【睿尔曼-RealMan】单臂复合机器人平台使用手册
Brion 2024-03-22
单臂复合机器人平台
睿尔曼智能科技（北京）有限公司
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前言
睿尔曼单臂复合机器人平台，旨在为机器人教育提供强大的实训平台，该平台全自主研发可实现机器人建图导航、路径规划，机械臂运动学、动力学、轨迹规划、视觉识别等算法和应用，提供丰富的控制案例和开放式的软件框架，支持用户针对使用场景进行应用开发。平台集成了移动底盘、深度视觉、语音模块、超轻量仿人机械臂、五指灵巧手、两指夹爪等各种仿人功能设备。同时在移动底盘上安装了超声波、激光雷达、视觉传感器，使该平台变得更加安全、智能。
平台总高 1360mm，最大臂展1040mm，单臂负载5kg且包含6/7个自由度，整体小巧灵活，可实现自主导航及避障、语音交互控制、视觉识别定位、单臂协同作业、拖动示教复现等一系列功能。控制方面提供多种二次开发形式、支持多种通讯方式、开放度高。致力于使传统机器人变成一个有手、有脚、有耳、有眼、有触觉、有大脑，可示教学习，亦可自主规划，实用性强的高智能化产品。
一、产品概述
1.1产品特点
该教育平台主要应用于教育教学，因此需要提供尽可能多的学习资源、方便的使用软件、开放式的二次开发接口，具有以下特点：
（1）集成度高：各部件尽量采用一体化集成设计，方便维护，节省空间；
（2）交互性好：设计方便易懂的人机交互界面，便于学习者能够更快的了解系统；
（3）开放性强：提供多种二次开发形式，便于应用；
（4）功能丰富：平台搭载移动底盘、机械臂、视觉传感器、五指灵巧手，可适用于多种应用场景。
1.2 功能描述
机器人硬件各系统功能描述如下：
（1）移动底盘：该部分负责机器人的建图导航、供电和支撑作用。
（2）头部：内置深度视觉，并设计了2个旋转关节，可进行头部的旋转和俯仰控制；深度视觉用于对目标物体的识别和定位，引导机械臂进行抓取操作。
（3）机械臂系统：机械臂是机器人的执行系统，包含机械臂和五指灵巧手，是主要的动作执行单元。
（4）躯干：该部分内置系统的主控模块，负责与用户交互、视觉图形处理并控制机械臂、控制移动底盘等设备，为使用者提供开发平台。并在躯干部分增加1个旋转关节，扩到机械臂系统运动范围，增强使用的灵活性和环境适应能力。
图1 机器人系统组成框图
1.3 系统通讯
主控模块是系统的控制中枢，负责与用户交互、视觉图形处理、语音模块处理并控制机械臂、控制移动底盘等设备，系统信息流及接口如下所示。
图2 系统信息流示意图
二、整机参数
图3 单臂机器人结构说明
充电电源：单相三线～220V±10% 50Hz
工作电压：DC24V
工作环境：温度-10℃～+40℃ 相对湿度≤85%（25℃） 海拔＜4000m
平台尺寸：平台高度1360mm，最大臂展1040mm
安全保护：具有激光扫描避障、视觉避障、紧急停止等功能
对外接口：网口、USB口、HDMI
三、分系统设计
3.1 移动底盘
移动底盘为机器人的主要运动和承载部分，负责对室内环境进行建图，同时路径规划后到达用户指定位置进行作业。另外，具备自动充电功能，当系统电量不足时，可自主移动到充电桩处充电。移动底盘配套充电桩，外形及参数如下所示：
图4 移动底盘
序号 参数名称 数值
1 型号 Water2
2 尺寸（直径*高） 505*280
3 重量（Kg） 50
4 负载（Kg） 60
5 驱动方式 六轮（2个驱动轮+4个万向轮）
差速驱动+主动悬挂 250W轮毂伺服电机x2
6 导航方式 激光雷达导航
7 导航精度（cm） ±5
8 电池参数 32Ah
9 对外供电 24V/20A
10 通讯接口 网口/WIFI
11 工作时长（小时） 静止可运行20小时，无负载运行（0.7m/s）可运行11小时
12 传感器 10m激光测距雷达、深度摄像头（视角：H=58.4° V=45.5° ，距离： 0.35~2m）、超声波测距传感器
表1 移动底盘参数
3.2 头部
3.2.1 视觉模块
视觉模块搭载在机器人头部，用于识别目标物体并定位，引导机械臂到达合适抓取位置。该传感器选用Intel Realsense D435，可直接通过USB3.0供电和数据通信，能同时获取深度图像与彩色图像，有效距离0.11m~10m，可满足使用需求。视觉传感器参数如下表所示：
