周業(yè)峰 王冬梅 上海電機(jī)學(xué)院 200240

多功能探查機(jī)器人研制

周業(yè)峰 王冬梅 上海電機(jī)學(xué)院 200240

多功能探查機(jī)器人是根據(jù)特殊環(huán)境對(duì)無人機(jī)器人的要求而設(shè)計(jì)的。本文介紹了其總體結(jié)構(gòu)和工作原理，著重分析視頻、控制、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)和解決方案。多功能探查機(jī)器人靈活且易組合，具廣闊的應(yīng)用價(jià)值。

多功能；機(jī)器人設(shè)計(jì)；探查

Multi functional exploration robot is based on the special environment of the unmanned robot requirements and design.This paper introduces the general structure and working principle, focuses on the analysis of video, driving system, control of key technologies and solutions.Multi functional exploration of robot flexible and easy assembly, has a broad application value.

1.設(shè)計(jì)背景

對(duì)于如核輻射、生化污染等人類不宜工作的危險(xiǎn)地域或者用于地域狹小地理環(huán)境，需要無線遠(yuǎn)距離遙控的機(jī)器人使危險(xiǎn)區(qū)域有較遠(yuǎn)的緩沖防護(hù)距離，從而可以保護(hù)人員免受危險(xiǎn)。相比于大型的車式機(jī)器人而言，小型機(jī)器人因其尺寸、開發(fā)成本和性價(jià)比的優(yōu)勢(shì)，并在狹小地域里實(shí)現(xiàn)靈活機(jī)動(dòng)的目的，小型機(jī)器人的研究日益廣泛。多功能探查機(jī)器人就是一種適宜在危險(xiǎn)環(huán)境中遠(yuǎn)距傳輸信息的小型機(jī)器人。[1]

2.多功能探查機(jī)器人的結(jié)構(gòu)和工作原理

2.1 總體結(jié)構(gòu)

多用途探查機(jī)器人它包括機(jī)械部分、控制部分以及視頻部分如圖1。

機(jī)械部分包括一只機(jī)械手臂及抓手、一個(gè)能旋轉(zhuǎn)的攝像頭機(jī)架、機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等組成。在機(jī)械部分中，由若干機(jī)械手臂支架、第一舵機(jī)、第二舵機(jī)、第三舵機(jī)、第四舵機(jī)以及第五舵機(jī)組成，其中第一舵機(jī)控制機(jī)械抓手的開合動(dòng)作，第二舵機(jī)控制機(jī)械手的軸向轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)作，第三舵機(jī)、第四舵機(jī)控制機(jī)械手臂的上下擺動(dòng)和先后伸縮的運(yùn)動(dòng)，第五舵機(jī)控制機(jī)械手臂的垂直方向的轉(zhuǎn)動(dòng)，即左右轉(zhuǎn)動(dòng)的自由度運(yùn)動(dòng)。攝像頭機(jī)架能旋轉(zhuǎn)的設(shè)置在主平臺(tái)上，攝像頭機(jī)架由第六舵機(jī)和若干安裝支架組成。攝像頭機(jī)架的最大旋轉(zhuǎn)角度為220度。

在控制部分，使用的是無線電控制發(fā)射機(jī)來控制機(jī)器人。而接收器是機(jī)器人內(nèi)的天線和電路板組成，用于接收發(fā)射機(jī)發(fā)出的信號(hào)，并按發(fā)射機(jī)的命令觸發(fā)機(jī)器人內(nèi)的舵機(jī)工作。發(fā)射機(jī)向接收器發(fā)送無線電波。使用頻率為27MHz～45MHz波段，設(shè)有兩塊芯片分別控制機(jī)器人驅(qū)動(dòng)和機(jī)械手臂與攝像機(jī)架的動(dòng)作，包括用于控制機(jī)器人驅(qū)動(dòng)的第一驅(qū)動(dòng)芯片、用于控制機(jī)械手臂與攝像機(jī)架動(dòng)作的第二驅(qū)動(dòng)芯片以及控制器，第一芯片安裝于底盤上，第二芯片安裝于主平臺(tái)的后端部。[2]

