排爆机器人

排爆机器人 篇1

排爆机器人是指能代替人到不能去或不适宜去的有爆炸危险的环境中,直接在事发现场进行侦察、搬运和处理爆炸物及其他危险品的机器人。当排爆机器人移动到距离爆炸物较近距离时,后方操作人员控制机械臂接近爆炸物。当排爆机器人进入最佳工作位置时,用机械臂接近爆炸物,根据现场情况决定是利用水炮枪将爆炸物击毁,还是利用机械臂手爪将爆炸物搬离现场后再处理。由于爆炸物一般体积较小,需要机械臂手爪精准接近操作,这对控制系统精度提出了较高要求[1]。

传统的做法是利用回传的二维视频等信息来操控机械臂。当人们双目观察自然界物体时,看到的物体是具有形态、大小、位置的三维图像; 这是因为物体的物光与位相同时通过双目而呈现的结果。当物像通过摄像镜头时,在通过物光的同时滤掉了位相( 透镜的光学特性) ,由此得到的是二维图像。它只能判别图像的上下、左右位置,而无法得到前后距离的信息。所以,二维视频图像很难进行高精度的三维视觉定位。 通过视频图像进行远程操控机械臂,前、后距离信息的未知极易产生错觉,使操作失误而导致排爆失败。 “双目视觉定位”是近几年发展起来的三维定位方法, 但相应控制器设计复杂,采集与计算的信息量很大,硬件要求高,一般嵌入式系统难以实现。如果采用信息融合技术,将机械臂上多种传感器信息融合处理( 如安装在手爪上测量不同方向距离的传感器) ,就能提高信息实时性的同时又降低信息处理的硬件成本; 通用的嵌入式系统通过科学合理的模块化设计就能完成机械臂的较高精度控制任务[2]。

本研究提出如 下机械臂 设计任务: 最大臂展1. 6 m、肩部旋转300°、肩部摆动170°、大臂摆动270°、 小臂摆动180°、手爪旋转360°、手爪张开0 ~ 25 cm、最大抓举15 kg、水平展开抓举6 kg。根据以上指标,拟采用机器人动力学、运动学方法分析机械臂主要运动与控制特征,利用模块化方法设计相关硬件系统,编程控制机械臂执行仿真排爆任务并测试其性能。

1排爆机器人机械臂控制系统设计原理

1.1排爆机器人机械臂控制系统特征分析

本研究的机械臂是一个相对独立的机构,它由肩关节、大臂关节、肘关节、腕关节、爪关节等组成,排爆机器人机械臂装配图如图1所示。

机械臂的每个关节内安装一个能够对相邻连杆施加转矩的伺服直流电机和一个用以测量关节转角的编码传感器,可以实时获得各关节的位置矢量 Θ 与速度矢量。由动力学方程,可计算出施加在机械臂各关节上的力矩矢量T,如下式所示:

式中: M( Θd) —机械臂质量矩阵,V( Θd) —离心力及哥氏力矢量,G( Θd) —重力矢量。

由式( 1) 可以依照指定的模型计算出所需转矩以实现期望轨迹。如果动力学模型是完备、精确的,且没有噪声或其他干扰存在,则沿着期望轨迹连续应用式 ( 1) 即可实现期望轨迹运行。然而在现实环境中,由于动力学模型的不完备以及存在不可避免的干扰,使得这种开环控制方式不实用[3]。

实际设计应用中,需要通过比较期望位置和实际位置之差、期望速度与实际速度之差来计算伺服误差, 如下式所示:

控制系统由式( 2,3) 就能根据伺服误差函数计算驱动器所需的转矩。该控制系统设计利用传感器的反馈信息来减少伺服误差,实现闭环控制,其原理如图2所示。该闭环控制系统的核心问题是怎样保证相关传感器的测量精度与稳定性,这样才能保证系统相对稳定。

