（中國(guó)科學(xué)院合肥智能機(jī)械研究所，安徽 合肥 230031）  石 振，聶余滿
沈 勇，宋全軍，葛運(yùn)建

石振（1981－）
男，安徽安慶人，碩士研究生，研究方向?yàn)樾畔@取與處理

1  引言

    由于近年來網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)的發(fā)展迅速，使基于網(wǎng)絡(luò)的機(jī)器人技術(shù)引起了廣泛關(guān)注，筆者在已投入使用的單機(jī)版測(cè)力機(jī)器人系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，運(yùn)用現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)技術(shù)和硬件設(shè)施，對(duì)原有單機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行了網(wǎng)絡(luò)化的改造，將原有的體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行升級(jí)，并在功能上進(jìn)行了擴(kuò)充，設(shè)計(jì)出一種節(jié)點(diǎn)型測(cè)力機(jī)器人。所謂節(jié)點(diǎn)型測(cè)力機(jī)器人是為測(cè)力機(jī)器人的網(wǎng)絡(luò)化而設(shè)計(jì)的，這種機(jī)器人即使作為一個(gè)單獨(dú)節(jié)點(diǎn)也能獨(dú)立的工作，即保持原有單機(jī)版的所有功能特性，但當(dāng)網(wǎng)絡(luò)功能被激活時(shí)，它可實(shí)現(xiàn)任意兩節(jié)點(diǎn)間通過通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)信息的交流、匯集和處理，不但可以實(shí)現(xiàn)人與機(jī)器人間的角力，還可使不在同一地的兩人通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程角力。

2  節(jié)點(diǎn)型測(cè)力機(jī)器人系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

    設(shè)計(jì)測(cè)力機(jī)器人主要分成硬件設(shè)計(jì)與軟件設(shè)計(jì)兩部分：硬件部分包括機(jī)械手臂、傳感器單元、執(zhí)行機(jī)構(gòu)及驅(qū)動(dòng)裝置以及輔助系統(tǒng)，如圖1所示，軟件設(shè)計(jì)包括應(yīng)用層軟件設(shè)計(jì)和通信協(xié)議的設(shè)計(jì)，節(jié)點(diǎn)型測(cè)力機(jī)器人與單機(jī)測(cè)力機(jī)器人的主要區(qū)別就在于單機(jī)測(cè)力機(jī)器人無(wú)法實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化，而實(shí)現(xiàn)這一功能主要是通過軟件設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)的。

圖1 節(jié)點(diǎn)型測(cè)力機(jī)器人系統(tǒng)硬件組成

    (1)  機(jī)械手臂的設(shè)計(jì)

    一般來說，人的手臂從手肘到手腕共有5個(gè)自由度，如圖2所示。日本Ryukoku大學(xué)研究人員在研究了人的角力過程后，發(fā)現(xiàn)有兩個(gè)自由度活動(dòng)并不頻繁，因此他們采用了一種三自由度的機(jī)械手臂來模擬人手。而筆者發(fā)現(xiàn)，在通常的比賽規(guī)則下，比賽時(shí)大臂位置也基本不變，僅小臂在一個(gè)圓周面內(nèi)運(yùn)動(dòng)，手腕與小臂有一定的扭轉(zhuǎn)。因此在設(shè)計(jì)時(shí)，只用了兩個(gè)自由度來模擬人手，如圖3所示。

圖2 手肘到手腕的五個(gè)自由度


圖3 本系統(tǒng)采用的兩自由度機(jī)械臂

    (2)  傳感器單元設(shè)計(jì)

    力傳感器選用的是中國(guó)科學(xué)院合肥智能機(jī)械研究所機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室自行研制的專用兩維力傳感器，根據(jù)E型膜片受力產(chǎn)生的電阻應(yīng)變效應(yīng)，筆者設(shè)計(jì)兩組全橋電路分別獲取X、Y方向的力信息，同時(shí)增加了一組和實(shí)際使用的橋路呈對(duì)稱結(jié)構(gòu)的備用橋路，便于傳感器標(biāo)定以及出現(xiàn)故障后的替換。因?yàn)槿糍N片損壞，傳感器的輸出值不可預(yù)估，可能會(huì)造成電機(jī)失控而出現(xiàn)安全隱患，筆者通過一個(gè)閾值控制的方法，一旦實(shí)際使用的那組貼片輸出值異常（超過閾值）則立即啟用備用組，這樣一方面防止了安全事故，另一方面不影響程序運(yùn)行。

    位置傳感器采用的是與交流伺服電機(jī)同軸一體安裝的增量式光電編碼器，它輸出二路差動(dòng)形式的方波脈沖A、B。A、B兩路脈沖相位差為900，這樣可以方便地判斷轉(zhuǎn)向以及通過計(jì)數(shù)來確定機(jī)械手臂的位置。

    (3)  執(zhí)行機(jī)構(gòu)及驅(qū)動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)

    由于測(cè)力機(jī)器人系統(tǒng)是一種特殊的雙向力、位置伺服系統(tǒng)，機(jī)械手臂一般要求工作在低速、平穩(wěn)的場(chǎng)合，這就要求控制電機(jī)能長(zhǎng)時(shí)間工作在堵轉(zhuǎn)狀態(tài)，因此筆者在選用執(zhí)行電機(jī)時(shí)應(yīng)選用低轉(zhuǎn)速（配合減速裝置）、大力矩的交流伺服電機(jī)作為該系統(tǒng)的執(zhí)行元件。

