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基本信息
- 項目名稱：
- 基于隨動系統(tǒng)的排爆機器人
- 小類：
- 機械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 排爆是一項復(fù)雜細致、危險度高的工作。相對國外來講，我國在排爆機器人方面起步較晚。國內(nèi)現(xiàn)使用的排爆機器人多為進口產(chǎn)品，價格昂貴，維護困難。目前，國內(nèi)機器人在視覺遙控系統(tǒng)方面的研究起步較晚，大多停留在呈現(xiàn)單個圖像的階段。我們研發(fā)的是一款成本較低的、基于視覺遙控和隨動系統(tǒng)的排爆機器人，可有效降低排爆的難度和效率。
- 詳細介紹：
- 排爆機器人主要分為移動機構(gòu)、機械手系統(tǒng)、動力單元、控制系統(tǒng)、視覺遙控系統(tǒng)、隨動系統(tǒng)、通信系統(tǒng)等。通過無線通信，機器人接收操作員的控制命令進行動作。攝像頭可將前方的圖像信息反饋到控制箱的顯示屏上，操作人員即可根據(jù)收到的信息，做出下一步的決策。操作人員通過隨動系統(tǒng)對機器人進行精確控制，實現(xiàn)對危險物品的抓舉和排除。機器人可以適應(yīng)野外環(huán)境工作，其前、后履帶的設(shè)計，使機器人具有良好的爬坡越障能力。 移動機構(gòu) 移動機構(gòu)是排爆機器人完成排爆任務(wù)的基礎(chǔ)。本機器人采用輪履式結(jié)合的形式。在平坦的道路上，可以采用輪式以較高的速度行駛；而履式使機器人有較強的越野能力，在坑凹的地面可以具有較強的行走能力。當(dāng)遇到臺階或上坡時，可以調(diào)整前履帶，進行爬坡；下坡時，可以將前履帶壓下，以減小沖擊。另外，前后履帶的設(shè)計可以有效的防止車體傾翻。當(dāng)機械手臂伸至過前或者夾持的重物過重時，車體會有前翻的傾向，此時，前履帶的支撐可以有效的避免此情況的發(fā)生。當(dāng)上下坡時，前后履帶的支撐，使機器人可以更加平穩(wěn)的爬坡。因此，排爆機器人可適應(yīng)各種路況，以更好的完成排爆任務(wù)。 機械手 機械手是機器人實現(xiàn)抓舉和移除危險物的重要結(jié)構(gòu)部件。機械手有四大部分:抓手、小臂、中臂、大臂組成，共4個自由度。為了便于各個自由度的驅(qū)動電機和減速傳動機構(gòu)的選擇和設(shè)計，機械手的設(shè)計從直接與爆炸物接觸的末端執(zhí)行器抓手開始進行。 動力裝置 動力裝置是排爆機器人行走、機械手爪運動的基礎(chǔ)。整個機器人共有11個電機。其中7個電機控制芯片，4個由60W功率管組成全H橋，由于功率管可以承受較大的電流，所以主要用于為輪子、手臂提供動力。機器人的電源在車體內(nèi)部,采用鉛酸蓄電池供電。 控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)是組成排爆機器人的主要分系統(tǒng)之一。機器人采用 51單片機作為控制器，還配備了A/D轉(zhuǎn)換，無線通信模塊。 操作人員發(fā)出控制命令, 車體內(nèi)的主控機通過通訊機接收到命令后，采集機器人的數(shù)據(jù)上傳給操作人員, 操作人員再通過傳上來的數(shù)據(jù)了解機器人的目前情況并發(fā)出相應(yīng)命令。 機器人運動時,操作人員從控制箱的操縱面板發(fā)出命令，控制臺收到命令后,按一定格式,通過無線發(fā)射模塊發(fā)出命令，運動車體上的通訊機接收到命令后，傳入車體上的單片機，車體單片機按遙控命令控制車體運動等，并采集全車數(shù)據(jù)上報遙控箱，供操作人員參考使用?？刂葡鋬?nèi)，操作人員可獲得機器人以及周圍環(huán)境的信息，以此來控制機器人工作。攝像機通過通訊機將車體的圖像傳給控制箱上的監(jiān)視器供操作人員觀察前方情況。 上位機在遙操作終端里，也采用51單片機控制器。上位機和下位機之間通過無線通訊系統(tǒng)進行通訊。上位機主要功能是采樣操縱桿的操縱信號，通過人機操作界面，進行控制算法的運算，通過無線通訊向下位機發(fā)送命令和接收所有信息。 手控盒控制在車體上，可以在調(diào)試上下車、訓(xùn)練時使用，可以操作機器人、機械手、攝像機的所有動作。手控盒內(nèi)有電路采取按鍵鍵值，通過通訊口發(fā)給車體主控機，由主控機發(fā)出控制動作。 