| 序号 | 参数名称 | 参数值 |
|---|---|---|
| 1 | 型号 | Intel Realsense D435 |
| 2 | 深度视场角 | 87°*58° |
| 3 | 深度分辨率 | 1280*720 |
| 4 | 理想使用范围 | 0.3m~3m |
| 5 | 尺寸 | 90mm*25mm*25mm |
| 6 | 供电 | 5V |
| 7 | 通讯 | USB 3.0 |
表2 视觉传感器参数
图5 Intel Realsense D435
3.3机械臂系统
3.3.1 机械臂本体
机械臂为睿尔曼RM65-B机器人，见下图，具体参数见下表。
图6 RM65-B机械臂
| 自由度 | 6 |
| 臂展 | 610mm |
| 额定负载 | 5Kg |
| 电源 | DC24V |
| 自重（带控制器） | 7.2Kg |
| 关节最大速度 | 225°/s |
| 末端重复定位精度 | ±0.05mm |
| 通讯方式 | RS232/Ethernet/WIFI |
| 外设接口 | RS485/USB/ Ethernet |
表3 机械臂参数
3.3.2末端执行器
末端执行器采用因时的五指灵巧手，可模拟人手动作，对不规则的物体进行抓取。
图7末端执行器
| 序号 | 参数名称 | 参数值 |
|---|---|---|
| 1 | 关节总数 | 12 |
| 2 | 自由度 | 6 |
| 3 | 力分辨率 | 0.5N |
| 4 | 四指握力 | 0~10N |
| 5 | 拇指握力 | 0~15N |
| 6 | 供电电压 | 24V |
| 7 | 最大电流 | 5A |
表4 末端执行器参数
基于系统设计的精巧与美观原则，我们力求避免线缆的繁杂与设备的冗余，特别选取了五指灵巧手作为执行器，并将其直接集成在机械臂的末端。这样的设计不仅优化了整体结构，还提升了操作的便捷性。
该灵巧手集成了6个微型伺服电缸，用户接口采用 RS485通信接口，内置灵敏的压力传感器，通过设置不同的阈值方便用户进行不同硬度物体的抓取，简洁高效的接口控制指令可使用户快速实现对灵巧手的操控，优质的性能使该灵巧手应用于服务机器人、教学教具、假肢等领域。
3.4 躯干
3.4.1主控模块
主控模块是整个系统的控制中枢，主要负责以下功能：
1、与用户通过WIFI通信，接收用户指令，上传系统状态；
2、通过USB3.0接收视觉传感器，对目标物体进行识别和定位；
3、通过网口与机械臂通信，发送机械臂控制指令，获取机械臂状态信息；
4、通过网口与移动底盘通信，发送底盘控制指令，获取底盘状态信息。
该模块选择Nvidia Jetson Xavier NX模组，该模组预装Ubuntu20.04系统，CPU配备了6核NVIDIA Carmel Arm® v8.2 64 位,CPU最大功率为1.9GHZ，GPU搭载 48 个 Tensor Core 的 384 核 NVIDIA Volta™ 架构 GPU，GPU最大功率为1100MHZ，架构十分适用于移动平台的视觉处理任务。 视觉处理模块参数如下表所示：
| 序号 | 参数名称 | 参数值 |
|---|---|---|
| 1 | 型号 | Nvidia Jetson Xavier NX |
| 2 | GPU | 384 核 NVIDIA Volta™ 架构 |
| 3 | CPU | 6核NVIDIA Carmel Arm® v8.2 64 位 |
| 4 | 内存 | 8GB 128-bit LPDDR4x51.2GB/s |
| 5 | 操作系统 | Ubuntu20.04 |
| 6 | 网口数量 | 1 |
| 7 | USB3.0接口数量 | 4 |
| 8 | 显示器接口 | HDMI和DP |
| 9 | 其他接口 | GPIO、I2C、SPI、UART、I2S |
| 10 | 尺寸 | 90mm*103mm*35mm |
表5 主控模块参数
图8 Jetson Xavier NX 模组
3.4.2俯仰舵机
舵机应用在机器人颈部，用来控制机器人头部运转，两个舵机配合，实现头部左右摆动和俯仰的功能，串行总线舵机是通过串口指令的方式进行控制的，即控制板与舵机之间是使用数据的方式进行通信，通过指令包的发送和接收获取舵机当前的状态信息。
