大型排爆機(jī)器人技術(shù)分析

辛樹(shù)強(qiáng) 趙遠(yuǎn)航

摘 要 排爆機(jī)器人主要由抓取系統(tǒng)、本體行走裝置組成，能夠代替人類(lèi)完成一系列危險(xiǎn)系數(shù)高的作業(yè)。本文從大型排爆機(jī)器人總體方案設(shè)計(jì)入手，對(duì)其系統(tǒng)組成、設(shè)計(jì)內(nèi)容、具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)其應(yīng)用技術(shù)的分析，旨在確保設(shè)備的安全性與穩(wěn)定性，為相關(guān)工作者提供科學(xué)參考與借鑒。

關(guān)鍵詞 排爆機(jī)器人;控制技術(shù);激光引導(dǎo);抓取系統(tǒng)

前言

恐怖活動(dòng)成為制約現(xiàn)今世界和平與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)鍵因素，在西方發(fā)達(dá)國(guó)家，排爆機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)趨于成熟，而我國(guó)對(duì)于該設(shè)備的研制與投入較少。在反恐形勢(shì)逐漸嚴(yán)峻的背景下，大型排爆機(jī)器人成為科研領(lǐng)域的重點(diǎn)內(nèi)容。因此，加強(qiáng)對(duì)大型排爆機(jī)器人技術(shù)的研究與應(yīng)用，對(duì)增強(qiáng)我國(guó)反恐能力、保障人民生命財(cái)產(chǎn)安全，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1大型排爆機(jī)器人總體方案設(shè)計(jì)

（1）系統(tǒng)組成。大型排爆機(jī)器人主要由機(jī)械系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、測(cè)控系統(tǒng)、通信系統(tǒng)組成，各個(gè)系統(tǒng)按照功能又可分為控制系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、機(jī)械手系統(tǒng)等，不同系統(tǒng)分別讓排爆機(jī)器人在作業(yè)時(shí)，發(fā)揮出真正效用，有效避免人員傷亡。排爆機(jī)器人具有較強(qiáng)的適應(yīng)性與抗干擾性，能夠獨(dú)立完成爆炸物的搜索與排除作業(yè)，其手臂能夠根據(jù)地形變換形態(tài)，具有較強(qiáng)越障能力，操作人員與排爆機(jī)器人之間使用無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)系，增強(qiáng)了設(shè)備的時(shí)效性。

（2）設(shè)計(jì)內(nèi)容。基于我國(guó)目前大型排爆機(jī)器人的研究現(xiàn)狀，對(duì)機(jī)器人的技術(shù)進(jìn)行一定改進(jìn)，以此提升排爆機(jī)器人對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性。其中，控制系統(tǒng)的機(jī)械手臂擴(kuò)充為6+1個(gè)自由使用兩個(gè)下機(jī)位PC104控制系統(tǒng)，并配有無(wú)線(xiàn)與有線(xiàn)兩種通訊方式，能夠滿(mǎn)足100米以上的信息通訊要求。此外，下機(jī)位負(fù)責(zé)各軸電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制，并采用全數(shù)字通訊，實(shí)現(xiàn)與上機(jī)位的通訊，使得上機(jī)位與下機(jī)位之間形成一種主從式傳輸形式，分別響應(yīng)控制和查詢(xún)指令、響應(yīng)控制請(qǐng)求與信息反饋。根據(jù)通信協(xié)議，上機(jī)位負(fù)責(zé)發(fā)送請(qǐng)求與接收反饋，下機(jī)位負(fù)責(zé)發(fā)送反饋，避免其他下機(jī)位向該上機(jī)位發(fā)送反饋信息，極大地提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2大型排爆機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

（1）機(jī)械系統(tǒng)。①車(chē)體結(jié)構(gòu)。車(chē)體是保障排爆機(jī)器人能夠完成行走功能的重要部分，車(chē)體能夠根據(jù)大型排爆機(jī)器人的工作環(huán)境與地形，改變前臂、后臂的形態(tài)，避免在越障、過(guò)溝時(shí)對(duì)手臂造成破壞，影響正常使用。同時(shí)，車(chē)體還能根據(jù)地形的傾角測(cè)量車(chē)體仰俯幅度，并向遠(yuǎn)程操作人員提供相應(yīng)提示，避免對(duì)系統(tǒng)造成損壞[1]。②機(jī)械手結(jié)構(gòu)。機(jī)械手是排爆機(jī)器人進(jìn)行作業(yè)的主要部位，在垂直方向上具有較大的力量，使得系統(tǒng)具有較強(qiáng)的適應(yīng)性。腰、大臂、小臂是為機(jī)械手提供力量的主要部位，提供垂直、平行、擺動(dòng)方向的力量。在設(shè)計(jì)時(shí)，主要是對(duì)大、中、小臂以及手爪進(jìn)行設(shè)計(jì)，由腰部提供主要力量來(lái)源，其中，大臂與中臂采用的是電動(dòng)推桿進(jìn)行連接，可有效減少推程，并保證排爆機(jī)器人能夠抓取重量較大的目標(biāo)物體。當(dāng)機(jī)械手在抓住目標(biāo)物體后，手腕便不動(dòng)了，并在推桿的作用下，將物體拋出，極大地減少電機(jī)能耗。手爪部位采用的是四連桿機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)可保證機(jī)械手在斷電后不會(huì)松手，且保證手爪末端在抓取物體時(shí)始終保持平行狀態(tài)，當(dāng)遇到圓形物體時(shí)，又會(huì)抓換成菱形結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)機(jī)械手的適應(yīng)性，有利于提升排爆機(jī)器人的整體性能。

