多功能可移動機械臂平臺的研制

黃 堯

（陸軍工程大學（石家莊校區）火炮工程系， 河北 石家莊 050065）

引言

基于即時地圖構建技術（SLAM）與遠程控制圖像回傳技術（SSH）的多功能可移動機械臂平臺，可以利用安裝在底部的360°激光掃描測距雷達在復雜的環境下將地圖實施構建出來，并精確顯示可移動機械臂平臺的方向與位置。利用在Ubuntu16.04環境下的安全外殼協議（SSH）可以進行遠程控制平臺與機械臂的活動并進行實時圖像回傳。

1 研制背景

隨著高科技技術的發展，機器人越來越廣泛地被應用于各行各業，如工業機器人，搬運機器人。而像排爆機器人、偵查機器人等也被大量的應用在軍事領域，但是基于深度學習的智能機器人仍然處在初級階段。為此我們基于即時定位與地圖構建技術（SLAM）和在安全外殼協議（SSH）的遠程控制與數據回傳技術，研發了即時地圖構建與遠程控制與圖像回傳技術的多功能可移動機械臂平臺。

2 技術實現

2.1 設計思路

本成果以樹莓派3b為上位機進行開發，移動平臺系統使用了樹莓派Ubuntu mate 16.04，遠程控制系統使用了在VMware Workstation Pro虛擬機環境下的Ubuntu16.04操作系統。上位機主體結構見表1。

下位機使用了3個基于STM32F103芯片控制的可編程模塊（分別為底盤模塊、避障測距模塊、機械臂控制模塊），和一個基于STM32F767的機器視覺攝像頭[1]。

2.2 技術路線

多功能可移動機械臂平臺的技術路線見圖1。

表1 主體結構

圖1 技術路線

2.3 功能介紹

實時構建出的3D地圖并顯示其測算方向、行動軌跡，見下頁圖2；機械臂平臺數據實時回傳；圖像回傳到電腦并遠程編程；遠程動態調試PID；還具有顏色識別，位置識別等功能[2]。

3 作品說明

3.1 開發環境

開發環境：Windows10,Ubuntu16.04。開發工具與程序編譯軟件：KEIL4.72。

圖2 實時構建出的3D地圖并顯示行動軌跡

下載器：Jink。機械三維圖繪制：UG6.0、solidwork2016。

3.2 使用說明

1）打開電腦端的虛擬機，啟動Ubuntu16.04系統；

2）將虛擬機與樹莓派連接到同一個網絡，在虛擬機端通過SSH與VNC遠程控制樹莓派；

3）打開rqt工具，調節PID參數；

4）打開RIVZ，將樹莓派回傳的數據構建成為可視化地圖。

4 創新點及應用

4.1 創新點

本成果采用模塊化設計，各部分獨立控制，以樹莓派為上位機，控制多個STM32模塊進行閉環控制，降低設備成本，便于升級改進。根據現實需要，進行相應模塊的編程。模塊化設計極大地利用了各語言之間的優勢，減少了單個芯片的工作負荷，縮短了研發周期。創新點主要有如下幾點：將機械臂搬到了可移動平臺上，并利用SLAM進行實時地圖構建；利用Python編程進行圖像識別并回傳給虛擬機；利用Linux環境下的SSH進行遠程控制和圖像數據回傳；利用RIVZ將構建的地圖可視化[3]。

4.2 應用情況

在民用領域，目前SLAM技術在家庭中僅僅只是應用在掃地機器人上和普通的服務機器人。掃地機器人無法完全發揮SLAM的潛力，在加入了機械臂之后，可以利用擴展模塊讓機器人擴展無窮的功能，比如通過語音識別讓機器人將一個物體從一個房間搬到另一個房間、通過GPS模塊搜索一個廣大的區域，并將目標物體帶回。

在軍事領域，SLAM技術應用尚處于初級階段。在巷戰，叢林戰等復雜環境下，普通的軍用機器人無法應對復雜多變的戰場環境。但在加入了SLAM技術之后，機器人可以對部分環境做出相應的判斷，極大的減輕了操作人員的負擔，使操作人員可以將精力更多放在機械臂和其上安裝的模塊，比如自動步槍、激光定位器等。