如图2所示,所有信号线表示N × 1维矢量,由此可见,机械臂的控制问题是一个多输入、输出的控制问题。由运动学和动力学理论可知,对于N个关节的机械臂,可以近似等效为N个独立的单输入、输出控制系统的叠加。根据伺服控制定律,建立伺服误差的二阶微分方程,如下式所示:

式中: e—伺服误差,e = xd- x,为期望轨迹与实际轨迹之差。轨迹跟踪控制器原理图如图3所示。

图 3 中,。由图3可知,系统即使存在误差,该误差在闭环系统中也会受到抑制,随之系统准确跟踪期望轨迹[4,5,6]。

上述是机械臂控制系统的原理。对排爆机器人而言,机械臂的手爪坐标中心能与爆炸物坐标中心对齐才是设计的主要目标。如图1所示,手爪上安装了测量抓举力的压敏传感器、测量手爪张开距离的红外测距传感器、测量手爪坐标中心与目标物体前后距离的激光测距传感器以及安装在手爪上下的2个摄像头。 当这些传感器信息经过协处理器融合到视频图像中, 系统依照图像上的坐标值就能正确定位当前手爪坐标中心与目标物中心坐标位置,操控手爪使其正确定位。

1.2排爆机器人机械臂控制系统硬件设计原理

依据分布式控制理论,控制系统通常由一个或多个主控制器和许多节点控制器组成。二者均具有信息处理能力,不同之处在于,主控制器主要针对系统总体进行判断、决策,节点控制器主要用于某方面的信息采集与控制,因此主控制器硬件性能要求可以有所降低。 目前,节点控制器( 包含结构较复杂的各类传感器与执行器) 以各种模块形式在市场上大量涌现,因此机械臂控制系统实现模块化设计非常易于实现。

机械臂由电气部件、控制驱动部件、总线通信接口、嵌入式操作系统、软件中间件等部分组成。其中电气部件由具有一定功能的通用部件组成,包括伺服电机、编码器等部件; 控制驱动部件用于控制或驱动相应电气部件; 总线通信接口用于各控制驱动部件之间进行信息交换与传输; 嵌入式操作系统负责各控制驱动部件硬件资源的分配与管理; 软件中间件屏蔽了底层硬件和应用软件信息,可实现不同功能构件间的软件连接支持。上述按模块化思想开发的功能构件具有标准的硬件和软件接口,便于系统集成,可以降低设计、 集成与制造的难度。

排爆机器人采用上位远程控制机 + 底层主处理器 + 底层协处理器的上、下位机结构,排爆机器人机械臂控制系统原理图如图4所示。

( 1) 上位远程控制机。用于获取排爆机器人机械臂的运动过程中获取的各类传感器信息、摄像系统的图像信息,同时把运动指令发送给底层主处理器。

( 2) 底层主处理器。用于接收上位机的运动控制指令并作解析,并转换成相关直流电机驱动控制器指令,使机械臂执行上位机的运动控制。同时与底层协处理器通讯,获取并处理机械臂上各类传感器的信息。

( 3) 底层协处理器。主要负责机械臂上安装的各类传感器所获取信息的预处理工作[7]。

2排爆机器人机械臂控制系统硬件设计

依据图4设计方案,机械臂控制系统包含三大模块: 电源模块、主控制器模块、协处理器模块。

2.1电源模块设计

电源模块在整个控制系统中的作用非常重要,它直接决定整个系统的可靠性。在整个控制系统中, CPU板、接插件板、协处理板、电机驱动器、数传及视频无线台等的供电都来自锂电池 + 40 V直流电压输入,经稳压递减得到24 V、12 V、5 V、3. 3 V等所需电压。笔者在第一级稳压电路输入插座后增加了1个稳压管进行过压保护,1个瞬态抑制二极管用以防止外部电源串扰。24 V电压一路供机械臂驱动器、底盘驱动器、云台驱动器等需要24 V的电路,另一路经DCDC稳压模块转换为12 V电压。12 V电压一路供传感器接口电路、视频接口电路、视频无线台、数传无线台等电路,另一路经DC-DC稳压模块转换输出5 V电压供需要的芯片。主控制器与协处理器绝大部分的芯片需要3. 3 V电压,该电压由相关DC-DC稳压模块转换获得。