（2）電氣系統(tǒng)。排爆機(jī)器人的電氣系統(tǒng)主要分為兩部分電機(jī)驅(qū)動(dòng)器與計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。其中電機(jī)驅(qū)動(dòng)器主要由變形電機(jī)、旋轉(zhuǎn)電機(jī)、手爪電機(jī)組成，一共配備18臺(tái)電機(jī)，保證系統(tǒng)正常工作。此外，機(jī)器人車(chē)體部位的鋰電池是提供驅(qū)動(dòng)力關(guān)鍵部位，具有過(guò)壓、過(guò)流保護(hù)。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)主要是操作人員通過(guò)遠(yuǎn)程操作系統(tǒng)中的面板向排爆機(jī)器人發(fā)送指令以及接收信息，實(shí)現(xiàn)前方與后方信息的交換。電氣控制系統(tǒng)中的兩個(gè)云臺(tái)自由度與四個(gè)攝像機(jī)能夠滿(mǎn)足后方對(duì)前方實(shí)時(shí)圖像種類(lèi)與數(shù)量的要求，控制核心ARM的232串口會(huì)與接口進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，使得數(shù)據(jù)會(huì)出現(xiàn)在顯示屏幕上，并完成排爆機(jī)器人對(duì)后方信息的接收。

（3）測(cè)控系統(tǒng)。排爆機(jī)器人、增強(qiáng)型網(wǎng)線(xiàn)、遠(yuǎn)程操作控制器構(gòu)成了大型排爆機(jī)器人的測(cè)控系統(tǒng)。其中，測(cè)控系統(tǒng)的服務(wù)器是排爆機(jī)器人，遠(yuǎn)程操作控制器作為客戶(hù)端，增強(qiáng)型網(wǎng)線(xiàn)實(shí)現(xiàn)二者之間信號(hào)與數(shù)據(jù)的傳輸。在野外，操作人員通過(guò)操縱遠(yuǎn)程操作控制器，使得排爆機(jī)器人完成相應(yīng)處理任務(wù)。此外，排爆機(jī)器人配置的多種傳感器可將采集到的信息傳遞給遠(yuǎn)程服務(wù)器，配備的激光雷達(dá)在TCP協(xié)議的作用下，與傳感器實(shí)現(xiàn)信息傳遞，并將采集到的視頻數(shù)據(jù)使用RTP協(xié)議傳遞給遠(yuǎn)程控制器。①硬件設(shè)計(jì)。履帶式移動(dòng)平臺(tái)、機(jī)械臂、工控機(jī)、GPS模塊、激光雷達(dá)等構(gòu)成了大型排爆機(jī)器人的硬件系統(tǒng)。在進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)時(shí)，中央處理器使用工控機(jī)，中央主控單元使用MCU，二者之間連接使用的是RS232接口，以此處理排爆機(jī)器人傳達(dá)的信息，并向排爆機(jī)器人下達(dá)指令信息。②軟件設(shè)計(jì)。大型排爆機(jī)器人測(cè)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)可分為排爆機(jī)器人與遠(yuǎn)程操作控制系統(tǒng)?？蛻?hù)端發(fā)出的指令通過(guò)遠(yuǎn)程操作系統(tǒng)傳達(dá)給排爆機(jī)器人，以此完成對(duì)機(jī)器人動(dòng)作的控制，同時(shí)機(jī)器人向客戶(hù)端發(fā)送現(xiàn)場(chǎng)圖像與數(shù)據(jù)。通常情況下，μC/OS具有較高的可移植性，在許多商業(yè)操作系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用了該任務(wù)內(nèi)核，極大地增強(qiáng)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制功能，保證大型排爆機(jī)器人始終維持穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)。此外，激光雷達(dá)系統(tǒng)是系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容，也是排爆機(jī)器人的重要組成部分。主要通過(guò)TCP協(xié)議將現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)以及其他現(xiàn)場(chǎng)信息傳送到工控臺(tái)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作的同時(shí)，為排爆機(jī)器人配置的傳感器提供多種反饋信息，為操作人員進(jìn)行下一步操作提供科學(xué)參考。

（4）通信系統(tǒng)。排爆機(jī)器人的通信系統(tǒng)是保證遠(yuǎn)程操作臺(tái)與前方通訊的重要部分，當(dāng)排爆機(jī)器人作業(yè)通訊距離超過(guò)500米后，就會(huì)采用無(wú)線(xiàn)通信，或是使用150米長(zhǎng)的電纜進(jìn)行通信，滿(mǎn)足前方與后方圖像、信息、數(shù)據(jù)的傳輸要求。無(wú)線(xiàn)微功率系統(tǒng)是排爆機(jī)器人經(jīng)常使用的無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)，頻率為0.9Hz，150米長(zhǎng)的線(xiàn)纜由2條485條通信線(xiàn)組成，實(shí)現(xiàn)車(chē)體與遠(yuǎn)程操作箱的連接。

3結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，各國(guó)逐漸重視大型排爆機(jī)器人的研發(fā)與應(yīng)用，使得我國(guó)防爆技術(shù)與防爆裝備得到了越來(lái)越多的重視。大型排爆機(jī)器人進(jìn)行的各項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果表明，穩(wěn)定的系統(tǒng)通信可保證機(jī)器人快速地反應(yīng)相關(guān)指令，具有較強(qiáng)的抗干擾性，能夠順利地抓取與轉(zhuǎn)移目標(biāo)問(wèn)題，可有效維護(hù)社會(huì)安全與正常秩序。

參考文獻(xiàn)

[1] 尹遜敏，張興蕾，劉勰.排爆機(jī)器人前臂平衡機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].機(jī)床與液壓，2018，46（21）：84-86.