基本信息
- 项目名称：
- 基于随动系统的排爆机器人
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 排爆是一项复杂细致、危险度高的工作。相对国外来讲，我国在排爆机器人方面起步较晚。国内现使用的排爆机器人多为进口产品，价格昂贵，维护困难。目前，国内机器人在视觉遥控系统方面的研究起步较晚，大多停留在呈现单个图像的阶段。我们研发的是一款成本较低的、基于视觉遥控和随动系统的排爆机器人，可有效降低排爆的难度和效率。
- 详细介绍：
- 排爆机器人主要分为移动机构、机械手系统、动力单元、控制系统、视觉遥控系统、随动系统、通信系统等。通过无线通信，机器人接收操作员的控制命令进行动作。摄像头可将前方的图像信息反馈到控制箱的显示屏上，操作人员即可根据收到的信息，做出下一步的决策。操作人员通过随动系统对机器人进行精确控制，实现对危险物品的抓举和排除。机器人可以适应野外环境工作，其前、后履带的设计，使机器人具有良好的爬坡越障能力。 移动机构 移动机构是排爆机器人完成排爆任务的基础。本机器人采用轮履式结合的形式。在平坦的道路上，可以采用轮式以较高的速度行驶；而履式使机器人有较强的越野能力，在坑凹的地面可以具有较强的行走能力。当遇到台阶或上坡时，可以调整前履带，进行爬坡；下坡时，可以将前履带压下，以减小冲击。另外，前后履带的设计可以有效的防止车体倾翻。当机械手臂伸至过前或者夹持的重物过重时，车体会有前翻的倾向，此时，前履带的支撑可以有效的避免此情况的发生。当上下坡时，前后履带的支撑，使机器人可以更加平稳的爬坡。因此，排爆机器人可适应各种路况，以更好的完成排爆任务。 机械手 机械手是机器人实现抓举和移除危险物的重要结构部件。机械手有四大部分:抓手、小臂、中臂、大臂组成，共4个自由度。为了便于各个自由度的驱动电机和减速传动机构的选择和设计，机械手的设计从直接与爆炸物接触的末端执行器抓手开始进行。 动力装置 动力装置是排爆机器人行走、机械手爪运动的基础。整个机器人共有11个电机。其中7个电机控制芯片，4个由60W功率管组成全H桥，由于功率管可以承受较大的电流，所以主要用于为轮子、手臂提供动力。机器人的电源在车体内部,采用铅酸蓄电池供电。 控制系统 控制系统是组成排爆机器人的主要分系统之一。机器人采用 51单片机作为控制器，还配备了A/D转换，无线通信模块。 操作人员发出控制命令, 车体内的主控机通过通讯机接收到命令后，采集机器人的数据上传给操作人员, 操作人员再通过传上来的数据了解机器人的目前情况并发出相应命令。 机器人运动时,操作人员从控制箱的操纵面板发出命令，控制台收到命令后,按一定格式,通过无线发射模块发出命令，运动车体上的通讯机接收到命令后，传入车体上的单片机，车体单片机按遥控命令控制车体运动等，并采集全车数据上报遥控箱，供操作人员参考使用。控制箱内，操作人员可获得机器人以及周围环境的信息，以此来控制机器人工作。摄像机通过通讯机将车体的图像传给控制箱上的监视器供操作人员观察前方情况。 上位机在遥操作终端里，也采用51单片机控制器。上位机和下位机之间通过无线通讯系统进行通讯。上位机主要功能是采样操纵杆的操纵信号，通过人机操作界面，进行控制算法的运算，通过无线通讯向下位机发送命令和接收所有信息。 手控盒控制在车体上，可以在调试上下车、训练时使用，可以操作机器人、机械手、摄像机的所有动作。手控盒内有电路采取按键键值，通过通讯口发给车体主控机，由主控机发出控制动作。 电路控制系统的控制核心是：51单片机、4 台主电机、手爪电机、3个关节电机、云台两个电机4个自由度、摄像机有1个，通过控制器控制显示。