辛樹強 趙遠(yuǎn)航

摘 要 排爆機器人主要由抓取系統(tǒng)、本體行走裝置組成，能夠代替人類完成一系列危險系數(shù)高的作業(yè)。本文從大型排爆機器人總體方案設(shè)計入手，對其系統(tǒng)組成、設(shè)計內(nèi)容、具體結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行分析，進(jìn)而實現(xiàn)對其應(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 排爆機器人;控制技術(shù);激光引導(dǎo);抓取系統(tǒng)

前言

恐怖活動成為制約現(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)國家，排爆機器人技術(shù)已經(jīng)趨于成熟，而我國對于該設(shè)備的研制與投入較少。在反恐形勢逐漸嚴(yán)峻的背景下，大型排爆機器人成為科研領(lǐng)域的重點內(nèi)容。因此，加強對大型排爆機器人技術(shù)的研究與應(yīng)用，對增強我國反恐能力、保障人民生命財產(chǎn)安全，具有十分重要的現(xiàn)實意義。

1大型排爆機器人總體方案設(shè)計

（1）系統(tǒng)組成。大型排爆機器人主要由機械系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、測控系統(tǒng)、通信系統(tǒng)組成，各個系統(tǒng)按照功能又可分為控制系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、機械手系統(tǒng)等，不同系統(tǒng)分別讓排爆機器人在作業(yè)時，發(fā)揮出真正效用，有效避免人員傷亡。排爆機器人具有較強的適應(yīng)性與抗干擾性，能夠獨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)，具有較強越障能力，操作人員與排爆機器人之間使用無線通信系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)系，增強了設(shè)備的時效性。

（2）設(shè)計內(nèi)容?；谖覈壳按笮团疟瑱C器人的研究現(xiàn)狀，對機器人的技術(shù)進(jìn)行一定改進(jìn)，以此提升排爆機器人對環(huán)境的適應(yīng)性。其中，控制系統(tǒng)的機械手臂擴(kuò)充為6+1個自由使用兩個下機位PC104控制系統(tǒng)，并配有無線與有線兩種通訊方式，能夠滿足100米以上的信息通訊要求。此外，下機位負(fù)責(zé)各軸電機的運動控制，并采用全數(shù)字通訊，實現(xiàn)與上機位的通訊，使得上機位與下機位之間形成一種主從式傳輸形式，分別響應(yīng)控制和查詢指令、響應(yīng)控制請求與信息反饋。根據(jù)通信協(xié)議，上機位負(fù)責(zé)發(fā)送請求與接收反饋，下機位負(fù)責(zé)發(fā)送反饋，避免其他下機位向該上機位發(fā)送反饋信息，極大地提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2大型排爆機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計

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

（2）電氣系統(tǒng)。排爆機器人的電氣系統(tǒng)主要分為兩部分電機驅(qū)動器與計算機控制系統(tǒng)。其中電機驅(qū)動器主要由變形電機、旋轉(zhuǎn)電機、手爪電機組成，一共配備18臺電機，保證系統(tǒng)正常工作。此外，機器人車體部位的鋰電池是提供驅(qū)動力關(guān)鍵部位，具有過壓、過流保護(hù)。計算機控制系統(tǒng)主要是操作人員通過遠(yuǎn)程操作系統(tǒng)中的面板向排爆機器人發(fā)送指令以及接收信息，實現(xiàn)前方與后方信息的交換。電氣控制系統(tǒng)中的兩個云臺自由度與四個攝像機能夠滿足后方對前方實時圖像種類與數(shù)量的要求，控制核心ARM的232串口會與接口進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，使得數(shù)據(jù)會出現(xiàn)在顯示屏幕上，并完成排爆機器人對后方信息的接收。

（3）測控系統(tǒng)。排爆機器人、增強型網(wǎng)線、遠(yuǎn)程操作控制器構(gòu)成了大型排爆機器人的測控系統(tǒng)。其中，測控系統(tǒng)的服務(wù)器是排爆機器人，遠(yuǎn)程操作控制器作為客戶端，增強型網(wǎng)線實現(xiàn)二者之間信號與數(shù)據(jù)的傳輸。在野外，操作人員通過操縱遠(yuǎn)程操作控制器，使得排爆機器人完成相應(yīng)處理任務(wù)。此外，排爆機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。履帶式移動平臺、機械臂、工控機、GPS模塊、激光雷達(dá)等構(gòu)成了大型排爆機器人的硬件系統(tǒng)。在進(jìn)行硬件設(shè)計時，中央處理器使用工控機，中央主控單元使用MCU，二者之間連接使用的是RS232接口，以此處理排爆機器人傳達(dá)的信息，并向排爆機器人下達(dá)指令信息。②軟件設(shè)計。大型排爆機器人測控系統(tǒng)軟件設(shè)計可分為排爆機器人與遠(yuǎn)程操作控制系統(tǒng)?？蛻舳税l(fā)出的指令通過遠(yuǎn)程操作系統(tǒng)傳達(dá)給排爆機器人，以此完成對機器人動作的控制，同時機器人向客戶端發(fā)送現(xiàn)場圖像與數(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，極大地增強系統(tǒng)的實時控制功能，保證大型排爆機器人始終維持穩(wěn)定的運行狀態(tài)。此外，激光雷達(dá)系統(tǒng)是系統(tǒng)軟件設(shè)計的重要內(nèi)容，也是排爆機器人的重要組成部分。主要通過TCP協(xié)議將現(xiàn)場數(shù)據(jù)以及其他現(xiàn)場信息傳送到工控臺，實現(xiàn)遠(yuǎn)程操作的同時，為排爆機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)。排爆機器人的通信系統(tǒng)是保證遠(yuǎn)程操作臺與前方通訊的重要部分，當(dāng)排爆機器人作業(yè)通訊距離超過500米后，就會采用無線通信，或是使用150米長的電纜進(jìn)行通信，滿足前方與后方圖像、信息、數(shù)據(jù)的傳輸要求。無線微功率系統(tǒng)是排爆機器人經(jīng)常使用的無線通信系統(tǒng)，頻率為0.9Hz，150米長的線纜由2條485條通信線組成，實現(xiàn)車體與遠(yuǎn)程操作箱的連接。

3結(jié)束語

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

參考文獻(xiàn)

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