同 PWM 舵机驱动方式不同，串行总线舵机是通过串口指令的方式进行控制的，即控制板与舵机之间是使用数据的方式进行通信，通过指令包的发送和接收获取舵机当前的状态信息，是一种闭环的控制形式。
串行总线舵机简单来说需要遵循以下格式：
波特率：9600。帧头：连续收到两个 0x55，表示有数据包到达。
数据长度：等于参数个数 N 加一个指令加数据长度本身占用的一个字节长度，即数据长度 Length 等于参数 N + 2。
| 帧头 | 数据长度 | 指令 | 参数 |
| 0x55 0x55 | Length | CMD | Prm 1...Prm N |
表6 舵机控制格式
图9 总线舵机
3.4.3语音模块
语音模块安装于机器人躯干内部，可对外部音频采集，内部喇叭信号采集；
内置语音唤醒、降噪算法及离线命令，可用于拾取用户语音指令，播放应答信息，
通过 USB 接口与主控模块实现通讯。
| 序号 | 参数名称 | 参数值 |
|---|---|---|
| 1 | 型号 | 科大讯飞AIUI R818 |
| 2 | 主控芯片 | 全志R818 |
| 3 | MIC | 线性阵列4麦 |
| 4 | 控制系统 | Linux |
| 5 | 工作温度 | -20℃~70℃ |
表7 语音模块参数
图10 语音模块
3.5移动底盘
移动底盘为机器人的主要运动和承载部分，负责对室内环境进行建图，同时路径规划后到达用户指定位置进行作业。另外，移动底盘具备自动充电功能，当系统电量不足时，可自主移动到充电桩处充电。移动底盘外观及参数如下：
|
|
参数名称 | 数值 |
|---|---|---|
| 1 | 型号 | Water2 |
| 2 | 尺寸(直径*高) | 505*280 |
| 3 | 重量(Kg) | 50 |
| 4 | 负载(Kg) | 60 |
| 5 | 驱动方式 | 六轮(2个驱动轮+4个万向轮)差速驱动+主动悬挂 250W轮毂伺服电机*2 |
| 6 | 导航方式 | 激光雷达导航 |
| 7 | 导航精度(cm) | ±5 |
| 8 | 电池参数 | 32Ah |
| 9 | 对外供电 | 24V/20A |
| 10 | 通讯接口 | 网口/WIFI |
| 11 | 工作时长(小时) | 静止可运行20小时，无负载运行(0.7m/s)，可运行11小时 |
| 12 | 传感器 | 10m 激光测距雷达、深度摄像头（视角：H=58.4° V=45.5°，距离：0.35~2m）、超声波测距传感器 |
表8 移动底盘参数
图11 移动底盘
四、产品配置
单臂复合机器人产品配置如下表：
| 序号 | 名称 | 设备型号/规格 | 数量 |
|---|---|---|---|
| 移动底盘 | Water2 | 1台 | |
| 6/7自由度机械臂 | RM65-B/RM75-B | 1台 | |
| 五指灵巧手 | RH56 | 1台 | |
| 深度视觉相机 | Inter Real Sense D435 | 1台 | |
| 舵机 | LX-224HV | 1套 | |
| 主控模块 | NX 8G | 1台 | |
| 语音模块 | AIUI R818 | 1套 | |
| 外壳 | 定制 | 1套 | |
| 电气配件 | - | 1套 |
表9 产品配置表
五、使用说明
5.1机械臂通讯连接
单臂复合机器人平台整体通过以太网进行连接，并留有对外接口，各个模块IP地址设置如下：
移动平台：IP 192.168.10.10
主控模块：IP 192.168.10.11
机械臂：IP 192.168.10.18 端口号 8080
5.2设备开关机
步骤一：安装机械臂末端工具，机器人发货时，灵巧手已经取下，进行单独包装，使用前，需要安装好所有配件。注意灵巧手安装方向，安装如图所示。
图12 灵巧手安装
步骤二：打开机器人总开关
机器人总电源开关位于移动底盘上，（位置：移动小车中间中空位置上侧），
长按听到移动底盘发出连续响声后松开，开关位置如下图所示：
步骤三：分系统上电。
检查急停开关是否在正常状态，如果处于按下状态，顺时针旋转按钮，使按
钮弹起，机器人正常开机，胸前状态指示灯变为绿色。
步骤四：设备关机。
