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排爆機器人屬于搬運機器人的一種類(lèi)型，很多搬運機器人是模仿人類(lèi)的動(dòng)作，用來(lái)幫助或部分代替人來(lái)進(jìn)行繁重、危險、重復等工作。排爆機器人模仿人類(lèi)的行走、抓取物體的動(dòng)作，可以被用來(lái)排除現場(chǎng)的爆炸物。排爆機器人機械部分包含行走小車(chē)和機械手臂。 1 排爆機器人控制系統結構 排爆機器人控制系統不再采用原來(lái)機器人所采用的PLC控制方式，而是基于嵌入式工控機的基礎上，采用基于Linux平臺的開(kāi)放式構件庫，運算速度極快，可以達到微秒級。排爆機器人控制系統由三部分組成，即傳感器部分、機器人本體、操作控制臺組成。傳感器部分包含寬接入、多信息融合器。寬接入、多信息融合基于ARM9系統，由12位精度以上A/D、32路I/O、RS232通訊接口組成，能融合多種傳感器信號;機器人本體包含嵌入式控制計算機和各關(guān)節伺服電機，能驅動(dòng)各軸（帶補償），分配各軸運動(dòng)，處理和控制各種狀態(tài)量;操作控制臺部分包含主控PC機、指令解碼器、圖像解碼器、無(wú)線(xiàn)接收發(fā)射器等。CCD攝像機和超聲波傳感器所獲得的圖像信息、障礙物信息，經(jīng)無(wú)線(xiàn)傳輸至主控PC機。主控PC機使用圖像識別和分析技術(shù)獲得對象物體的形狀和位置信息，同時(shí)將目標物、障礙物等三維圖像信息顯示在計算機屏幕上。在人工指明目標物后，主控PC機經(jīng)人工智能（模式識別、路徑規劃、軌跡避碰等）計算;將控制指令通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳輸給機器人本體嵌入式控制計算機，自動(dòng)控制機器人運動(dòng)�；窘Y構如圖1所示： 圖1排爆機器人控制系統基本結構 2 小車(chē)的行走控制 人工通過(guò)控制桿（或按鈕），在小車(chē)引導圖像（可視信號）的指示下，完成前進(jìn)、后退、左轉、右轉和原地旋轉的功能直至達到機械手的手爪能抓取可疑爆炸物的位置為止。機器人的平衡是利用整機的動(dòng)力學(xué)算法求得，將求得多種數據去控制機器人手臂的空間姿態(tài)從而達到整機平衡而不至于倒覆。例如當小車(chē)在斜坡作上升運動(dòng)時(shí)，機器人手臂往前靠以保持整機的平衡。小車(chē)在運動(dòng)過(guò)程中需要避開(kāi)可能遇到的障礙物。通過(guò)環(huán)境傳感器如CCD攝像、超聲波傳感器等取得障礙物大小及環(huán)境信息，實(shí)現小車(chē)避障，即所謂的路徑規劃（如圖2所示） 圖2 排爆機器人路徑規劃示意圖 3 機械手的運動(dòng)控制 機械手的運動(dòng)控制（如圖3）是多級控制系統：位于最上層的AI級是人工智能層。它是利用CCD攝像機和超聲波等傳感器獲得障礙物輪廓與距離以避開(kāi)障礙物實(shí)現避碰，這就是“軌跡規劃”（如圖4）。 圖3 機械手多級運動(dòng)控制系統 圖4 機械手軌跡規劃示意圖 位于中間層的控制是機械手抓取運動(dòng)控制中最關(guān)鍵的部分。它實(shí)際上是一個(gè)補間器。機械手的運動(dòng)控制可分為姿態(tài)控制與手位置控制。腰、大臂、小臂、手爪的控制，是由主控計算機通過(guò)機械手運動(dòng)學(xué)位移問(wèn)題進(jìn)行反向運動(dòng)求解，得出腰、大臂、小臂、手爪的位置，然后給出各關(guān)節位置指令傳至上述關(guān)節的嵌入式系統控制計算機，完成帶有速度反饋環(huán)的位置控制。四個(gè)關(guān)節的運動(dòng)速度通過(guò)機械手的軌跡規劃來(lái)決定，從而避免機械手的蛇形運動(dòng)。由于有觸覺(jué)傳感器，手爪可以自動(dòng)控制，也可以是在圖像信號的指引下作精細“柔軟控制”。抓取可疑爆炸物時(shí)，控制手爪夾持力約大于可疑爆炸物脫落重力，不至用力過(guò)大而夾壞可疑爆炸物，從而完成專(zhuān)家指定的動(dòng)作。 位于最下層是控制級位置控制器與速度調節器均采用成熟的PID（包括P、PI、PD）控制。