摘 要：針對七自由度機械臂遠程控制的需要，構(gòu)建了基于TCP/IP網(wǎng)絡(luò)的控制系統(tǒng)。首先通過設(shè)計單片機系統(tǒng)實現(xiàn)本地端控制，然后運用WinSockets類創(chuàng)建基于TCP/IP的遠程控制程序，使連接在Internet網(wǎng)絡(luò)上的任意客戶端均可實現(xiàn)對機械臂的遠程控制。結(jié)合視頻網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，實現(xiàn)了對機械臂的實時監(jiān)控操作。
關(guān)鍵詞：機械臂;TCP/IP;遠程控制;視頻服務(wù)器

Abstract: A tele-control system for a 7-dof robot arm based on TCP/IP network is created. AVR singlechip is adopted to build a local control system. In order to link clients and the server in the Internet web, WinSockets class is applied to program using Visual c++. It is convenience to real-time observe tele-operation combined with video network server.

KeyWords: Robot arm; TCP/IP; Tele-control; video network server

Rhino XR-2機器人[1]是一個典型的機電一體化產(chǎn)品，它模擬人的上肢，肩關(guān)節(jié)可從-45到+135度旋轉(zhuǎn);肘關(guān)節(jié)可從-135到90 度旋轉(zhuǎn);手腕可以上下90度旋轉(zhuǎn)，左右170度旋轉(zhuǎn)，是一個具有7個自由度的機械臂系統(tǒng)。通過適當調(diào)節(jié)各關(guān)節(jié)，該機器人能夠從指定位置抓取較小物體。為了實現(xiàn)遠程控制，構(gòu)建了基于TCP/IP網(wǎng)絡(luò)的七自由度機械臂遠程控制系統(tǒng)，如圖1所示。通過該系統(tǒng)，連接在Internet網(wǎng)絡(luò)上的任意客戶端均可登錄指定服務(wù)器獲取操作權(quán)限實現(xiàn)對七自由度機械臂的遠程控制，并通過視頻網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器實時監(jiān)控機械臂操作結(jié)果。

圖1 七自由度機械臂遠程控制系統(tǒng)

1.本地端控制系統(tǒng)設(shè)計

首先設(shè)計本地端控制器，由于每個關(guān)節(jié)單獨由一個Brevel電機驅(qū)動，因此只要在本地端實現(xiàn)對各個電機的單獨控制包括啟動、停止、調(diào)速即可。

1.1基于 ZLG7289B的本地控制

ZLG7289B[2] 是周立功單片機發(fā)展有限公司自行設(shè)計的數(shù)碼管顯示驅(qū)動及鍵盤掃描管理芯片，可直接驅(qū)動8 位共陰式數(shù)碼管（或64 只獨立LED），同時還可以掃描管理多達64 只按鍵。ZLG7289B 內(nèi)部含有顯示譯碼器，可直接接收BCD 碼或16 進制碼，并同時具有2 種譯碼方式。ZLG7289B 采用SPI 串行總線與微控制器接口，僅占用少數(shù)幾根I/O 口線。

本例中采用AVRmega128單片機作為微控制器，通過ZLG7289B實現(xiàn)對鍵盤的操作，從而觸發(fā)8個電機的不同動作，實現(xiàn)對機械臂的控制。AVR高端芯片MEGA128擁有53個IO口輸出，8個PWM輸出口，8個外部中斷，16位定時器與8位定時器各兩個。它采用單指令周期，處理速度快，在滿足I/O的情況下，足以滿足電機控制的運算要求。利用該單片機產(chǎn)生8路PWM信號通過兩個L298N驅(qū)動模塊實現(xiàn)8個電機的驅(qū)動。每個L298N驅(qū)動模塊包含2塊電機驅(qū)動芯片L298N、16個保護二極管、4個電源濾波穩(wěn)定電容、2個輸入信號邏輯處理單元、4個控制電機輸出插座。由于每個L298N芯片控制2個電機，則每個驅(qū)動模塊可以控制4個電機，其實物圖如圖2所示。

