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（中國科學(xué)院合肥智能機械研究所，安徽 合肥 230031）  石 振，聶余滿
沈 勇，宋全軍，葛運建

石振（1981－）
男，安徽安慶人，碩士研究生，研究方向為信息獲取與處理

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)的機器人技術(shù)引起了廣泛關(guān)注，筆者在已投入使用的單機版測力機器人系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，運用現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)技術(shù)和硬件設(shè)施，對原有單機系統(tǒng)進行了網(wǎng)絡(luò)化的改造，將原有的體系結(jié)構(gòu)進行升級，并在功能上進行了擴充，設(shè)計出一種節(jié)點型測力機器人。所謂節(jié)點型測力機器人是為測力機器人的網(wǎng)絡(luò)化而設(shè)計的，這種機器人即使作為一個單獨節(jié)點也能獨立的工作，即保持原有單機版的所有功能特性，但當(dāng)網(wǎng)絡(luò)功能被激活時，它可實現(xiàn)任意兩節(jié)點間通過通信網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)信息的交流、匯集和處理，不但可以實現(xiàn)人與機器人間的角力，還可使不在同一地的兩人通過網(wǎng)絡(luò)進行遠程角力。

2  節(jié)點型測力機器人系統(tǒng)的設(shè)計

    設(shè)計測力機器人主要分成硬件設(shè)計與軟件設(shè)計兩部分：硬件部分包括機械手臂、傳感器單元、執(zhí)行機構(gòu)及驅(qū)動裝置以及輔助系統(tǒng)，如圖1所示，軟件設(shè)計包括應(yīng)用層軟件設(shè)計和通信協(xié)議的設(shè)計，節(jié)點型測力機器人與單機測力機器人的主要區(qū)別就在于單機測力機器人無法實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化，而實現(xiàn)這一功能主要是通過軟件設(shè)計來實現(xiàn)的。

圖1 節(jié)點型測力機器人系統(tǒng)硬件組成

    (1)  機械手臂的設(shè)計

    一般來說，人的手臂從手肘到手腕共有5個自由度，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)有兩個自由度活動并不頻繁，因此他們采用了一種三自由度的機械手臂來模擬人手。而筆者發(fā)現(xiàn)，在通常的比賽規(guī)則下，比賽時大臂位置也基本不變，僅小臂在一個圓周面內(nèi)運動，手腕與小臂有一定的扭轉(zhuǎn)。因此在設(shè)計時，只用了兩個自由度來模擬人手，如圖3所示。

圖2 手肘到手腕的五個自由度


圖3 本系統(tǒng)采用的兩自由度機械臂

    (2)  傳感器單元設(shè)計

    力傳感器選用的是中國科學(xué)院合肥智能機械研究所機器人實驗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)計兩組全橋電路分別獲取X、Y方向的力信息，同時增加了一組和實際使用的橋路呈對稱結(jié)構(gòu)的備用橋路，便于傳感器標定以及出現(xiàn)故障后的替換。因為若貼片損壞，傳感器的輸出值不可預(yù)估，可能會造成電機失控而出現(xiàn)安全隱患，筆者通過一個閾值控制的方法，一旦實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行。

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

    (3)  執(zhí)行機構(gòu)及驅(qū)動裝置的設(shè)計

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

3  系統(tǒng)的軟件設(shè)計

    從硬件組成來說，節(jié)點型測力機器人與單機測力機器人基本上是一樣的，實現(xiàn)單機向節(jié)點型轉(zhuǎn)化主要是通過軟件來完成的。軟件設(shè)計主要包括應(yīng)用層軟件設(shè)計和通信協(xié)議的設(shè)計。

    操作平臺的選用應(yīng)該更多的考慮到用戶，選用Windows2000。早先單機測力機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，其功能強大，運行效率高，特別是網(wǎng)絡(luò)編程容易。

    設(shè)計中，按功能將整個軟件系統(tǒng)分成以下幾個模塊：交互界面、傳感器信息處理模塊、自檢、測試、復(fù)位模塊、運動控制模塊、硬件驅(qū)動模塊、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，各模塊間的數(shù)據(jù)或信號流向示意如圖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信息交互平臺，它包括對實時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責(zé)處理腕、肘關(guān)節(jié)力傳感器數(shù)據(jù)和電機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、測試、復(fù)位模塊的功能主要是負責(zé)電機位置初始化以及為系統(tǒng)異常時提供診斷依據(jù)或參考； 

    ④ 運動控制模塊主要是用來處理電機的正向、逆向運動學(xué)模型，運動控制算法實現(xiàn)，管理傳感器信息處理模塊和硬件驅(qū)動模塊的數(shù)字/模擬輸入/輸出信號等；

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

    ⑥ 視頻處理模塊負責(zé)現(xiàn)場視頻信號的實時捕捉、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網(wǎng)絡(luò)化改造的核心，它負責(zé)聯(lián)系本地操作現(xiàn)場與網(wǎng)絡(luò)中的遠程計算機，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，通過機器人再現(xiàn)，實現(xiàn)人離線比賽。

圖4　軟件模塊

4  結(jié)語

    本文提出了一種兩自由度的節(jié)點型測力機器人系統(tǒng)，并對原理樣機的軟硬件設(shè)計方案作了簡要介紹。該樣機是在原有單機測力系統(tǒng)的應(yīng)用基礎(chǔ)上加以改進，以虛擬現(xiàn)實力覺臨場感為研究目的，同時融入了主從遙操作、網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)等思想的新型產(chǎn)品，滿足了對測力機器人的多樣性要求，增強了實用性及娛樂性，并在實際應(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，研究方向為信息獲取、機器人控制；沈勇（1980－），男，安徽合肥人，碩士研究生，研究方向為信息獲取與處理；宋全軍（1972－），男，安徽宿州人，博士研究生，研究方向為人機交互，運動生物力學(xué)，仿生感知；葛運建（1947－），男，山東蓬萊人，博士生導(dǎo)師，研究方向信息獲取、機器人控制、仿生感知。

參考文獻
[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