梁 帥, 朱松毅, 周涵巍, 石 尚, 黃梅濤, 張執(zhí)南*,

(1.上海交通大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院,上海 200240,E-mail: robot-dreamer@sjtu.edu.cn;2.上海交通大學(xué) 航空航天學(xué)院,上海 200240;3.上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院,上海 200240)

多機(jī)器人系統(tǒng)是一類面向科學(xué)前沿、多學(xué)科交叉的技術(shù)集成平臺(tái),在工業(yè)制造、倉(cāng)儲(chǔ)物流、偵查監(jiān)控和應(yīng)急救災(zāi)等應(yīng)用領(lǐng)域展現(xiàn)出單個(gè)機(jī)器人無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì),由于其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和廣泛的用途,其在學(xué)術(shù)研究上的熱度逐年攀升[1]。多機(jī)器人協(xié)作中呈現(xiàn)的簡(jiǎn)單、分布式的特征使其比單個(gè)機(jī)器人更具魯棒性[2],可以執(zhí)行遠(yuǎn)超出單個(gè)機(jī)器人能力的任務(wù),效率也顯著提高[3]。

為了將多機(jī)器人變?yōu)楝F(xiàn)實(shí),研究者付出了巨大的努力。瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院開(kāi)發(fā)了Alice機(jī)器人,作為移動(dòng)機(jī)器人的定位和導(dǎo)航、半自主操作控制策略的研究平臺(tái)[4],后來(lái)又開(kāi)發(fā)了S-bot機(jī)器人,通過(guò)夾具相互連接共同完成穿越間隙或移動(dòng)物體等任務(wù),旨在研究群機(jī)器人團(tuán)隊(duì)合作和機(jī)器人間通信[5]。Bonani等人設(shè)計(jì)了一款軟硬件開(kāi)源的差速輪式機(jī)器人E-puck,用于教育和科學(xué)目的[6]。Alonso-Mora等人借助E-puck開(kāi)展多機(jī)器人圖案編隊(duì)的研究工作[7],完成了10個(gè)物理機(jī)器人的實(shí)驗(yàn)。但此類多機(jī)器人系統(tǒng)數(shù)量較少,尺寸相對(duì)較大。

隨著研究的深入,多機(jī)器人系統(tǒng)逐漸向大規(guī)模方向發(fā)展。哈佛大學(xué)開(kāi)發(fā)的Kilobot[8]使用振動(dòng)電機(jī)和剛性支撐腿移動(dòng),通過(guò)感知紅外信號(hào)的強(qiáng)度估算和其他個(gè)體之間的距離,這種獨(dú)特的設(shè)計(jì)進(jìn)一步減小了單個(gè)機(jī)器人的尺寸和成本,使其成為大規(guī)模多機(jī)器人研究的理想選擇。Li等人[9]受細(xì)菌等微生物的啟發(fā),設(shè)計(jì)了一款可以隨環(huán)境改變自身尺寸的機(jī)器人,并通過(guò)磁鐵與其他機(jī)器人形成耦合,為大規(guī)模群體機(jī)器人系統(tǒng)提供了全新的途徑。

與此同時(shí),多機(jī)器人系統(tǒng)也向小尺寸方向發(fā)展,并探索人類和多機(jī)器人交互的方式。Suzuki等人設(shè)計(jì)的群體機(jī)器人ShapeBot[10],是多機(jī)器人和可重構(gòu)機(jī)器人的組合,每個(gè)單獨(dú)的ShapeBot都可以通過(guò)線性執(zhí)行器實(shí)現(xiàn)外形變化,使得整個(gè)多機(jī)器人系統(tǒng)呈現(xiàn)出復(fù)雜的隊(duì)形。Le Goc等人通過(guò)數(shù)個(gè)直徑只有2.6cm的Zooids[11]機(jī)器人,實(shí)現(xiàn)了群體繪圖、群體動(dòng)畫(huà)、繪圖可視化等人機(jī)交互界面。

目前國(guó)內(nèi)已有較多單體機(jī)器人的研究[12-13],但應(yīng)用于機(jī)器人集群控制和教學(xué)的機(jī)器人產(chǎn)品品類較少、價(jià)格昂貴、尺寸龐大、移動(dòng)緩慢,且還需額外增加光學(xué)三維動(dòng)作捕捉系統(tǒng)或UWB定位系統(tǒng)的輔助才能實(shí)現(xiàn)機(jī)器人定位,對(duì)場(chǎng)地環(huán)境要求苛刻,進(jìn)一步增加了成本,提高了研究者的開(kāi)發(fā)門檻。