3  系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

    從硬件組成來說，節(jié)點(diǎn)型測(cè)力機(jī)器人與單機(jī)測(cè)力機(jī)器人基本上是一樣的，實(shí)現(xiàn)單機(jī)向節(jié)點(diǎn)型轉(zhuǎn)化主要是通過軟件來完成的。軟件設(shè)計(jì)主要包括應(yīng)用層軟件設(shè)計(jì)和通信協(xié)議的設(shè)計(jì)。

    操作平臺(tái)的選用應(yīng)該更多的考慮到用戶，選用Windows2000。早先單機(jī)測(cè)力機(jī)器人筆者采用的開發(fā)工具是Visual Basic，由于其沒有提供直接的I/O 操作函數(shù)、程序運(yùn)行效率低、多線程編制困難，因此這次采用Visual C++6.0 SP6集成開發(fā)環(huán)境，其功能強(qiáng)大，運(yùn)行效率高，特別是網(wǎng)絡(luò)編程容易。

    設(shè)計(jì)中，按功能將整個(gè)軟件系統(tǒng)分成以下幾個(gè)模塊：交互界面、傳感器信息處理模塊、自檢、測(cè)試、復(fù)位模塊、運(yùn)動(dòng)控制模塊、硬件驅(qū)動(dòng)模塊、視頻處理模塊、打印輸出模塊、網(wǎng)絡(luò)通信模塊、用戶信息數(shù)據(jù)庫(kù)，各模塊間的數(shù)據(jù)或信號(hào)流向示意如圖4所示。

    各模塊主要完成以下功能：

    ① 交互界面是為用戶提供一個(gè)信息交互平臺(tái)，它包括對(duì)實(shí)時(shí)力信息和視頻信息的輸出顯示，控制參數(shù)及輔助信息的輸入等；

    ② 傳感器信息處理模塊負(fù)責(zé)處理腕、肘關(guān)節(jié)力傳感器數(shù)據(jù)和電機(jī)編碼器輸出的位置數(shù)據(jù)，作為力控制的依據(jù)和反饋給用戶的信息，并存入公共數(shù)據(jù)區(qū)；

    ③ 自檢、測(cè)試、復(fù)位模塊的功能主要是負(fù)責(zé)電機(jī)位置初始化以及為系統(tǒng)異常時(shí)提供診斷依據(jù)或參考； 

    ④ 運(yùn)動(dòng)控制模塊主要是用來處理電機(jī)的正向、逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，運(yùn)動(dòng)控制算法實(shí)現(xiàn)，管理傳感器信息處理模塊和硬件驅(qū)動(dòng)模塊的數(shù)字/模擬輸入/輸出信號(hào)等；

    ⑤ 硬件驅(qū)動(dòng)模塊則是負(fù)責(zé)接收來自控制模塊的控制數(shù)據(jù)，驅(qū)動(dòng)底層的硬件設(shè)備；

    ⑥ 視頻處理模塊負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)視頻信號(hào)的實(shí)時(shí)捕捉、錄像回放、視頻截圖等輔助功能；

    ⑦ 打印輸出模塊是為打印力曲線信息，視頻截圖等服務(wù)的；

    ⑧ 網(wǎng)絡(luò)通信模塊可以說是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)化改造的核心，它負(fù)責(zé)聯(lián)系本地操作現(xiàn)場(chǎng)與網(wǎng)絡(luò)中的遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)，是傳感器信息、圖像信息和控制量信息的傳輸通道；

    ⑨ 用戶信息數(shù)據(jù)庫(kù)將根據(jù)需要將參賽者比賽過程中的力信息、視頻信息等保存下來，通過機(jī)器人再現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)人離線比賽。

圖4　軟件模塊

4  結(jié)語(yǔ)

    本文提出了一種兩自由度的節(jié)點(diǎn)型測(cè)力機(jī)器人系統(tǒng)，并對(duì)原理樣機(jī)的軟硬件設(shè)計(jì)方案作了簡(jiǎn)要介紹。該樣機(jī)是在原有單機(jī)測(cè)力系統(tǒng)的應(yīng)用基礎(chǔ)上加以改進(jìn)，以虛擬現(xiàn)實(shí)力覺臨場(chǎng)感為研究目的，同時(shí)融入了主從遙操作、網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)等思想的新型產(chǎn)品，滿足了對(duì)測(cè)力機(jī)器人的多樣性要求，增強(qiáng)了實(shí)用性及娛樂性，并在實(shí)際應(yīng)用中取得了良好的效果。

其他作者：聶余滿（1981－），男，安徽蕪湖人，碩士研究生，研究方向?yàn)樾畔@取、機(jī)器人控制；沈勇（1980－），男，安徽合肥人，碩士研究生，研究方向?yàn)樾畔@取與處理；宋全軍（1972－），男，安徽宿州人，博士研究生，研究方向?yàn)槿藱C(jī)交互，運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)，仿生感知；葛運(yùn)建（1947－），男，山東蓬萊人，博士生導(dǎo)師，研究方向信息獲取、機(jī)器人控制、仿生感知。

參考文獻(xiàn)
[1]  Kano K, Kitayama S, Yamamoto N, Tsutsumi K. Design and prototype of a remote arm-wrestling system[A]. 2004 IEEE Conference on Robotics, Automation and Mechatronics [C]. USA: IEEE, 2002. 2985-2990.
[2]  Kamohara S, Takagi H., Takeda T. Control rule acquisition for an arm wrestling robot[A]. IEEE International Conference on Systems, Man, and Cybernetics