視頻部分采用的是無線視頻傳輸系統(tǒng)，由一臺(tái)視頻發(fā)射器和兩組攝像頭組成。其中第一個(gè)攝像頭安裝于前部，第二攝像頭安裝于后端機(jī)架之上，前部攝像頭可以探查前方廣闊的視野，而后部攝像頭置于攝像頭機(jī)架上可以觀察后部和兩旁的盲區(qū)。用于將第一攝像頭和第二攝像頭產(chǎn)生的視頻信號(hào)發(fā)出的視頻發(fā)射器和用于接收視頻發(fā)射器信號(hào)的視頻接收器位于主平臺(tái)的后端部。

圖1 機(jī)器人的機(jī)構(gòu)說明示意圖

2.2 工作原理

在操作過程中，攝像頭1和攝像頭2所采集的前方和后方圖像通過視頻發(fā)射器發(fā)射，操作人員在遠(yuǎn)距離利用視頻接收器接受信號(hào)，通過計(jì)算機(jī)顯示屏顯示實(shí)時(shí)圖像來對(duì)機(jī)器人進(jìn)行操作。當(dāng)前方顯示障礙物時(shí)，操作人員即可操縱遙控裝置使機(jī)器人繞開前方障礙。而當(dāng)?shù)竭_(dá)制定地域，則可利用機(jī)械抓手、舵機(jī)1、2、3、4、5等實(shí)現(xiàn)3自由度的運(yùn)動(dòng)對(duì)指定目標(biāo)實(shí)現(xiàn)抓取。同時(shí)，裝載在后方攝像頭機(jī)架上舵機(jī)6的水平轉(zhuǎn)動(dòng)可讓攝像頭2獲得機(jī)器人后方較寬的視野。

3.關(guān)鍵技術(shù)及解決方案

3.1 無線視頻傳輸

視頻部分較原無線視頻系統(tǒng)功率較小容易受到建筑物的屏蔽和外部電磁環(huán)境的干擾，增大了功率以提高抗干擾了能力。一組視頻系統(tǒng)由一發(fā)射器、一接收器和一組12v電池組成。整機(jī)共有兩組視頻系統(tǒng)，根據(jù)不同的任務(wù)要求可以增加和減少視頻系統(tǒng)數(shù)目。而攝像頭則采用微型紅外攝像頭同時(shí)能滿足減輕自身重量和在夜間午光源的情況下來完成圖像采集的要求，而視頻部分具有若干個(gè)傳輸通道，工作頻率為1.2G～1.3G，傳輸距離為500至1000米，在建筑物和干擾源較多的城市中，實(shí)現(xiàn)的傳輸距離可能會(huì)受到影響，所以在選擇發(fā)射器和接收器之時(shí)選取了民用設(shè)備可用的最大發(fā)射頻率來增強(qiáng)機(jī)器人的此項(xiàng)功能。

兩組攝像頭可以360度的觀察四周的所有動(dòng)向，加之無線遙控距離較遠(yuǎn)就可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的時(shí)時(shí)的探查工作，而操作者可以根據(jù)視頻接收器接收到的視頻圖像進(jìn)行下一步操作，如利用機(jī)械手臂抓取或排除障礙物等情況。[3]

3.2 控制系統(tǒng)傳輸原理

遙控器是一個(gè)手持式裝置，其中包含控制器和無線電發(fā)射器。發(fā)射器通過27MHz向機(jī)器人內(nèi)的接收器發(fā)送信號(hào)。發(fā)射器有一個(gè)電源，為9伏電池，為信號(hào)的控制和傳輸提供動(dòng)力。

