【IoT迷你赛】LORA物联网机器人

1.物联网机器人

物联网是以互联网、电信网络等为基础的信息载体，使普通万物形成互联网络。物联网机器人是融合机器人技术与物联网技术的产品，二者是高度互补的。前者侧重在于感知、跟踪以及监测，后者则侧重在于行动、交互以及自主操作。

2.LoRa网络

LoRa是一种新型的可远距离传输数据并且具有低功耗的网络技术，它使得我们可以以低发射功率获得更广距离传输。LoRa是目前最成熟、稳定的窄带物联网通讯技术。LoRa是物联网世界的“Wifi”。LoRa网络主要由终端（可内置LoRa模块）、网关（或称基站）、Server和云四部分组成。应用数据可双向传输。一般说来，传输速率、工作频段和网络拓扑结构是影响传感网络特性的三个主要参数。

物联网机器人架构的概念图具体如下所示：

3.机械臂控制算法设计

本次设计的具体机器人系统以机械臂为例，机械臂是典型的多体系统，其通过6个关节的运动可以实现末端的六维运动。在抓取、搬运以及操控等任务中发挥着重要的作用。

机械臂的控制方式主要是位置控制、导纳控制、阻抗控制以及力/位混合控制等。导纳控制主要是用于机械臂与环境的交互。在机械臂面向于实际的工业场景中，可以帮助工厂完成重复性劳动；机械臂应用在医疗场景中，可以帮助医生和护士完成高危的任务；机械臂应用在家庭场景中，可以完成家务整理、陪伴以及护理等任务。

本次设定中，假定机器人处于工厂应用场景中，机器人在工厂出现危险物品泄露的情况下接受人的远程操作指令，完成特定的任务。

机器人采用UR10机械臂，控制系统采用机器人操作系统ROS，在ROS中编写面向于生活应用的机器人操作控制程序。

ROS程序的编写可以参见网站相关内容

http://wiki.ros.org/cn/ROS/Tutorials

ROS的安装步骤可以参考网站相关内容

http://wiki.ros.org/cn/kinetic/Installation/Ubuntu

其安装步骤主要包括:配置 Ubuntu 软件仓库-添加 sources.list-添加公钥安装-初始化 rosdep-环境配置-构建依赖等步骤.

一维的导纳控制可以表示如下：

导纳控制的具体原理表示如下，其将机器人等效为一个质量弹簧阻尼系统，

机械臂的导纳控制是机械臂与外部环境之间交互的重要算法，其使得机械臂在与外部环境交互的过程中，

4.物联网机器人系统框架

系统主要硬件配置如下所示：

物联网开发板采用的是P-NUCLEO-LRWAN3完整套件，包括网关和节点，可以用于LoRaWAN网络，LoRa网关是由ST Nucleo-F746ZG+SX1301的LRWAN_GS模块组成，ST Nucleo LoRa节点套件是由LRWAN_NS1扩展版以及ST Nucleo_L073组成。

机器人系统端采用UR10机械臂，UR10 机械臂上安装有RG6末端执行器。

下面给出两种方案：

第一种物联网机器人方案是将温度和适度传感器布置在工厂环境的所有重要部位，当节点传感器接收到异常数据，机械臂到达指定位置并且将松的阀门拧紧。此种架构的示意图如下。在该方案下，物联网子系统主要作用于发现问题和分析问题，机器人旨在解决问题。

第二种物联网机器人方案是机器人末端安装有温度和湿度传感器，机器人可以载着传感器到指定工厂位置去检测温湿度。机器人在此方案中与物联网联合，检测和解决问题。

5.系统调试

节点程序中需要事先声明devEUI以及AppKey

程序中的温度和湿度采集函数如下所示

uint8_t HTS221_Get_Temperature(int16_t* temperature);

uint8_t HTS221_Get_Humidity(int16_t* humidity);

二者均是RHF76.c中采集温度和湿度的函数，基于I2C协议。

且tos_lora_module_send函数将相关数据发送到LoRa网络中。

连接正常后出现如下串口收发日志：

节点处硬件连接后，设备管理器可以看到stm32的端口，具体如下

LOT设备在接入云端前，需要在物联网开发平台定义产品、模板以及数据定义。数据定义以及设备信息如下所示：

云端看到设备在线状态后，可以看到设备的上行和下行数据

设备上报数据：2020-04-16 20:14:08

{

"method": "report",

"clientToken": "2020-04-16T12:14:08.517Z",

"params": {

"temperature": 19,

"humidity": 65,

"period": 2

}

}

下发控制指令：2020-04-16 20:14:50

{

"method": "control",

"clientToken": "clientToken-1ba59b0b-2d76-4d9d-b65c-c09d6da94166",

"params": {

"period": 10

}

}

机器人根据设备上行和下行数据动作。

温湿度发现数据臂常规数据过大或者过小的时候，机械臂会带着末端执行器到达阀门所在位置，机械臂通过末端的力控制算法将阀门拧紧，防止泄露等。

case1: 传感器放置在环境中，监测关键部位的温度湿度，机械臂到达指定位置执行操作

case2: 传感器放置在机械臂上，机械臂携带节点传感器监测环境中的温湿度。

6后续计划：

a物联网机器人与云结合将会最大限度发挥系统应用范围，拓展了各自的领域；

b物联网与机器人的数据交互部分有必要研究特定的模块使得开发与数据交互更加方便；

c物联网机器人系统二者的结合，使得系统更加复杂，有必要研究集成的多传感器以及机器人控制的PC端;

d物联网与机器人的强强联合，有必要探讨更佳的用户体验，使得强强联合的技术可以促使物联网机器人走进千家万户；

e机器人本身的状态数据有必要通过LoRa网络回传到云端，云端需要根据设备数据建立监控平台。