當PID控制其選擇合適的參數時(shí)，具有一定魯棒性，簡(jiǎn)單、實(shí)用。當PID無(wú)法實(shí)現有效控制時(shí)，可改進(jìn)之或結合其它方法，如前饋控制。運動(dòng)控制包括機械手各個(gè)關(guān)節運動(dòng)控制和行走運動(dòng)，初步統計控制回路有13路，如圖 5所示。 圖5 自動(dòng)控制原理圖 嵌入式控制計算機根據上位計算機傳來(lái)的位置與速度信號，對各個(gè)伺服機構進(jìn)行位置與速度設定，按控制規律（如PID）對伺服電機進(jìn)行控制，使實(shí)際位置按預計的速度跟蹤或運動(dòng)到目標位置。 機器人的手眼協(xié)調系統：機器人的手眼協(xié)調系統是本系統最大亮點(diǎn)之一。由于于補間器算法需要知道目標物與機器人基坐標（一般是機械人的腰關(guān)節底座），相對空間座標才能求解。而本系統目標物是在未知環(huán)境里。這相對坐標必須由于手眼協(xié)調系統來(lái)求解。排爆機器人機械手上裝有雙目系統，利用雙目系統和目標物可構成“ 測矩三角型”，原理示意如圖6。測矩三角型求得距離誤差較大，需要利用激光測距的“光斑”輔助測矩，從而獲得坐標物的空間座標。隨著(zhù)機器人的雙目接近目標物，目標物與基坐標的相對坐標精度提高，經(jīng)過(guò)數次雙目逼近目標物之后，最終實(shí)現機械手準確地抓到目標物。 圖6 測矩三角型原理圖 當機器人自動(dòng)抓取失敗之后，操縱者可利用手動(dòng)系統完成抓取。這是任何一個(gè)產(chǎn)品在自動(dòng)失靈之后必須具備的功能。機器人的雙目獲得的圖像信息，通過(guò)處理，在控制臺的顯示器上形成監控圖像，以便操控者以鼠標點(diǎn)取多個(gè)物體中的可疑物體。 4 控制系統的通信系統 機器人與現場(chǎng)操縱控制臺主控計算機之間采用串口無(wú)線(xiàn)通訊�，F場(chǎng)主控計算機與遠程監控中心采用CDMA通訊技術(shù)進(jìn)行無(wú)線(xiàn)圖像傳輸。通訊系統中任何一點(diǎn)均可觀(guān)察到現場(chǎng)目標物和機器人的狀態(tài)。 在實(shí)驗室和工業(yè)應用中，受信道成本限制，串口常常作為計算機與外部串行設備之間的首選數據傳輸通道，而且由于串行通信方便易行，許多設備和計算機都可以通過(guò)串口對外設進(jìn)行控制、檢測，串口通信日益成為計算機和外設進(jìn)行通信、獲取由外設采集到的監測數據的一個(gè)非常重要的手段。為了解決有線(xiàn)通信的局限性，考慮到機器人自規劃、自組織、自適應能力強、所處環(huán)境不確定的特點(diǎn)，無(wú)線(xiàn)通信是實(shí)現機器人與計算機之間通信的理想方式。因此采用無(wú)線(xiàn)數傳模塊進(jìn)行數據信號傳輸是排爆機器人中重要的一環(huán)。無(wú)線(xiàn)數傳模塊體積小、使用方便，能遠距離地操控機器人從而有效保護操作人員安全。 所謂CDMA（碼分多址技術(shù)）是一種以擴展通訊系統為基礎的載波調制與多址連接技術(shù)。CDMA具有許多的優(yōu)點(diǎn)，其中一部分是擴展系統所固有的，另一部分是由軟件切換和功率控制所帶來(lái)的，CDMA通訊網(wǎng)絡(luò )是由擴頻網(wǎng)、多址接入、蜂窩網(wǎng)絡(luò )和頻率再用等技術(shù)結合而成，含有頻域、時(shí)域和碼域三維信號處理的一種協(xié)作，因此它具有抗干擾性能好、抗多徑衰落、保密安全性能高. 5 結論及展望 本文的創(chuàng )新點(diǎn)在于此排爆機器人控制系統是一個(gè)開(kāi)放式控制系統，該控制系統成功的結合了雙目視覺(jué)測距、智能控制算法，實(shí)現了機器人的智能化和網(wǎng)絡(luò )化功能。該設計的適用性很廣，只要依據需求進(jìn)行適當修改即可設計出適用其他功能機器人的控制系統，具有較高的參考價(jià)值。 通過(guò)該系統的研究與開(kāi)發(fā)，必將提高排爆機器人的自動(dòng)控制水平，提高排爆機器人的操作性與可靠性，對于保障公共安全、提高排爆效率有很大幫助。 |