圖2 L298N驅(qū)動模塊

為方便操作，使用了液晶顯示模塊LCMxxZK，其繪圖顯示畫面提供一個64＊256 點的繪圖區(qū)域,電源操作范圍寬（2.7V to 5.5V），此外，低功耗設(shè)計可滿足產(chǎn)品的省電要求同時與單片機的接口界面非常靈活。如圖3所示，利用設(shè)計的單片機控制系統(tǒng)，根據(jù)液晶顯示屏的提示通過鍵盤操作可以實現(xiàn)對機械臂的控制，同時操作結(jié)果通過液晶顯示屏反饋給操作者。

圖3 液晶屏與鍵盤

1.2基于串口通信的上位機控制

為了構(gòu)建基于TCP/IP網(wǎng)絡(luò)的遠程控制系統(tǒng)，需要在本地建立服務(wù)器端控制器。本例中采用PC機作為遠程控制的服務(wù)器，同時作為單片機控制系統(tǒng)的上位控制器。

該上位機系統(tǒng)采用DB9-RS232串口線作為數(shù)據(jù)總線，通過串行通信與下位機建立聯(lián)系。PC機通過數(shù)據(jù)總線把位選、轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)速等信息傳遞給下位單片機AVR Mega128，通過對I/O口置1或清零來控制相應(yīng)電機的轉(zhuǎn)向，并通過改變PWM信號占空比來控制轉(zhuǎn)速。

由于數(shù)據(jù)總線的使用，各部分都相互獨立，只需要遵守相同的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議即可工作，使得擴展功能變得十分容易。有時候甚至不需對芯片進行重編程或電路板進行大幅度修改，只需要更換部分模塊就可以實現(xiàn)功能升級。在Visual C++ 6.0環(huán)境下運用串口類編寫了上位機控制程序[3]，通過該程序，可利用個人PC實現(xiàn)對機械臂的控制。

2.基于TCP/IP網(wǎng)絡(luò)的遠程控制

通過設(shè)計本地端控制系統(tǒng)后，可以在本地端實現(xiàn)七自由度機械臂的各關(guān)節(jié)速度控制，從而實現(xiàn)機械手運動到適當位置抓取物體，并傳送到另一位置。為了實現(xiàn)異地遠程控制，需要設(shè)計遠程控制系統(tǒng)。基于TCP/IP的以太網(wǎng)絡(luò)進行遠程控制是一個好的選擇。本例中構(gòu)建了一個基于C/S（Client/Server）結(jié)構(gòu)的遠程控制體系，該體系包含服務(wù)器端和客戶端，服務(wù)器端接收到客戶端程序發(fā)來的數(shù)據(jù)后，對數(shù)據(jù)進行處理，進而發(fā)出相應(yīng)的指令通過串口通信控制主控單片機，從而控制各關(guān)節(jié)的相應(yīng)動作。

服務(wù)器端程序功能如下：

（1）創(chuàng)建監(jiān)聽Socket進行監(jiān)聽，當有客戶端請求連接時建立一個新的接收Socket處理這個客戶的數(shù)據(jù)發(fā)送與接收;
（2）接收客戶端發(fā)來的數(shù)據(jù)并向客戶端返回相應(yīng)信息;
（3）對接收到的數(shù)據(jù)進行處理，然后向下位單片機發(fā)送控制命令。

客戶端程序功能如下：

（1）建立與服務(wù)器程序的連接
（2）向服務(wù)器程序發(fā)送數(shù)據(jù)信息，接收從服務(wù)器程序返回的信息
（3）關(guān)閉與服務(wù)器程序的連接