图像通过图像通讯机发送到控制箱，由控制箱图像通讯机接收，显示在液晶显示器上。所有数据由无线数据通讯机发送到控制箱，控制箱数据通讯机接收，显示在数据显示器上。 机器人的主要电路分为两部分：一部分是在控制台上，另一部分在排爆机器人上。在控制台上的主要有控制指令输入电路、无线发射电路和无线图像接受电路；在机器人身上的电路有无线指令接受电路、数字图像无线传输电路和动作控制指令电路。 无线发送电路主要是将按键的动作转换为排爆机器人要执行的指令，并将其以无线电波形式发射出去。无线接收电路其功能主要为接受控制台的指令并完成相应的动作，同时接受动作的反馈，做出相应的合理的处理和动作。 随动系统 随动系统为机器人更精确地抓举物体提供了重要保证。在机械手臂模型（控制机）和机器人手臂（执行机）上安装角度传感器（电位计），分别测量角度（电压），以控制机的数据为基准，一边比较一边反馈，形成闭环控制回路。这样，机械手可以较精确地到达指定位置进行操作。 视觉系统 主摄像机为彩色变焦主摄像机:18倍光学变焦,12 倍数字变焦,440,000 像素。 现在的排爆机器人的视觉系统只是用来起监视作用, 其操作控制方式是由操作者根据在从现场 CCD返回的图像, 通过操作面板上按键来遥控机器人。这种视频监视系统通过操作者的眼睛、大脑和手形成一个大的控制闭环, 整个系统的控制精度和效率就不可避免地受到操作者的精神状态、熟练程度的影响。 遥控箱 遥操作控制终端部分为系统的遥控命令终端 遥操作控制终端内有嵌入式 51单片机一台,连接通讯机,接受车体数据和图像,用操作杆发送控制命令, 控制车体运动与操作 多个单独的按钮,能组合成多种命令 实现机器人移动 机械手各种运动 主摄像机云台旋转 夹钳开合 收缆以及摄像视频图像显示控制等操作。 通信系统 采用大于500 米通讯距离的无线通讯或 150 米长的电缆通讯 采用数据与图像分别传输的方式进行通讯 无线通信模块采用微功率无线模块,频率: 0.9 GHz,通讯距离可达到 1 公里,能充分保证遥控人员的安全。
作品图片
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 机器人本体总重为152公斤，行驶速度为0-30M/Min，电源为12V50AH铅酸蓄电池2组，遥控距离无线150M、有线100M，机械臂抓重5KG。 1.CCD摄像机云台制作和实现信号的无线传输：排爆机器人在操作过程中需要2至3个摄像机来提供全景和局部图像，我们设计了一个3自由度的云台，用于放置一个全景摄像机，并设计一个无限传输电路来传输信号至控制台。 2.实现上位机与下位机300米距离稳定双向无线通信:在排爆机器人具体应用中对控制台与机器人之间的无线通信距离有具体要求，一般来说300米是合适的。因此设计了一对能够在300米范围内实现稳定双向通信的电路。 3.排爆机器人机械臂对控制信号的多关节同步联动：排爆机器人机械臂作为整套系统的末端执行器要求动作灵活，但是现有的机器人一般采用逐个关节控制，无法做到联动。运用一套联动控制装置，通过这套系统实现了排爆机器人机械臂对操作者动作的实时随动，并实现多关节联动。
科学性、先进性
- 相对国外来讲，我国在排爆机器人方面起步较晚。国内现使用的排爆机器人多为进口产品，价格昂贵，维护困难。目前，国内机器人在视觉遥控系统方面的研究起步较晚，大多停留在呈现单个图像的阶段。我们的机器人是一款成本较低的、基于视觉遥控的排爆机器人。排爆机器人主要分为移动机构、机械手系统、动力单元、控制系统、视觉遥控系统、随动系统、通信系统等。通过无线通信，机器人接收操作员的控制命令进行动作。摄像头可将前方的图像信息反馈到控制箱的显示屏上，操作人员即可根据收到的信息，做出下一步的决策。操作人员通过随动系统对机器人进行精确控制，实现对危险物品的抓举和排除。机器人可以适应野外环境工作，其前、后履带的设计，使机器人具有良好的爬坡越障能力。随动系统可有效降低操作难度和效率。