電路控制系統(tǒng)的控制核心是：51單片機、4 臺主電機、手爪電機、3個關(guān)節(jié)電機、云臺兩個電機4個自由度、攝像機有1個，通過控制器控制顯示。圖像通過圖像通訊機發(fā)送到控制箱，由控制箱圖像通訊機接收，顯示在液晶顯示器上。所有數(shù)據(jù)由無線數(shù)據(jù)通訊機發(fā)送到控制箱，控制箱數(shù)據(jù)通訊機接收，顯示在數(shù)據(jù)顯示器上。 機器人的主要電路分為兩部分：一部分是在控制臺上，另一部分在排爆機器人上。在控制臺上的主要有控制指令輸入電路、無線發(fā)射電路和無線圖像接受電路；在機器人身上的電路有無線指令接受電路、數(shù)字圖像無線傳輸電路和動作控制指令電路。 無線發(fā)送電路主要是將按鍵的動作轉(zhuǎn)換為排爆機器人要執(zhí)行的指令，并將其以無線電波形式發(fā)射出去。無線接收電路其功能主要為接受控制臺的指令并完成相應(yīng)的動作，同時接受動作的反饋，做出相應(yīng)的合理的處理和動作。 隨動系統(tǒng) 隨動系統(tǒng)為機器人更精確地抓舉物體提供了重要保證。在機械手臂模型（控制機）和機器人手臂（執(zhí)行機）上安裝角度傳感器（電位計），分別測量角度（電壓），以控制機的數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，一邊比較一邊反饋，形成閉環(huán)控制回路。這樣，機械手可以較精確地到達指定位置進行操作。 視覺系統(tǒng) 主攝像機為彩色變焦主攝像機:18倍光學(xué)變焦,12 倍數(shù)字變焦,440,000 像素。 現(xiàn)在的排爆機器人的視覺系統(tǒng)只是用來起監(jiān)視作用, 其操作控制方式是由操作者根據(jù)在從現(xiàn)場 CCD返回的圖像, 通過操作面板上按鍵來遙控機器人。這種視頻監(jiān)視系統(tǒng)通過操作者的眼睛、大腦和手形成一個大的控制閉環(huán), 整個系統(tǒng)的控制精度和效率就不可避免地受到操作者的精神狀態(tài)、熟練程度的影響。 遙控箱 遙操作控制終端部分為系統(tǒng)的遙控命令終端 遙操作控制終端內(nèi)有嵌入式 51單片機一臺,連接通訊機,接受車體數(shù)據(jù)和圖像,用操作桿發(fā)送控制命令, 控制車體運動與操作 多個單獨的按鈕,能組合成多種命令 實現(xiàn)機器人移動 機械手各種運動 主攝像機云臺旋轉(zhuǎn) 夾鉗開合 收纜以及攝像視頻圖像顯示控制等操作。 通信系統(tǒng) 采用大于500 米通訊距離的無線通訊或 150 米長的電纜通訊 采用數(shù)據(jù)與圖像分別傳輸?shù)姆绞竭M行通訊 無線通信模塊采用微功率無線模塊,頻率: 0.9 GHz,通訊距離可達到 1 公里,能充分保證遙控人員的安全。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 機器人本體總重為152公斤，行駛速度為0-30M/Min，電源為12V50AH鉛酸蓄電池2組，遙控距離無線150M、有線100M，機械臂抓重5KG。 1.CCD攝像機云臺制作和實現(xiàn)信號的無線傳輸：排爆機器人在操作過程中需要2至3個攝像機來提供全景和局部圖像，我們設(shè)計了一個3自由度的云臺，用于放置一個全景攝像機，并設(shè)計一個無限傳輸電路來傳輸信號至控制臺。 2.實現(xiàn)上位機與下位機300米距離穩(wěn)定雙向無線通信:在排爆機器人具體應(yīng)用中對控制臺與機器人之間的無線通信距離有具體要求，一般來說300米是合適的。因此設(shè)計了一對能夠在300米范圍內(nèi)實現(xiàn)穩(wěn)定雙向通信的電路。 3.排爆機器人機械臂對控制信號的多關(guān)節(jié)同步聯(lián)動：排爆機器人機械臂作為整套系統(tǒng)的末端執(zhí)行器要求動作靈活，但是現(xiàn)有的機器人一般采用逐個關(guān)節(jié)控制，無法做到聯(lián)動。運用一套聯(lián)動控制裝置，通過這套系統(tǒng)實現(xiàn)了排爆機器人機械臂對操作者動作的實時隨動，并實現(xiàn)多關(guān)節(jié)聯(lián)動。
科學(xué)性、先進性