由于电源系统是采用递减稳压,前级工作时产生的干扰信号很有可能通过电源对下级产生干扰。为保证各级电源可靠工作,必须强化各级的前后滤波,使干扰降到最小。特别是3. 3 V电压,它是提供CPU、AD、 DA等重要芯片工作电压的电源,稍有波动会对控制精度造成很大影响,因此本研究采用多个0. 01 μF、 0. 1 μF、10 μF等电容并接在输入与输出端,用以旁路不同频段的干扰信号。各级电压通过高可靠接插件向主控制器、协处理器等提供所需电压[8]。

2.2主控制器模块设计

主控制器控制芯片采用PHILIPS公司生产 的LPC2378芯片,它是一款基于ARM架构的微处理器, 内含10 /100Ethernet MAC、USB2. 0全速接口、4个UART、2路CAN通道、1个SPI接口、2个同步串行端口( SSP) 、3个I2C接口等。片内高达512 KB的Flash程序存储器,具有在系统编程( ISP) 和在应用程序编程( IAP) 功能; 先进的向量中断控制器,支持32个向量中断; 多达70个( LPC2368) 或104个( LPC2378) 的通用I/O管脚; 10位A/D、D/A转换器等功能。芯片的这些硬件配置完全能满足主控制器的设计要求。

主控制器由LPC2378微处理器最小系统及其周围的电源、以太网、SD卡、视频、CAN总线、UART等电路组成,是整个系统的核心,也是系统中最复杂的电路板。主控制器通过外部总线与协处理器等进行通讯, 需要用到LPC2378微处理器信号线: 16根数据线、16根地址线、读、写、片选、中断等。由于信号从主控制器板到协处理器板需要通过接插件连通,为提高信号质量和驱动 能力,本研究在 系统中使 用了两片74LVC16245芯片对各信号进行缓冲、整形。所有跟主控制器相关的芯片设计成一组模块,集成在一块6层PCB板上,通过接插件与协处理器PCB板连接[9]。

2.3协处理器模块设计

协处理器控制芯片采用LPC2368,包括A/D、I/O、 D / A、PWM等输入输出功能,可用于控制各类机器人常用传感器与执行器,如测距传感器、力敏传感器、伺服电机、编码器等。LPC2368内含10位A/D、D/A转换器,在使用采集功能时,需要向微处理器提供外部参考基准电压,该系统中将外部5 V电源经滤波处理后, 作为参考电压的基准。

CPLD( EPM570T100C5 ) 是协处理器的另一重要器件,主要用于实现机械臂各关节位姿状态的转换与计算功能,它与主控制器LPC2378微处理器之间通过并行接口进行通信,将LPC2378的地址总线、数据总线和控制总线连接到CPLD的相应管脚上,通过CPLD内部逻辑,利用宏单元在CPLD内部构造出相应的寄存器。主控制器就可以通过读写这些寄存器来完成对CPLD的控制( 共256个16位的访问地址) ,实现机械臂各关节位姿的调整[10]。

3排爆机器人机械臂控制系统软件设计

LPC2378微处理器是整个系统的核心,通过使用操作系统控制微处理器的底层硬件,可以较好地解决机械臂运行过程中的实时性问题,综观目前主流的嵌入式操作系统,μCOS-II操作系统比较适合用于这一场合。构建一个适用于LPC23XX系列CPU的 μCOSII系统需完成以下几步: 1编写或获取启动代码; 2挂接SWI软件中断; 3中断及时钟节拍中断; 4编写应用程序。对于本系统而言,工作的重点在于挂接SWI软件中断、中断及时钟节拍中断、编写应用程序。

