī)器人完成作業(yè)后機(jī)械臂可以自動(dòng)折又疊歸位；機(jī)械臂可以自動(dòng)進(jìn)入作業(yè)最佳操作姿態(tài)；當(dāng)操作不當(dāng)時(shí)，控制器可以自主取消操作人員發(fā)送的命令，以避免機(jī)械臂與車體之間的干涉碰撞等。為防止爆炸物被恐怖分子遙控引爆，爆炸物品的拆除現(xiàn)場(chǎng)一般都要做電磁屏蔽處理，不能使用無線遙控型機(jī)器人，只能采用有纜遙操作移動(dòng)機(jī)器人。由于爆炸物品的拆除作業(yè)危險(xiǎn)性很大，所以對(duì)排爆機(jī)器人的有線通訊系統(tǒng)的可靠性要求很高。pbj-1是通過rs-485協(xié)議實(shí)現(xiàn)相互之間遠(yuǎn)距離、高速、高可靠性通訊。

操作人員可以通過上位控制箱里的液晶顯示器監(jiān)視作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的狀態(tài)；通過操作各種動(dòng)作按鈕及操縱桿控制機(jī)器從完成各種作業(yè)?？刂葡溆辛M4位數(shù)顯led，分別顯示機(jī)器人型號(hào)（pbj1）、通訊狀態(tài)（run或err）、大小臂關(guān)節(jié)角、機(jī)器人及車體運(yùn)動(dòng)速度、機(jī)器人電源實(shí)時(shí)電壓。這些都保證了操作人員可以全面了解機(jī)器人具體運(yùn)行狀態(tài)，順序完成作業(yè)。2 pbj-1嵌入式控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)遙操作機(jī)器人由于工作于非結(jié)構(gòu)環(huán)境中，實(shí)際期望運(yùn)動(dòng)軌跡未知，所以需要根據(jù)操作者的實(shí)時(shí)操作情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)的目標(biāo)位置生成及軌跡規(guī)劃，并完成相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)控制。由于這臺(tái)新型排爆機(jī)器人功能增強(qiáng)，下位機(jī)微控制器需要實(shí)時(shí)完成機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)及分解運(yùn)動(dòng)控制解算，并驅(qū)動(dòng)各個(gè)接口器件實(shí)時(shí)控制機(jī)器人運(yùn)行，還要保證上、下位機(jī)之間的正常通訊連接，及時(shí)、迅速、高可靠性地響應(yīng)上位機(jī)經(jīng)過