生物声纳探测机器人机械手关节控制设计

生物声纳探测仪模仿蝙蝠飞行时避障和捕食过程，实现对目标的识别和定位。全地形机器人是模仿多足动物运动形式的特种机器人，具有很强的环境适应能力 ，可以代替人类在自然环境恶劣的地区进行侦察、危险工作，已经广泛应用于军事和民用领域。本文将生物声纳探测系统和全地形机器人相结合，利用机器人上的机械手在三维空间的灵活控制，由安装于机械手末端的生物声纳探测装置获取目标丰富的信息量，如距离、方位、移动方 向、速度和 3D特征，提高全地形机器人在 自然环境下正确定位 、导航和识别能力。

针对以上情况，本文给出了生物声纳探测全地形机器人机械手控制系统总体方案，并根据机械手关节控制要求设计了生物声纳探测全地形机器人的机械手关节控制系统，完成了仿真，证明了该系统满足其关节控制要求。

1 全地形机器人生物声纳探测方法生物声纳装置使用三个超声波传感器模仿蝙蝠的- 嘴两耳”生理结构制作，声纳装置发射超声波脉冲探测目标，利用两耳”采集回波信号，然后对信号进行去噪处理和重构，同时保留回波信号时域和频域特征，最后经由相应的软件算法分析和提蓉波信号特征，实现对目标的识别和定位。

由于-次回波信号只能反映出目标的-个侧面，不能完全展示出完整的形状特征。因此，本文中的生物声纳探测采用了蝙蝠在物体周围环形飞行发射声纳探测信号以识别目标的原理，在目标周围进行-些运动扫描策略来寻找其空间离散分布特征。全地形机器人的腿的数量较多，控制机器人行走、转弯比较复杂，因此采取了在全地形机器人的前方连接-个五自由度三关节的机械手，并将生物声纳仪安装在机械手末端关节的方法。通过机械手的灵活控制，实现末端生物声纳仪能以-定的运动方式对目标扫描，捕捉 目标三维空间离散分布的特征 ，提高机器人行走速度和工作效率。全地形机器人机械手连杆坐标系如图 1所示，机械手 D-H参数如表 1所示。

作者简介：王茂森(1970-)，男 ，江苏南通人，副教授，博士，研究方向为机器人学和生物声纳技术。

· 160· htp：/ZZHD.chinajourna1.net.CIl E-mail：ZZHD###chainajourna1.net.cn《机械制造与自动化》· 电气技术与自动化 · 王茂森，等 ·生物声纳探测机器人机械手关节控制设计图 1 机械手连杆坐标系表 1 机械手 D-H参数2 生物声纳探测全地形机器人机械手控制系统设计生物声纳探测全地形机器人机械手控制系统总体框图如图 2所示。机械手控制过程如下：全地形机器人在行走过程中，若超声波传感器在-定位置处检测出有目标障碍物出现，继续行进至 目标前大致 8 m处停止运动，同时机身控制器将陀螺仪和电子罗盘所测得的机身方位和角度值通过 RS232发送给机器人内部 PC机。PC机根据生物声纳仪扫描过程进行任务工作流程的规划，并将任务分配到各个关节，关节控制器接受到上位机宏指令，解算 出相应电动机的转角和速度值 。其中六维腕力传感器安装于机械手腕部 ，用来感知机械手操作时的载荷或作用力/力矩信息，以及负责负载平衡，起保护作用。

蓑图2 机械手控制系统总体框图3 生物声纳探测全地形机器人机械手关节控制要求针对生物声纳机械手工作过程 ，其关节控制要求如下：1)实时性 ：生物声纳探测装置必须要实时采集到 目标在三维空间内的回波信号以得到离散的目标物理特征，实现全地形机器人在 自然环境下的准确定位和导航。这就要求全地形机器人要实时完成机械手关节电动机的控制、传感器信号采集及数据传输。

2)准确性 ：生物声纳探测装置利用的是回声定位原理 ，对位置的精确度要求高，且必须要位于目标的正前方才能采集到正确的回波信号时域和频域特征，生物声纳探测装置与机械手相连，因此关节电动机的转角和速度的精确控制对获取目标更为精确的离散分布特征有着决定性的作用。

3)稳定性 ：全地形机器人工 作在 自然环境 中，地面通常是 凹凸不平，运动过程 中容易受到震动、冲击和外界信号的干扰 ，因此要求控制系统容错性好 、抗干扰能力强 、可靠性高 ，并且具有较小的稳态误差和良好的稳态性能。

4)软硬件拈化设计：拈化设计有助于关节控制系统各功能拈的优化与扩展，各拈互不干扰，提高后期工作效率。

4 生物声纳探测全地形机器人机械手关节控制系统方案根据生物声纳探测全地形机器人机械手关节控制要求，关节控制系统拈设计如图 3的所示。

图3 机械手关节控制系统拈设计：： 主控制拈负责各拈之间的协调控制，为整个关节堕 系统的核 fl，。通信拈用来与上位机交互信息。光电隔无jl盥衄 离拈实现主控制拈与关节驱动拈的隔离，防止关节驱动电路产生过大的电流破坏控制电路。关节驱动拈实现对关节电动机的控制。信号反馈拈采集传感信号，经过主控制拈～系列算法，得出最佳控制策略。