基于以上現(xiàn)狀分析,減小單個(gè)機(jī)器人尺寸是降低多機(jī)器人系統(tǒng)成本、降低使用開(kāi)發(fā)門檻的最有效措施。因此,本文設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一款桌面級(jí)群控機(jī)器人系統(tǒng)——CoCube,在滿足多機(jī)器人控制算法部署的前提下,兼顧了系統(tǒng)成本、便攜性和易用性。本文將對(duì)系統(tǒng)各部分硬件和軟件配置進(jìn)行詳細(xì)介紹,并驗(yàn)證本系統(tǒng)性能。

1 方案設(shè)計(jì)

按照從底層到頂層的順序,介紹CoCube桌面級(jí)群控機(jī)器人系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)方法。

1.1 硬件電路設(shè)計(jì)

CoCube機(jī)器人硬件電路結(jié)構(gòu)框圖如圖 1,分為機(jī)器人主電路板、燈板電路板和外接串口燒錄器,一塊鋰電池和兩只直流減速電機(jī)。

▲圖1 CoCube機(jī)器人硬件電路結(jié)構(gòu)框圖

對(duì)于通信功能,系統(tǒng)中每一個(gè)機(jī)器人都應(yīng)當(dāng)具備與上位機(jī)或其他機(jī)器人無(wú)線通信的能力。CoCube選用集成2.4G Wi-Fi、傳統(tǒng)藍(lán)牙和低功耗藍(lán)牙功能的ESP32-WROOM-32U微控制器,該微控制器內(nèi)置雙核CPU,具備4M集成SPI Flash,26個(gè)GPIO和最高240 MHz時(shí)鐘頻率,滿足外圍擴(kuò)展和快速計(jì)算的需要。

對(duì)于運(yùn)動(dòng)控制,CoCube選用兩個(gè)H橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)器MS8837,通過(guò)微控制器輸出PWM信號(hào)分別控制兩個(gè)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向和速度。此外,通過(guò)兩個(gè)槽型透射式光中斷器GP1S196HCZ0F測(cè)量?jī)蓚€(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸的轉(zhuǎn)速,可實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。

對(duì)于方向感測(cè),CoCube設(shè)計(jì)有MPU6050慣性測(cè)量單元,可檢測(cè)三軸陀螺儀和三軸加速度,進(jìn)一步控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。

對(duì)于聲音提醒,CoCube安裝有一個(gè)蜂鳴器DET402,以提供與用戶交互的聲音。

對(duì)于燈光顯示,CoCube設(shè)計(jì)有8×8大小的WS2812燈板矩陣,用于顯示彩色圖案、文字符號(hào)以及視覺(jué)標(biāo)記。

對(duì)于電源管理,CoCube使用高壓LiPo電池(3.7 V,1 600 mAh)供電,采用IP5306芯片管理電池充放電,并將電池電壓升壓為5 V為電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、蜂鳴器和燈板矩陣供電。采用RT9080-33GJ5線性穩(wěn)壓器將5 V降為3.3 V,為微控制器和其他模塊供電。此外,PCB上設(shè)計(jì)有分壓電路,微控制器能檢測(cè)鋰電池電壓以防電池過(guò)度放電。

考慮到機(jī)器人主電路板的尺寸限制和為多個(gè)機(jī)器人燒錄程序的便捷性,USB轉(zhuǎn)串口電路并未放置于機(jī)器人主電路板內(nèi),而是單獨(dú)設(shè)計(jì)為一塊串口燒錄器。

1.2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

CoCube機(jī)器人長(zhǎng)43 mm,寬43 mm,高35 mm,重80 g。外殼和底座采用黑色樹(shù)脂3D打印,表面噴彩色模型漆。其機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖2所示,主要包含以下三部分:

▲圖2 CoCube機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)爆炸圖

(1) 移動(dòng)底盤:CoCube采用三輪構(gòu)型。驅(qū)動(dòng)輪裝有橡膠O形圈以增加與地面間的摩擦力,位于底盤后部同軸排布,由兩臺(tái)旋轉(zhuǎn)對(duì)稱安放的微型直流減速電機(jī)通過(guò)齒輪傳動(dòng);從動(dòng)輪由一顆4 mm直徑不銹鋼球充當(dāng),由內(nèi)向外嵌入底盤前部,并被一塊尼龍3D打印件固定,起到防止脫落和自潤(rùn)滑的作用。

(2) 主電路板:考慮到PCBA生產(chǎn)工藝,除槽型透射式光中斷器外,其余電子元件全部設(shè)計(jì)于PCB正面,方便單面SMT、降低成本。在PCB背面留有4個(gè)觸點(diǎn),電機(jī)的簧片可以直接與觸點(diǎn)接觸實(shí)現(xiàn)供電。

(3) 燈板與外殼:外殼頂部設(shè)計(jì)為格柵狀,防止各個(gè)燈珠發(fā)出的光相互干擾。頂部粘貼的PET磨砂面板,可使透過(guò)的光均勻柔和,呈現(xiàn)更好的視覺(jué)效果。外殼后部在Type C母座和滑動(dòng)開(kāi)關(guān)處留有孔位,方便充電、燒錄程序與開(kāi)關(guān)機(jī)。

1.3 定位系統(tǒng)與通信環(huán)境配置

對(duì)于集中式集群機(jī)器人系統(tǒng)而言,精準(zhǔn)的機(jī)器人定位與低延遲通信至關(guān)重要。如圖3展示了CoCube定位系統(tǒng)與通信環(huán)境配置,包含一臺(tái)上位機(jī)電腦、路由器、攝像頭、俯拍相機(jī)支架、桌墊以及數(shù)個(gè)CoCube機(jī)器人。

系統(tǒng)通過(guò)機(jī)器視覺(jué)識(shí)別各CoCube機(jī)器人頂部燈板顯示的標(biāo)記來(lái)跟蹤各機(jī)器人的位置和方向。為了高效地識(shí)別并區(qū)分機(jī)器人,本項(xiàng)目選用4×4編碼的ArUco基準(zhǔn)標(biāo)記圖案標(biāo)識(shí)機(jī)器人的ID和位姿,共可編碼50個(gè)不同的ID,且恰好能在8×8大小的燈板上完整顯示,呈現(xiàn)出較強(qiáng)的視覺(jué)觀賞性。系統(tǒng)也保留了直接在機(jī)器人頂部粘貼ArUco卡片的方法,在調(diào)試階段有更強(qiáng)的易用性。

系統(tǒng)選用羅技C930C攝像頭,在720 p和1080 p分辨率下,最高可達(dá)到60 Hz和30 Hz的刷新率。將其用俯拍相機(jī)支架固定于距離桌面的高度50 cm的位置時(shí),捕捉畫(huà)面的實(shí)際尺寸大約為86 cm×48 cm。上位機(jī)電腦連接攝像頭后,借助Python的OpenCV庫(kù),可以快速計(jì)算出畫(huà)面內(nèi)各個(gè)ArUco圖案的ID和位姿。由于ArUco圖案位于機(jī)器人頂部,且機(jī)器人的高度不可忽略,還需根據(jù)透視原理對(duì)機(jī)器人實(shí)際位置進(jìn)行一定的校正。

此外,系統(tǒng)定制了低反光率、表面摩擦系數(shù)大、易于收納的TPU墊作為CoCube機(jī)器人的移動(dòng)平面,保證在實(shí)際光場(chǎng)情況下,不會(huì)干擾攝像頭對(duì)ArUco圖案的識(shí)別,也可以減少CoCube機(jī)器人驅(qū)動(dòng)輪和移動(dòng)平面之間的打滑。

系統(tǒng)使用一臺(tái)路由器實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)的構(gòu)建。為方便對(duì)數(shù)量眾多的機(jī)器人管理,可登錄路由器管理界面為各個(gè)CoCube機(jī)器人獨(dú)立命名和編號(hào),并綁定一個(gè)靜態(tài)IP地址,以便節(jié)省機(jī)器人開(kāi)機(jī)后獲取IP的時(shí)間,大大縮短連接等待時(shí)間,方便上位機(jī)程序中通過(guò)IP地址直接對(duì)應(yīng)某一個(gè)CoCube。為進(jìn)一步保證通信質(zhì)量、降低通信延遲,還應(yīng)當(dāng)用網(wǎng)線將電腦與路由器直接連接,并避免CoCube機(jī)器人和路由器之間距離過(guò)遠(yuǎn)。

