| 摘要：IEEE 1451是一種從傳感器或執(zhí)行器到微處理器及網(wǎng)絡(luò)之間的硬件和軟件接口標(biāo)準(zhǔn)。本文根據(jù)1451.1標(biāo)準(zhǔn),研制面向Internet的網(wǎng)絡(luò)化智能機(jī)器人手爪傳感器系統(tǒng),并給出硬件設(shè)計(jì)框圖和軟件流程。 關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器 IEEE 1451.1 機(jī)器人手爪 引言 傳感器與網(wǎng)絡(luò)相連,是信息技術(shù)發(fā)展的一種必然趨勢(shì)。然而控制總線網(wǎng)絡(luò)多種多樣,千差萬別,內(nèi)部結(jié)構(gòu)、通信接口、通信協(xié)議各不相同,以此來連接各種變送器（包括傳感器和執(zhí)行器）,則要求這些傳感器或執(zhí)行器必須符合這些標(biāo)準(zhǔn)總線的有關(guān)規(guī)定。由于技術(shù)上、成本上的原因,傳感器的制造商無法使自己的產(chǎn)品同時(shí)滿足各種各樣的現(xiàn)場(chǎng)總線要求,而這些現(xiàn)場(chǎng)總線本身有各自的優(yōu)點(diǎn),針對(duì)不同的應(yīng)用對(duì)象,有自身的優(yōu)勢(shì);但它們之間的不兼容性、不可互操作性和各自為戰(zhàn)的弊端,給廣大用戶帶來了很大的不便。一個(gè)通用的、普遍接受的傳感器接口標(biāo)準(zhǔn)將使制造商、系統(tǒng)集成者和最終用戶受益,這就是IEEE 1451標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)生最直接的原因[1～8]。在各方努力下,IEEE和NIST在1997年和1999年頒布了IEEE 1451.2和IEEE 1451.1標(biāo)準(zhǔn),同時(shí)成立了2個(gè)新的工作組對(duì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行進(jìn)一步的擴(kuò)展,即IEEE P1451.3和IEEEP1451.4。
IEEE 1451.2標(biāo)準(zhǔn)定義了一個(gè)連接傳感器到微處理器數(shù)字接口（STIM）,并通過網(wǎng)絡(luò)適配器（NCAP）把傳感器和執(zhí)行器連接到網(wǎng)絡(luò);IEEE 1451.1標(biāo)準(zhǔn)定義了網(wǎng)絡(luò)獨(dú)立的信息模型,使傳感器接口與NCAP相連,它使用了面向?qū)ο蟮哪Ｐ投x提供給智能傳感器及其組件。根據(jù)IEEE 1451.2標(biāo)準(zhǔn),要研制一個(gè)網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器系統(tǒng)需要2個(gè)微處理器,分別承擔(dān)STIM模塊和NCAP模塊的內(nèi)核作用,這給系統(tǒng)的研制帶來了很大的難度和復(fù)雜性。據(jù)IEEE和NIST最新資料,1451.X標(biāo)準(zhǔn)之間可以一起使用,也可以單獨(dú)使用。我們采用NetBox網(wǎng)絡(luò)模塊作為開發(fā)平臺(tái)[9],設(shè)計(jì)了基于IEEE1451.1網(wǎng)絡(luò)化智能機(jī)器人手爪傳感器系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了對(duì)機(jī)器人手爪狀態(tài)的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控,為整個(gè)機(jī)器人的網(wǎng)絡(luò)控制打下了基礎(chǔ)。 1 硬件設(shè)計(jì) 1.1 系統(tǒng)總體框圖 基于IEEE 1451.1標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)化智能機(jī)器人手爪傳感器系統(tǒng)如圖1所示。它由傳感器、數(shù)據(jù)采集電路和NetBox網(wǎng)絡(luò)模塊組成。
1.2 傳感器簡(jiǎn)介 機(jī)器人手爪是機(jī)器人執(zhí)行精巧和復(fù)雜任務(wù)的重要部件[10]。為了機(jī)器人能在存在不確定性因素的環(huán)境中進(jìn)行靈巧操作,其手爪必須具有很強(qiáng)的感知能力。即在機(jī)器人手爪上配置多種傳感器。手爪通過傳感器獲得外部環(huán)境的信息,以實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確、柔順地觸摸、抓取、操作工作等。 EMR機(jī)器人手爪的感覺系統(tǒng)由具有適當(dāng)空間分布的10個(gè)力覺、6個(gè)接近覺、1個(gè)距離覺以及1個(gè)溫度傳感器構(gòu)成。它們被一體化地設(shè)計(jì)和集成到手爪中,并且在手爪上集成了傳感器的信號(hào)調(diào)理電路,對(duì)外是一個(gè)15芯的接口來輸出傳感器信號(hào)和接入電源。采用神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)方法,對(duì)多傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合,可得到手爪的握力大小,判斷手爪是否與工件安全連接（即可靠抓�。┮杂脵C(jī)器人手腕部所受的多維力大小和方向[11]。