关闭设备时，长按总电源开机按钮，待听到连续声响后松手即可！
步骤五：设备充电。
将充电桩接通电源后，在移动底盘后侧，有两个充电触点，当触点接触到充电桩前黑色触点后，移动底盘指示灯会闪烁，充电桩亮红灯，代表充电成功。机器人充电桩如图所示。
图13 机器人充电桩
5.3设备调试
步骤一：打开对外调试接口
机器人背部下方有调试接口，连接前需要 将调试盖板打开取下，如图所示。
图14 机器人接口
机器人背部下方包含4个对外通讯接口，接口说明如下。
步骤二：连接对外调试接口
图15 通讯接口
1.HDMI接口，连接显示屏
2.以太网口，可以连接主控模块，移动底盘，机械臂
3. 4 USB插口连接主控模块
步骤三：配置设置(下面以右侧机械臂连接为例)。
本机电脑端口 IP 改为 192.168.1.33 (1 网段除 10、11、18、19 以外的IP 即可）。
图16 电脑ip配置
机械臂示教器web端任意浏览器登陆（推荐使用谷歌浏览器最新版本：https://www.google.cn/chrome/next-steps.html?statcb=1&installdataindex=empty&defaultbrowser=0），通过此人机交互界面，可以操作机器人本体和控制器，执行和创建机器人程序、读取机器人信息。
可根据使用场景，选择不同的示教器载体，示教器支持全平台使用，如安卓平板、Windows系统的平板或电脑、苹果系统的平板或电脑、Linux系统的电脑。示教器载体与机械臂连接可选择有线或无线两种方式。
无线连接默认WIFI名称格式如下图所示，密码默认为12345678。
（1）打开浏览器，若使用有线连接，则网址输入192.168.1.18进入登录页；若使用无线的AP模式连接，则网址输入192.168.33.80。登入页面如下所示
图17 示教器登入页面
(1)输入账号：user，密码：123，点击登录即可进入机器人控制界面。
(2)单击配置----->系统配置----->通讯配置---->设置左臂/右臂IP和端口---->确定---->连接机械臂
图18 示教器连接IP配置
步骤四：机械臂控制
1.点击机械臂示教---->选择真实机械臂，此时可通过示教器进行机械臂控制，示教器的使用请参照用户手册。
图19 升降关节控制
2、连接好机械臂右臂后，点击示教器界面的拓展---->选择拓展关节，点击拓展关节后，当前状态会显示正常或错误代码，然后根据当前需求进行拓展关节控制。注意：开始调试拓展关节时建议将速度调低，对设备熟悉后再进行提速，以免造成意外。
步骤五：在线编程。
机械臂和升降机的在线编程功能，请参考《睿尔曼机器人WEB示教器用户手册-1.6》。
步骤六：其他分系统调试。
其他分系统的开发和调试，可参考随箱U盘中相应的技术资料进行开发。
5.4安全使用注意事项
①行为描述：进行机械臂控制（在线编程或拖拽示教） 操作时、或进行升降机控制时，应考虑机器人本体或其他物体的三维空间避让，否则可能会对机器人本体外壳或显示屏等造成磕碰、划伤。
应对措施：操作前应对动作进行预判，尽量避免危险操作，如无法避免，可以在初始调试时将速度调慢，留好反应时间；同时预判可能有风险发生时，应准备好拍下机器人的急停按钮，避免风险。
②行为描述：使用两指夹爪或五指灵巧手进行夹取物体时，应保证夹取牢靠，同时注意不要超出机械臂和夹爪或五指灵巧手的负载范围。另外由于机械臂5轴、6轴无抱闸，在机械臂断电后（底盘没电或急停拍下时），5轴和6轴会在外力作用下运动，断电后应采取相应措施，以免造成意外。
应对措施：在夹取负载时遵循设备要求，在主动或意外断电时对末端负载进行处理，避免在机械臂5轴和6轴在外力作用下运动发生意外。
六、运输、贮存和开箱
以下按照打包和运输的步骤进行描述，开箱即按照相反步骤进行操作
步骤一：
将五指灵巧手取下单独进行包装。
步骤二：
机器人在运输时应用拖拽示教将姿态按下图调整，同时将双臂停放至最下端位置，减少运输过程中对电机的冲击。
步骤三：
用包装泡沫和包装膜将机器人包覆完整。同时打木箱对机器人进行保护。注意，对机器人进行人力搬运时，必须搬运底盘钣金外壳，不要搬运机器人双臂或外壳，以免损坏机械人内部结构。
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