在Visual C++ 6.0環(huán)境下運用WinSockets類來編寫基于TCP/IP的遠程控制程序，其中服務(wù)器端監(jiān)聽程序如下。

if（Accept（＊pSocket））
｛ pDlg->m_pAcceptList.AddTail（pSocket）;
CString strAddr,strAddr1;
UINT unPort,unPort1; pSocket->GetPeerName（strAddr1,unPort1）; //得到遠程IP地址和端口號 pSocket->GetSockName（strAddr,unPort）; //得到本地IP地址和端口號
pDlg->m_strNetMsg.Format（"本地IP%s端口%d連接上遠程客戶IP%s端口%d", strAddr,unPort,strAddr1,unPort1）;
pDlg->UpdateMsgData（）;
｝
else
｛
delete pSocket;
｝
CSocket::OnAccept（nErrorCode）;

其部分界面如圖4所示：

圖4 服務(wù)器端界面

由圖4可知，該服務(wù)端控制程序既可以由操作人員單擊圖中按鈕實現(xiàn)本地端對七自由度機械臂的控制，也可以通過客戶端發(fā)送相應(yīng)信息由服務(wù)端響應(yīng)后自動調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)實現(xiàn)對機械臂的控制。

3.基于視頻網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的遠程控制

為了監(jiān)控七自由度機械臂遠程控制的操作結(jié)果，利用視頻網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器將機械臂運動的實時圖像通過Internet網(wǎng)絡(luò)傳送到客戶端。

視頻網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器是一種對視頻數(shù)據(jù)進行編碼處理并完成網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膶Ｓ迷O(shè)備，它將攝像機輸入的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，再通過Internet傳輸，客戶端便可在任何地方通過上網(wǎng)來瀏覽圖像。它具有獨立完成傳輸?shù)墓δ埽恍枰硗庠O(shè)置計算機，能實現(xiàn)簡單的IP方式組網(wǎng)，是傳統(tǒng)的模擬監(jiān)控所無法實現(xiàn)的。

本例中采用RILAN-F1004四路視頻網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，通過以太網(wǎng)將實時的圖像通過網(wǎng)絡(luò)傳輸。該服務(wù)器采用了先進的操作系統(tǒng)和視頻壓縮算法，使得圖像傳輸更加流暢，并且顯示更加清晰細膩;系統(tǒng)調(diào)度效率高，運行穩(wěn)定可靠，支持通過Internet瀏覽器進行遠程圖像訪問。由于用于操作控制的服務(wù)器端和視頻服務(wù)器地址相互獨立，為了便于遠程操作和監(jiān)控，把兩個服務(wù)端的登錄集成在一個客戶端界面中。當服務(wù)器端啟動服務(wù)器后，客戶端首先可以通過Internet瀏覽器登錄視頻網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，從圖5中可以看到，位于機械臂不同位置的四路視頻圖像實時顯示在界面的左側(cè);此時可以向控制服務(wù)器端發(fā)出請求，服務(wù)器端響應(yīng)后，返回允許操作的信號，操作者即可根據(jù)右側(cè)控制面板進行七自由度機械臂的遠程控制，同時可以實時觀察機械臂動作,圖中所示為機械手抓住一小物體正準備釋放。

圖5 客戶端界面

4.結(jié)論

本文作者創(chuàng)新點:提出兩種不同方法，利用高端ARV單片機與PC機實現(xiàn)了七自由度機械臂本地端控制。構(gòu)建了一個融串口類對象和WinSockets類對象于一體的基于C/S（Client/Server）結(jié)構(gòu)的遠程控制體系，通過視頻網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器反饋的視頻信息，有效地實現(xiàn)了七自由度機械臂遠程控制。

參考文獻
1. http://www.rhinorobotics.com[EB/OL]
2. http://www.zlgmcu.com/philips/hotic/ZLG7289.asp[EB/OL]
3. 朱培武、熊光明、彭波、龔建偉.基于Rabbit 2000的無線調(diào)度系統(tǒng)液晶漢字顯示方法.微計算機信息.2005，21卷，8期