3.1挂接SWI软件中断

将软中断异常处理程序挂接到内核是通过修改启动代码中的异常向量表实现,代码如下所示:

3.2中断及时钟节拍中断

这一步需要做以下两个方面的工作:

( 1) 增加汇编接口的支持

方法是在文件中IRQ. S适当位置添加如下所示的代码,其中xxx替换为自己需要的字符串。这样,汇编接口就完成了。

xxx_HandlerHANDLERxxx_Exception

( 2) 初始化向量中断控制器

VICVect Addr X = ( uint32) xxx_Handler ;

VICVect Cntl X = ( 0x20 | Y) ;

VICInt Enable = 1 < < Y;

3.3编写应用程序

移植 μCOS-II是为了在自己的系统使用 μCOS-II。 要在自己的系统中使用 μCOS-II编写自己的应用程序就必须遵守 μCOS-II的编程规范,主要包括主函数和用户任务。

依据以上分析,本研究将机械臂控制系统的应用程序编写为模块形式,其任务流程图如图5所示。

3.4主控制器与协处理器通讯

由图4可知,主控制器与协处理器通过CAN总线连接,考虑到使用的便利性与将来的可扩展性,本研究采用CAN2. 0B的协议,自定义的协议如表1所示,经过实测,该协议可以较好地满足机械臂各关节信息传输的需求。

4排爆机器人机械臂控制系统仿真测试

排爆机器人完成整个系统设计装配调试工作后, 首先对机械臂控制系统进行以下仿真测试工作:

( 1) 机器人运行,机械臂收拢状态测试。输入肩关节、大臂关节转角0°,肘关节转角15°,腕关节转角 - 30°; 启动运行程序,机械臂收拢,如图1所示。测得机械臂安装中心与手爪中心的间距为779. 58 mm,视频显示数据768. 32 mm,相对误差1. 4% ; 机械臂质心与安装中心重合,符合机器人运行时要求。

( 2) 最佳排爆距离测试。输入肩关节转角0°,大臂关节转角120°肘关节转角 -15°,腕关节转角 -40°; 启动运行程序,测得机械臂安装中心与手爪中心的间距为1 492. 65 mm,视频显示数据1 482. 92 mm,相对误差0. 65% 。

( 3) 最大机械臂长度测试。输入肩关节转角0°, 大臂关节转角150° 肘关节转角 - 30°,腕关节转角 - 35°; 启动运行程序,测得机械臂安装中心与手爪中心的间距为1 626. 85 mm,视频显示数据1 618. 23 mm, 相对误差0. 53% 。

( 4) 机械臂的手爪抓举力测试。将长 × 宽 × 高为200 mm × 200 mm × 200 mm正方体,重16 kg的重物块放在离机械臂0. 8 m处,通过远程操控抓举成功,其大于设计重量。

( 5) 机械臂的手爪前端剪断导线功能测试。将几根2. 5 mm2单股与多股铜芯电线放在离机械臂0. 8 m处,通过远程操控手爪前端,成功剪断所放电线,能用于切断引爆器电源。

( 6) 机械臂手爪起螺钉功能测试。将螺钉固定的钢结构小架子放在离机械臂0. 8 m处,通过远程控制手爪夹持专用螺丝刀; 调整各关节,使螺丝刀刀刃垂直螺丝凹槽面对中稍压紧,逆向转动腕关节,拧出螺钉。 仿真难度较大,用时较长,有待进一步设计与改进。

机械臂控制系统在( 1 ~3) 项仿真测试中,视频数显与实测数据存在0. 53% ~ 1. 4% 的相对误差,这是由于传感器模块非线性误差引起的。通过协处理器线性化处理后,误差降至0. 45% 左右,完全达到设计要求。