1.3 數(shù)據(jù)采集電路 數(shù)據(jù)采集電路如圖1所示。它主要由4部分組成：位移傳感器脈沖信號(hào)接收電路、8253計(jì)數(shù)器電路、A/D轉(zhuǎn)換電路和地址譯碼電路。其工作原理如下：NetBox模塊通過CS0選通地址譯碼器,4根地址線可最多有16路輸出,從而選通相應(yīng)的電路,啟動(dòng)相應(yīng)的功能。比如通過地址設(shè)譯碼電路可選通多路模擬開關(guān),從而進(jìn)行機(jī)器手爪的力覺、接近覺和溫度傳感器的三個(gè)通道選擇,從而采集相應(yīng)的傳感器信號(hào);也可通過地址譯碼電路選中A/D轉(zhuǎn)換器, 通過NetBox系統(tǒng)的XCLK時(shí)鐘分頻輸出控制A/D轉(zhuǎn)換,而A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束后信號(hào)通過狀態(tài)線返回到NetBox的XIRQ,從而觸發(fā)中斷,讀取A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果。 1.4 NCAP 針對(duì)網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器的特點(diǎn),我們選用了嵌入式網(wǎng)絡(luò)模塊NetBox作為NCAP的研制平臺(tái)。它的微處理器是Intel的高性能、32bit嵌入式微處理器386EX。NetBox模塊上設(shè)置了多種通信接口,包括可直接連接的以及網(wǎng)10Base-T接口、標(biāo)準(zhǔn)的RS232C接口、可擴(kuò)展的RS422/RS485接口以及完善靈活的精簡(jiǎn)總線接口,可與大多數(shù)的A/D、D/A、DIO、定時(shí)器、雙口RAM等器件直接相連,而不需要任何接口邏輯電路等。圖2所示為NetBox模塊的功能框圖。 2 軟件設(shè)計(jì) 2.1 軟件框圖 系統(tǒng)軟件框圖如圖3所示。系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計(jì),按功能分為：監(jiān)控程序、外部中斷服務(wù)程序、定時(shí)器中斷服務(wù)程序、初始化模塊、LCD顯示模塊、網(wǎng)絡(luò)通信模塊、客戶端服務(wù)程序和數(shù)據(jù)處理模塊。 2.2 系統(tǒng)工作流程 根據(jù)IEEE 1451標(biāo)準(zhǔn)的要求,我們利用CGI（通用網(wǎng)關(guān)接口）原理,把NetBox作為NCAP（網(wǎng)絡(luò)適配器）,建立了嵌入式WEB服務(wù)器,網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是TCP/IP。圖4是系統(tǒng)的工作流程圖。系統(tǒng)啟動(dòng)初始化以后,判斷客戶端網(wǎng)絡(luò)可有服務(wù)請(qǐng)求。有請(qǐng)求則轉(zhuǎn)向相應(yīng)的處理,沒有請(qǐng)求則判斷數(shù)據(jù)處理定時(shí)到否。到則進(jìn)行多傳感器數(shù)據(jù)融合,得出機(jī)器人手爪當(dāng)前的相應(yīng)工作狀態(tài),為機(jī)器人的控制、 安全操作和行走提供決策的依據(jù)。 2.3 中斷服務(wù)程序 在本系統(tǒng)中,我們利用NetBox的中斷功能來采集傳感器數(shù)據(jù)和利用對(duì)外的輸出時(shí)鐘信號(hào)來控制A/D轉(zhuǎn)換。圖5是中斷服務(wù)程序流程圖。因?yàn)闄C(jī)器人手爪具有4種不同的傳感器,具各種傳感器具有不同的數(shù)量。在中斷服務(wù)程序中,采用設(shè)定標(biāo)志位的方法,判斷每一種傳感器數(shù)據(jù)采集工作是否結(jié)束。沒有結(jié)束時(shí),繼續(xù)當(dāng)前傳感器的采樣;否則,轉(zhuǎn)入下一種傳感器的數(shù)據(jù)采集。在系統(tǒng)中斷服務(wù)程序中沒有相應(yīng)的傳感器數(shù)據(jù)處理工作,是考慮到系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理的工作量比較大,而且使用神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)算法進(jìn)行數(shù)據(jù)融合,否則易發(fā)生丟失數(shù)據(jù)。 結(jié)束語 在面向Internet的網(wǎng)絡(luò)化智能機(jī)器人手爪傳感器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中,我們采用了IEEE 1451.1標(biāo)準(zhǔn)中的一些先進(jìn)技術(shù),系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：①電子數(shù)據(jù)表格TEDS技術(shù),它可以充分描述傳感器的類型、行為、性能屬性和相關(guān)的參數(shù)。比如,傳感器生產(chǎn)商的名稱、傳感器的類型和序列號(hào)等等,從而使傳感器具有了自我描述能力和自我識(shí)別能力;②校正引擎技術(shù),使傳感器內(nèi)部具有自動(dòng)修正誤差和自我補(bǔ)償能力;③支持TCP/IP協(xié)議,使系統(tǒng)只要在任何一個(gè)具有一定IP地址的Internet終端節(jié)點(diǎn)上,做到即插即用。 |
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