操作遙控器即對(duì)觸發(fā)器發(fā)出指令使一對(duì)電觸點(diǎn)接觸，連接到集成電路 (IC) 的特定管腳，將電路閉合。電路閉合使發(fā)射器發(fā)射固定序列的電脈沖。每個(gè)序列包含一小組同步脈沖，后面緊跟脈沖序列。 對(duì)于機(jī)器人而言，同步段提醒接收器有信息到達(dá)是四個(gè)時(shí)段為2.1毫秒（一千分之一秒）的脈沖，之間有700微秒（一百萬分之一秒）的間隔。脈沖段用于向天線傳達(dá)新信息的內(nèi)容，使用的是間隔為700微秒的700微秒脈沖。[4]

3.3 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

機(jī)器人整機(jī)采用的是四驅(qū)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)操作，具有六種控制操作：前進(jìn)、倒退、向左前進(jìn)、向右前進(jìn)、向左倒退、向右倒退。四組獨(dú)立的電機(jī)使得機(jī)器人擁有優(yōu)越的操控性。即機(jī)器人的四個(gè)輪子分別有一個(gè)電機(jī)控制其的轉(zhuǎn)向，與單純的前驅(qū)或后驅(qū)相比，機(jī)器人在的機(jī)動(dòng)性能上可以實(shí)現(xiàn)極限位置的瞬時(shí)變換，運(yùn)動(dòng)相當(dāng)靈活。驅(qū)動(dòng)電機(jī)又采用的是多級(jí)降速，可以提供較大的傳動(dòng)力矩和扭矩。

控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的芯片板也獨(dú)立于控制機(jī)械手臂的芯片板，相互之間沒有干擾，避免了一個(gè)控制系統(tǒng)故障導(dǎo)致全系統(tǒng)的癱瘓。由于采用的是電池驅(qū)動(dòng)，在由驅(qū)動(dòng)造成的噪聲影響方面較小。同樣，機(jī)械臂采用的是六組舵機(jī)來實(shí)現(xiàn)六個(gè)關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)，即六通道來分別控制六個(gè)舵機(jī)，每組舵機(jī)都可以實(shí)現(xiàn)兩通道的運(yùn)動(dòng)。通過調(diào)整脈沖的頻率可以實(shí)現(xiàn)舵機(jī)移動(dòng)點(diǎn)位的精確控制，使得整個(gè)機(jī)械手完成控制者操作指令。[5]

3.4 機(jī)器人材料特點(diǎn)

機(jī)器人的整體機(jī)械部分的材質(zhì)為鋁合金，采用的模塊化的組裝，可以盡可能地減輕機(jī)器人本身的自重減小自身的電能損耗，延長(zhǎng)工作時(shí)間。整個(gè)機(jī)器人的尺寸規(guī)可以設(shè)計(jì)成250×180×250mm，所以整個(gè)機(jī)器人的機(jī)身較小，加之機(jī)械部分采用高強(qiáng)度鋁合金材料（杜絕厚亞克力材料沉重，薄亞克力材料易碎的弊端），保證了機(jī)器人自身的剛度和強(qiáng)度，可以滿足高強(qiáng)度、惡劣的地理環(huán)境下的操作。

4.結(jié)語

多功能探查機(jī)器人是模塊化組裝，制造成本較大型同類的機(jī)器人來得性價(jià)比更高，尤其可以根據(jù)不同的任務(wù)特點(diǎn)安裝不同的儀器設(shè)備來實(shí)現(xiàn)任務(wù)要求。同時(shí)，由于機(jī)器人機(jī)身可利用空間較小、外形結(jié)構(gòu)較為開發(fā)，所以易受到自身空間和外部環(huán)境的影響。然而，配置專用的儀器設(shè)備則可以滿足機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域已日益廣泛，功能也日趨多樣化的趨勢(shì)，提升多功能探查機(jī)器人的應(yīng)用能力，具有相當(dāng)?shù)脑匍_發(fā)潛能。

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2010年上海市大學(xué)生創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目，專利申請(qǐng)?zhí)枺?01110126237.0

周業(yè)峰，男，上海電機(jī)學(xué)院機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)。

王冬梅，女，工學(xué)博士，上海電機(jī)學(xué)院機(jī)械學(xué)院副教授。