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作者:黃冠穎(2009-06-01);推薦:徐業良(2009-06-09)

遠端臨場機器人移動控制模組建置

本文敘述遠端臨場機器人(Telepresence Robot for Interpersonal Communication, TRIC)的移動控制模組所使用的技術與硬體設備。本研究使用PIC18F452單晶片控制器搭配全向輪(Omni-directional wheel)行走平台進行技術建構與整合。

1.     移動控制模組

1為本研究開發之全向輪行走平台之硬體組裝,採用PIC18F452單晶片為控制核心建置移動控制模組,驅動3組馬達控制全向輪行走平台移動。

2為移動控制模組之系統架構,包RS-E01直流馬達驅動器、PIC18F452單晶片、三組直流馬達與7組超音波感測器(如圖3)。在操控流程上,遠端臨場機器人之系統核心ARM將遠端使用者發送之網路指令解碼後,經由TRICLAN Bus轉發至移動控制模組接收。由於目前移動控制模組不具有網路功能,因此本研究選擇以具網路功能的表情模組作為ARM與移動控制模組間資料傳遞的中間站。待表情模組接收ARM發送的網路指令後,透過I2C將控制指令傳送至移動控制模組的PIC18F452單晶片做接收。此單晶片為模組之控制核心,除接收表情模組轉發的I2C指令外,同時收集7具超音波感測器於外部環境中所偵測到的障礙物資訊,將此兩部份資料一併分析判斷,最後送出馬達控制訊號至驅動器驅動馬達,達成控制遠端臨場機器人移動及閃避障礙物等功能。

全向輪行走平台的移動方式有直走(前進/後退)、左右平移、和順/逆時針旋轉等方式。直流馬達採用三顆減速馬達,額定工作電壓為12V,額定轉速與扭力分別為100rpm8kg-cm

1. 全向輪行走平台實體

2. 遠端臨場機器人之移動控制模組系統架構

3. 超音波感測器

4移動控制模組實體,支援1RS-232通訊埠,提供資料通訊功能,周邊設備包含8I/O類比輸入、2I2C連接埠與兩組電源輸入,其中1組提供移動控制模組本體電壓為12V1組提供馬達工作電壓為9V,另有兩個RS-E01直流馬達驅動器,可提供4PWM控制,驅動4組直流馬達獨立運作,而本研究所使用的全向輪行走平台只需使用3組馬達即可完成控制,其馬達控制訊號由連結座部分輸出。

4. 移動控制模組實體

2.     移動控制模組程式介紹

如前所述,目前移動控制模組不具有網路通訊功能,還是使用I2C匯流排的方式與其他模組溝通,達到傳遞指令等功能,因此必須在程式中設定I2C的使用方式。圖5移動控制模組的程式宣告部分,4~23為馬達PWM控制與I2C初始化設定,28~56行為程式宣告與定義模組整體腳位之功能。

5. 移動控制模組程式宣告部份

6為擷取移動控制模組的部分I2C接收程式碼。784~860行為移動控制模組接收I2C指令後呼叫驅動馬達之副程式,控制全向輪行走平台前進、後退、左右平移與正逆時針旋轉,若需增加其餘I2C控制指令可於此處增加。

7為控制全向輪行走平台「後退」之副程式,程式內容為當全向輪行走平台開始後退時,各個馬達從停止開始慢慢加速,待加速到固定速度後,保持此速度帶動全向輪行走平台等速後退一段距離後,馬達從高速慢慢減速至停止,完成一次移動控制。此控制方式是避免全向輪行走平台在改變速度或轉換方向時造成平台整體的搖晃與不穩,保持整體移動的穩定性,其他的移動方式皆與此原理相同。

6. I2C接收程式碼

7. 全向輪行走平台「後退」之副程式

8移動控制模組的主程式,其內容為等待I2C命令的下達與設定I2C位址,若需更改或增加其他功能可於此部分加入相關程式。

8. 全向輪行走平台主程式

3.     全向輪行走平台移動設定

全向輪行走平台採用三顆轉速100rpm、扭力8kg-cm的減速馬達為動力來源。本研究對行走平台的馬達速度做控管,將整體移動速度分為015節,第0節為靜止,第15節為最高速。本研究於一般瓷磚地面上進行6公斤負載的移動測試,測試結果如下:

(1)   前進

行走平台於第15節速度(最高速)測試下,1秒可移動31公分,若以此速度於一般家庭環境中使用稍嫌太快,本研究將整體速度設定於7節速度,保持1秒中約移動14公分的速度,相信一方面較適用於一般環境較複雜的家庭生活中,一方面讓遠端使用者能更順暢的操作。

另一方面,本研究也於行走平台的移動距離上進行設定,為了避免網路指令漏接造成行走平台失去控制,本研究設定當平台於第7節速度向前移動約55~60公分後若無接收任何指令,則平台自動停止,等待下一次的指令。

(2)   後進

考量當遠端使用者控制行走平台後退時,應以較緩慢的速度移動,故本研究於速度控管上設定為第5節速度,以1秒約移動10公分的速度後退。在距離設定方面則於第5節速度後退約45~50公分後自動停止等待下一次的指令觸發。

(3)   左右平移

在左右平移的測試下,行走平台於第15節速度(最高速)1秒可移動約30公分,同樣本研究將整體速度設定於7節速度,保持1秒中約移動19公分的移動速度。於距離控管設定則於第7節速度平移約55~65公分後自動停止等待下一次的指令觸發。

(4)   /逆時針旋轉

行走平台於旋轉的測試下,於第15節速度(最高速)1秒可旋轉約120180度範圍之間,本研究設定以第7節速度,以1秒旋轉約4560度的速度旋轉。距離則設定以第7節速度旋轉約180度後自動停止,等待下一次的指令觸發。