获奖情况及鉴定结果
- 获2010—2011年度“挑战杯”校学生课外学术科技作品竞赛特等奖。
作品所处阶段
- 第二代样机阶段
技术转让方式
- 技术授权
作品可展示的形式
- 排爆机器人操作演示
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 在欧美发达国家，警察和安全部门普遍装备排爆机器人用于可疑爆炸物的排除，以保证排爆人员的生命安全。国内公安部门在应对出现的危险爆炸物品进行失效处理或转移的时候，通常采用由排爆人员穿戴重型排爆服携带检测设备，无磁工具，排爆杆和水炮枪进入爆炸物接触范围的方式进行失效处理或转移。但这种人为化的方式，不仅危险性极高，排爆员工作压力大，而且对排爆员的专业能力要求非常严格，难以足员配备给地方相关部门。有鉴于此，近年来国内公安部门来积极引进和装备排爆机器人替代传统排爆员，例如厦门市武警支队装备排爆机器人2台、消防机器人1，总价值超过300万元人民币，福建省内的泉州市，福州市也各有装备，但价格均较为昂贵。我们研发的排爆机器人通过视觉引导和随动系统能够有效提高操作效率和难度，具有良好的市场前景。
同类课题研究水平概述
- 英国研制的履带式“手推车”及“超级手推车”排爆机器人，已向50多个国家的军警机构售出了800台以上。最近英国又将手推车机器人加以优化，研制出土拨鼠及野牛两种遥控电动排爆机器人，英国皇家工程兵在波黑及科索沃都用它们探测及处理爆炸物。土拨鼠重35公斤，在桅杆上装有两台摄像机。野牛重210公斤，可携带100公斤负载。两者均采用无线电控制系统，遥控距离约1公里。 在法国，空军、陆军和警察署都购买了Cybernetics公司研制的TRS200中型排爆机器人。DM公司研制的RM35机器人也被巴黎机场管理局选中。 德国驻波黑的维和部队则装备了Telerob公司使用排爆机器人的MV4系列机器人。 我国沈阳自动化所研制的PXJ-2机器人也加入了公安部队的行列。 美国Remotec公司的Andros系列机器人受到各国军警部门的欢迎，白宫及国会大厦的警察局都购买了这种机器人。在南非总统选举之前，警方购买了四台AndrosVIA型机器人，它们在选举过程中总共执行了100多次任务。 Andros机器人可用于小型随机爆炸物的处理，它是美国空军客机及客车上使用的唯一的机器人。美国REMOTEC公司是NorthropGrumman的子公司，作为传统的警用排爆机器人生产商，REMOTEC生产的防爆机器人包括：AndrosF6-A、WheelbarrowMK8PlusII、WheelbarrowSuperM、AndrosWolverine、AndrosMiniII、AndrosV-A1、SwordfishandMarlincuttingsystems等。其中，F6-A采用活节式履带，能够跨越各种障碍，在复杂的地形上行走。速度为0-5.6公里/小时，无级可调，完全伸展时，最大抓取重量11公斤，配有三个低照度CCD摄像机，可配置X光机组件（实时X光检查或静态图片）、放射/化学物品探测器、霰弹枪等等。可用于排爆、核放射及生化场所的检查及清理，处理有毒、有害物品，特警行动和机场保安。北京瑞琦伟业技术开发有限公司代理F6-A型机器人。