2 軟件與算法開(kāi)發(fā)

2.1 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)行為校準(zhǔn)

如圖 4所示雙輪驅(qū)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型[14],當(dāng)機(jī)器人的兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪分別以vL和vR勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),有:

其中:

由于硬件差異,各個(gè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)行為存在著一定的差異,需要對(duì)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)。如圖 5所示,首先對(duì)機(jī)器人電機(jī)的最小轉(zhuǎn)速占空比進(jìn)行校準(zhǔn),使得機(jī)器人剛好能夠克服摩擦力而運(yùn)動(dòng);其次對(duì)電機(jī)的偏好速度占空比和電機(jī)之間的差異進(jìn)行校準(zhǔn),以保證機(jī)器人能夠以標(biāo)稱的7.5 cm/s的速度移動(dòng),且移動(dòng)3 s產(chǎn)生的橫向偏移不超過(guò)2 cm。

▲圖4 雙輪差速移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)模型

▲圖5 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)行為校準(zhǔn)

2.1 單機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制

上位機(jī)程序識(shí)別機(jī)器人的位姿后,實(shí)時(shí)計(jì)算出目標(biāo)點(diǎn)距機(jī)器人的偏差距離和相對(duì)偏移方向,將上述信息以及目標(biāo)點(diǎn)指定方向打包成JSON格式,通過(guò)用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議(UDP)發(fā)送給機(jī)器人特定的IP地址和端口號(hào)。機(jī)器人接收到信息后,根據(jù)如圖 6所示的基于有限狀態(tài)機(jī)的位置控制策略,移動(dòng)到目標(biāo)位置。

▲圖6 機(jī)器人位置控制策略

2.2 多機(jī)器人隊(duì)形控制

如圖7,以多機(jī)器人系統(tǒng)中常用的隊(duì)形控制為例,來(lái)說(shuō)明本系統(tǒng)在多機(jī)器人控制上的方法。

▲圖7 系統(tǒng)多機(jī)器人編隊(duì)控制方法

(1) 目標(biāo)追蹤:通過(guò)機(jī)器視覺(jué)識(shí)別出各CoCube機(jī)器人頂部的ArUco圖案的ID和位姿,經(jīng)過(guò)校正得到各個(gè)機(jī)器人實(shí)時(shí)的位置和旋轉(zhuǎn)方向。當(dāng)系統(tǒng)中存在障礙物遮擋的情況下,可增加卡爾曼濾波對(duì)各機(jī)器人的目標(biāo)位置進(jìn)行預(yù)測(cè)。

(2) 隊(duì)形生成:本項(xiàng)目使用基于加權(quán)Voronoi圖的區(qū)域覆蓋算法,根據(jù)所導(dǎo)入圖片的灰度填充任意數(shù)量的點(diǎn),作為多機(jī)器人的目標(biāo)位置。該算法生成的目標(biāo)點(diǎn)分布均勻、具有較強(qiáng)的視覺(jué)吸引力,適用于數(shù)量較多、形狀復(fù)雜的隊(duì)形生成場(chǎng)景。

(3) 角色分配:當(dāng)機(jī)器人由一個(gè)隊(duì)形變換至另一個(gè)隊(duì)形時(shí),需要合理為各個(gè)機(jī)器人分配目標(biāo)點(diǎn),避免路徑過(guò)度混亂。在本項(xiàng)目中采用匈牙利算法,求解出機(jī)器人移動(dòng)路徑之和最短的分配方法。

(4) 路徑規(guī)劃:隨著系統(tǒng)中機(jī)器人數(shù)量增多,上位機(jī)需要為各個(gè)機(jī)器人設(shè)計(jì)合理的運(yùn)動(dòng)軌跡,避免其在移動(dòng)過(guò)程中相互碰撞。本文使用最佳相互碰撞避免算法(ORCA)規(guī)劃出個(gè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)路徑的關(guān)鍵點(diǎn),分次序作為各機(jī)器人的目標(biāo)點(diǎn)。