此关节控制方案采用了以 STM32F103为核心的控制系统如图4所示。

Machine Building Automation，Jun 2013，42(4)：J6D～163 ·161·· 电气技术与自动化 · 王茂森，等 ·生物声纳探测机器人机械手关节控制设计叵 cAN通信接口l I定时器。匝至H垂 ----- PWM模 I式接口STM 32F103- 电流采样 b 转换l l码器模式 、 l：三：二二：l 接口l l 接口图4 机械手关节控制系统结构图在机器人机械手关节控制系统中，上位机为 PC机，主要完成系统的初始化、轨迹曲线参数设定和运动信息的实时显示。上位机通过人机交互界面，监视全地形机器人行走和机械手运动状态，随时调整机械手运行形式。下位机即 STM32F103微控制器 ，主要负责电动机的驱动和当前位置信息的反溃STM32F103微控制器根据上位机发送的宏指令解算求出关节电动机的目标转角，增量式编码器与 STM32F103定时器编码器接口相连，获取反馈转角和反馈速度值 ，经过算法处理求得控制量以驱动电动机。

5 生物声纳探测全地形机器人机械手关节系统硬件设计5.1 主控制器基于 ARM Cortex-M3内核的 STM32系列微控制器具有高性能、低成本、低功耗的特点。它所具有以下的功能满足了生物声纳探测全地形机器人机械手关节控制要求 ：1)STM32F103内置 的高级/通用定时器具有 PWM输出和编码器接口模式功能，提高了直流电动机位置与转速控制和增量式编码器信号采集的精确度。

0A和 2.0B主动模式，波特率最高可达 1 M/s，支持时间触发通信功能，增强了数据传输的同步陛和可靠.性。

4)逐次逼近型 l2位模拟数字转换器，多达 18个通道，可测量 16个外部和2个内部信号源。ADC有-个独立的电源供应，该电源可以独立的过滤和屏蔽来 自印刷电路板(PCB)的噪声，转换精确性得到了提高。

5)由于全地形机器人是代替人类执行工程勘测、反恐防爆、核侦察、火灾救援等危险的任务，工作条件恶劣，在危险情况下可以使用 STM32F103内部高级定时器所独有的刹车功能紧急停车。

5.2 通信拈设计生物声纳探测全地形机器人工作环境比较恶劣，容易受到多种信号干扰，同时系统要求实时控制，因此采用抗干扰能力强、实时陛好的现场总线作为全地形机器人机 械 手 的控 制 网络∝ 制 器 局 部 网 (controler areanetwork，CAN)具有突出的实时性、可扩展性 以及简单方便的使用特性 ，完善的错误处理机制保证了高噪声干扰环境下数据传送的安全可靠。

STM32F103内置的 bxCAN能够以最小的 CPU负荷· l62·来高效处理大量收到的报文 ，硬件电路图如图5所示。

图 5 CAN通信硬件电路图6 生物声纳探测全地形机器人机械手关节系统软件设计6.1 主程序设计该系统的主程序设计流程如图 6所示。先对系统初始化，开启CAN接收中断，根据上位机发送的位置指令解算出目标转角，同时获取当前转角和速度，经过PI运算计算出所需的执行量，最后输出相应的PWM控制电动机运行。

< 开始 > 系统复位初始化开接收中断接收标志位是否置位r// 根据上位机位置指令和控制算法求出目标转角AD采样 、定时器编码器模式下捕获当前转角和速度PI运算PWN输出子程序目标实现 - / 星 清标志位图 6 主程序流程框图否否6.2 直流电动机模糊 PI控制策略生物声纳探测全地形机器人机械手关节采用具有位置与速度反馈的闭环控制，并引入模糊控制策略。本系统在位置环上采用了基于 Fuzzy推理的自整定 PI控制器，控制器的输入量为从增量式编码器获取的电动机实际位htp：/ZZHD.chinajourna1.net.ca E·mail：ZZHD###chainajouma1.net.cn《机械制造与 自动化》· 电气技术与自动化 · 王茂森，等 ·生物声纳探测机器人机械手关节控制设计置和给定位置的偏差 e和偏差的变化率 ec，利用 e和 ec在线调整位置环PI调节器的比例、积分系数，力求最佳的参数值，达到精确控制的目的♂构原理图如图7所示。

给图 7 模糊 PI控制结构原理图7 仿真结果及分析将系统在 Matlab/Simulink中建模并仿真，图8为未加任何控制器的位置单位阶跃响应 曲线 ，图 9为加人 PI控制的位置单位阶跃响应曲线，图 10为加入模糊 PI控制的位置单位阶跃响应曲线。

1.510.50I l l I Il I I 1 II I I I II l l I I - - - - - --： -- - - -I l I I II I I I lI l I l II I I I Il I l I II I I I II I I I I I I l/ - - - - - - - .j/ i ：/ ： ： ： ： ：0 1 2 3 4 5 6图8 未加控制器的位置单位阶跃响应曲线图1.5lO.50/ /- -O l 2 3 4 5 6图 9 PI控制的位置单位阶跃响应曲线图由仿真结果对比可知，利用模糊 PI控制的位置伺服系统上升时间短、超调量低 、响应速度快、稳态性能好 ，并且具有较强的鲁棒性。该系统的设计很好满足了在生物声纳探测过程中全地形机器人机械手关节控制系统的实Machine Building 8 Automation， 2013，42(4)：J60-163时性 、准确性和稳定性要求。

1.510.5/、8 结语设计了-种带有生物声纳探测仪的机械手装置，介绍了该机械手的连杆坐标系和控制系统结构方案。针对生物声纳探测全地形机器人机械手关节相应的功能要求，文中采用了基于 STM32F103微控制器拈化关节控制系统和模糊 PI控制的位置伺服系统设计方案。仿真结果表明，该系统具有很好的实时性、准确性、稳定性和鲁棒性 ，可以用于生物声纳探测全地形机器人机械手关节控制。

因此，生物声纳探测用机械手为全地形机器人在野外探险、侦测提供了方便，提高了机器人的工作效率，具有广泛的应用前景。