机械臂控制系统通过仿真测试,进一步论证机械臂控制系统已具备排爆机器人远程定位控制、拆除剪断引爆器和搬运爆炸物的功能,完全达到设计目标。

5结束语

本研究从运动学、动力学角度出发,对机械臂的硬件原理进行分析,确定了主要部件参数,运用模块化设计与多传感器信息融合技术,设计了实用的机械臂控制系统。最后对机械臂控制系统的性能进行了仿真测试,为今后进一步改进设计提供了宝贵经验。

排爆机器人和1.1亿个地雷 篇2

据美国《福布斯》杂志报道，RC—2机器人注重传感器系统和通信系统功能，可对付诡异和刁钻的爆炸物。

让人想起《拆弹部队》

RC—2的“前辈”为Pac Bot，是美国iRobot公司制造的老牌“军用机器人经典”。iRobot则是美国最著名的清扫机器人——Roomba系列的生产商。但自从美军开打阿富汗和伊拉克战争后，该公司敏锐地嗅到战争对小型军用机器人的巨大需求，遂开始转向军用机器人的开发。

布鲁金斯研究所专家、《网络战争》一书作者P.W.辛格说：“Pac Bot在军用机器人中的地位，就相当于开创人类汽车史的福特T型车（福特公司第一款量产汽车）在汽车中的地位。在阿富汗和伊拉克战场上，美军配备了成千上万台Pac Bot机器人。”

据iRobot公司机器人产品主任贝朗格介绍，RC—2机器人与Pac Bot在外观上区别不大，但系统自主性却大大提升了，不仅能爬、能跳、能钻地，还能将战场数据传输给士兵，进而负责执行拆卸炸弹的指令。RC—2重量仅2.43公斤，体积只有普通军用工具箱大小，放进军用背包内，很容易让人想起奥斯卡大片《拆弹部队》中的小型机器人。RC—2可携带多台袖珍摄像机、长波红外传感器和热像仪，能收集和回传附近的地形，建筑物、洞穴或任何潜在的爆炸装置或危险场所的影像和视频。它的机械臂还能在可疑物品周围挖洞，将某种干扰装置放进去，对其实施干扰。

美国海军陆战队上校亚当·昆廷曾对RC—2机器人进行过测试。据他披露，在美国海军所属的人造多环境室内测试训练中心，工作人员预先营造出地球上几乎所有类型的地貌、生态系统乃至气候环境。“当RC—2进入热带雨林后，我们就会立即提高湿度，让‘天空’降下瓢泼大雨，把整座训练中心变为最逼真的东南亚雨林。”在训练中心内的模拟海滩旁，有一个深约1.83米的水池，水池里的水都是人造海水，水池底部的尖端造浪机足以掀起巨浪。同时，中心内部安装了大量能捕捉高速运动画面的摄像头，它们能把参训的无人机、陆地以及水上机器人的所有动作拍摄下来。中心还有无数数据跟踪系统，能让工程师详细地获悉机器人士兵所有的运行状况。“经过严格测试，RC—2的表现是无懈可击的，堪称军用机器人中的排爆尖兵。”

据美国媒体报道，美国海军陆战队已向iRobot公司订购46部RC—2机器人，18个给作战舰队使用，6个作为预备使用，22个给学校培训使用。

从实战检验中不断完善

RC—2机器人最大的优势，就在于它是吸收了Pac Bot在实战中的经验教训之后的“集大成者”。

美国近年来所经历的海外战争，有一个共同特点，就是主要战事一结束，美军即陷入无休止的游击战中不得安宁。其中，对手的地雷和简易爆炸装置（IED）成为美军的主要威胁。美军王牌部队第101空中突击师有一个炮兵营，在阿富汗作战的半年里，所伤亡的37个人中2/3是吃了地雷和简易爆炸装置的亏。用该营军士长鲁伯的话说，阿富汗以前最多的是石头，现在最多的是简易爆炸装置，“一些时候，几米范围内就能发现五六个简易爆炸装置”。而消除地雷和简易爆炸装置威胁的重任就落在排爆机器人的身上。