(5) 燈板顯示:當(dāng)所有機(jī)器人都移動(dòng)到指定終點(diǎn)目標(biāo)后,可以控制所有機(jī)器人的燈板整體呈現(xiàn)終點(diǎn)目標(biāo)位置的顏色,或呈現(xiàn)呼吸燈、跑馬燈等動(dòng)態(tài)效果。

2.3 交互功能

在集群機(jī)器人研究中,可以增加人機(jī)交互功能,本項(xiàng)目采用以下兩種方法。

第一種方法可采用機(jī)器視覺(jué)。當(dāng)人手抬起機(jī)器人時(shí),攝像頭畫(huà)面中ArUco圖案的尺寸會(huì)變大;當(dāng)人移動(dòng)或者旋轉(zhuǎn)機(jī)器人時(shí),攝像頭也能夠及時(shí)捕捉到機(jī)器人位姿的變化;此外還可以通過(guò)機(jī)器視覺(jué)實(shí)現(xiàn)對(duì)人手或者其他物品的識(shí)別,作為與多機(jī)器人系統(tǒng)交互的觸發(fā)事件。

第二種方法可采用機(jī)器學(xué)習(xí)。利用機(jī)器人內(nèi)置的MPU6050陀螺儀,借助TinyML和TensorFlow Lite,識(shí)別出抬起、旋轉(zhuǎn)、晃動(dòng)等動(dòng)作,進(jìn)而控制機(jī)器人做出燈光閃爍、變換顏色或者發(fā)出聲響等交互效果。

3 應(yīng)用驗(yàn)證

3.1 系統(tǒng)應(yīng)用

本桌面級(jí)群控機(jī)器人系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用如圖8所示,可將本系統(tǒng)應(yīng)用于迷宮路徑規(guī)劃、自動(dòng)跟車、隊(duì)形變換、足球機(jī)器人等場(chǎng)景。

▲圖8 系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用圖

3.2 系統(tǒng)測(cè)試

本文進(jìn)一步評(píng)估了CoCube桌面級(jí)群控機(jī)器人系統(tǒng)的技術(shù)能力,包括:

(1) 通過(guò)控制機(jī)器人在定位墊上移動(dòng)固定時(shí)間并測(cè)量其移動(dòng)距離,評(píng)估機(jī)器人的最大移動(dòng)速度;

(2) 通過(guò)控制系統(tǒng)記錄機(jī)器人與目標(biāo)的距離和角度偏差,評(píng)估本系統(tǒng)視覺(jué)定位和控制方案下機(jī)器人的位置和方向精度;

(3) 通過(guò)控制上位機(jī)以50 Hz頻率發(fā)送控制指令,控制機(jī)器人與路由器相距5 m,根據(jù)機(jī)器人單位時(shí)間收到控制指令的個(gè)數(shù)計(jì)算通信的丟包率,以評(píng)估通信魯棒性;

(4) 通過(guò)比較上位機(jī)對(duì)每個(gè)機(jī)器人視覺(jué)跟蹤、路徑規(guī)劃和發(fā)送UDP數(shù)據(jù)包的時(shí)間戳,以評(píng)估控制環(huán)的延遲。

3.3 測(cè)試結(jié)果

對(duì)上述(1)-(3)開(kāi)展實(shí)驗(yàn),得到表1的技術(shù)參數(shù)表。

表1 系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)表

對(duì)上述(4)開(kāi)展實(shí)驗(yàn),測(cè)得平均延遲為:視覺(jué)跟蹤7 ms,為單個(gè)機(jī)器人路徑規(guī)劃并發(fā)送UDP數(shù)據(jù)包的總時(shí)間為0.65 ms。系統(tǒng)理論上能夠以50 Hz的頻率控制20個(gè)機(jī)器人。

4 結(jié)論

本文針對(duì)高校多機(jī)器人集群控制研究的需求,設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一款桌面級(jí)群控機(jī)器人系統(tǒng),機(jī)器人小巧便攜、成本可控,還可以通過(guò)機(jī)器視覺(jué)方法實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)定位和運(yùn)動(dòng)控制。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試,本系統(tǒng)具有較強(qiáng)的魯棒性,在多機(jī)器人控制算法快速部署上具有一定的實(shí)際價(jià)值。