据法新社报道，美军起初用无线电干扰器和无人机来防止武装分子遥控引爆炸弹，并提前发现敌人安装简易爆炸装置的情况，这种办法在地形多为沙漠和平原的伊拉克比较灵，但到了阿富汗的重山峻岭间，这两大“法宝”全抓瞎了。因为阿富汗比伊拉克还落后，手机和无线电工作基站覆盖面很小，以至于简易爆炸装置没有无线电频率，干扰器无用武之地，而地形复杂的山区更让无人机侦察失效。于是，驻阿美军营一级作战单位都配备了拆弹小组和至少3部排爆机器人。

美国记者曾观摩过美军动用排爆机器人在阿富汗坎大哈省谷地的一次反简易爆炸装置行动。当时，一个标准的美军拆弹小组，包括简易爆炸装置处理专家、一名机器人操作手、一名排爆助手和两名掩护的步兵。拆弹小组确定方案后，机器人操作手从背包里取出Pac Bot履带式机器人，就地卧倒后打开一台笔记本电脑，笔记本里的键盘是大量按（旋）钮和微软Xbox 360控制手柄，液晶屏幕也被单色监控屏所取代。操作手打开一款酷似“美国陆军”（一款流行的游戏）的界面，指导Pac Bot向目标前进。

如同一辆放大版的玩具坦克，Pac Bot爬过有点陡的土坡，缓缓接近可疑爆炸物。此时，拆弹专家单膝跪在机器人操作手旁边，根据机器人适时传回的现场影像，不断向操作手下达新的指示。当他断定可疑物确实是一枚简易爆炸装置后，马上指挥操作手释放出机器人前端的一对机械臂。这对机械臂如同章鱼的爪子，上面有多个吸盘，可以牢牢“揪住”爆炸物的关键部位，比如导线、引信，然后迅速将其剪断。

现在的RC—2机器人无需借助远程操作，就可以自主执行排爆任务了。而且，它们灵敏的“嗅觉”和灵巧的手臂可以将精心伪装的爆炸物挖出来。当然，目前RC—2机器人还只是处于半自主化程度，遇到复杂的情况还要向后方求助。

排爆机器人研发的瓶颈

如今，排爆机器人正在成为世界各国的研发重点，这既有像美国那样的作战需要，也有地雷和爆炸物的普遍威胁。据联合国一份报告估计，在全世界64个国家中埋有700多种共1.1亿颗地雷，以现在的投资与技术情况计算，需要1400年才能清除完毕。现在世界上每月有2000人死于地雷爆炸，所以各国都很重视排爆机器人的研发。

在中国大力推进的“国家863高科技发展计划”中，机器人是重点开发领域。目前，中国军警部门已开始装备国产“灵蜥”智能反恐防爆机器人。这种机器人身涂迷彩，外形像坦克和吊车的结合体。它的头部安装有摄像头，可向操纵人员提供观察到的情况，以便操纵人员及时下达行动指令。行走部分采用“轮+腿+履带”的复合装置，在平地上用四轮快速前进，遇到台阶或斜坡时，按照指令迅速收缩四轮，改换成擅长攀爬越障的履带。“灵蜥”动作灵便，可以前后左右移动或原地转弯，一只机械手可以抓起5公斤重的爆炸物，并迅速投入“排爆筒”。“灵蜥”可以攀爬35度以下的斜坡和楼梯，可以翻跃0.4米以下的障碍，可以钻入洞穴取物。此外，它还可以装备爆炸物销毁器、连发霰弹枪及催泪弹等各种武器，痛击恐怖分子。

在排爆机器人的研发方面，高昂成本、智能化偏低是最大的瓶颈。即使在发达的美国，成本也是制约排爆机器人发展的重要因素。从美陆军于2007年夏将第一批“剑”机器人部署到伊拉克，机器人投入战场的进程并没有预想的那样快，其中主要的原因就是资金支持难以跟上。在智能化方面，有的美国军事专家也承认，排爆机器人要真正具有高度智能大约还需要30年的时间。