- 相對國外來講，我國在排爆機器人方面起步較晚。國內(nèi)現(xiàn)使用的排爆機器人多為進口產(chǎn)品，價格昂貴，維護困難。目前，國內(nèi)機器人在視覺遙控系統(tǒng)方面的研究起步較晚，大多停留在呈現(xiàn)單個圖像的階段。我們的機器人是一款成本較低的、基于視覺遙控的排爆機器人。排爆機器人主要分為移動機構(gòu)、機械手系統(tǒng)、動力單元、控制系統(tǒng)、視覺遙控系統(tǒng)、隨動系統(tǒng)、通信系統(tǒng)等。通過無線通信，機器人接收操作員的控制命令進行動作。攝像頭可將前方的圖像信息反饋到控制箱的顯示屏上，操作人員即可根據(jù)收到的信息，做出下一步的決策。操作人員通過隨動系統(tǒng)對機器人進行精確控制，實現(xiàn)對危險物品的抓舉和排除。機器人可以適應(yīng)野外環(huán)境工作，其前、后履帶的設(shè)計，使機器人具有良好的爬坡越障能力。隨動系統(tǒng)可有效降低操作難度和效率。
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 獲2010—2011年度“挑戰(zhàn)杯”校學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽特等獎。
作品所處階段
- 第二代樣機階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 技術(shù)授權(quán)
作品可展示的形式
- 排爆機器人操作演示
使用說明,技術(shù)特點和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預(yù)測
- 在歐美發(fā)達國家，警察和安全部門普遍裝備排爆機器人用于可疑爆炸物的排除，以保證排爆人員的生命安全。國內(nèi)公安部門在應(yīng)對出現(xiàn)的危險爆炸物品進行失效處理或轉(zhuǎn)移的時候，通常采用由排爆人員穿戴重型排爆服攜帶檢測設(shè)備，無磁工具，排爆桿和水炮槍進入爆炸物接觸范圍的方式進行失效處理或轉(zhuǎn)移。但這種人為化的方式，不僅危險性極高，排爆員工作壓力大，而且對排爆員的專業(yè)能力要求非常嚴格，難以足員配備給地方相關(guān)部門。有鑒于此，近年來國內(nèi)公安部門來積極引進和裝備排爆機器人替代傳統(tǒng)排爆員，例如廈門市武警支隊裝備排爆機器人2臺、消防機器人1，總價值超過300萬元人民幣，福建省內(nèi)的泉州市，福州市也各有裝備，但價格均較為昂貴。我們研發(fā)的排爆機器人通過視覺引導(dǎo)和隨動系統(tǒng)能夠有效提高操作效率和難度，具有良好的市場前景。
同類課題研究水平概述
- 英國研制的履帶式“手推車”及“超級手推車”排爆機器人，已向50多個國家的軍警機構(gòu)售出了800臺以上。最近英國又將手推車機器人加以優(yōu)化，研制出土撥鼠及野牛兩種遙控電動排爆機器人，英國皇家工程兵在波黑及科索沃都用它們探測及處理爆炸物。土撥鼠重35公斤，在桅桿上裝有兩臺攝像機。野牛重210公斤，可攜帶100公斤負載。兩者均采用無線電控制系統(tǒng)，遙控距離約1公里。 在法國，空軍、陸軍和警察署都購買了Cybernetics公司研制的TRS200中型排爆機器人。DM公司研制的RM35機器人也被巴黎機場管理局選中。 德國駐波黑的維和部隊則裝備了Telerob公司使用排爆機器人的MV4系列機器人。 我國沈陽自動化所研制的PXJ-2機器人也加入了公安部隊的行列。 美國Remotec公司的Andros系列機器人受到各國軍警部門的歡迎，白宮及國會大廈的警察局都購買了這種機器人。在南非總統(tǒng)選舉之前，警方購買了四臺AndrosVIA型機器人，它們在選舉過程中總共執(zhí)行了100多次任務(wù)。 Andros機器人可用于小型隨機爆炸物的處理，它是美國空軍客機及客車上使用的唯一的機器人。美國REMOTEC公司是NorthropGrumman的子公司，作為傳統(tǒng)的警用排爆機器人生產(chǎn)商，REMOTEC生產(chǎn)的防爆機器人包括：AndrosF6-A、WheelbarrowMK8PlusII、WheelbarrowSuperM、AndrosWolverine、AndrosMiniII、AndrosV-A1、SwordfishandMarlincuttingsystems等。其中，F(xiàn)6-A采用活節(jié)式履帶，能夠跨越各種障礙，在復(fù)雜的地形上行走。速度為0-5.6公里/小時，無級可調(diào)，完全伸展時，最大抓取重量11公斤，配有三個低照度CCD攝像機，可配置X光機組件（實時X光檢查或靜態(tài)圖片）、放射/化學(xué)物品探測器、霰彈槍等等。可用于排爆、核放射及生化場所的檢查及清理，處理有毒、有害物品，特警行動和機場保安。北京瑞琦偉業(yè)技術(shù)開發(fā)有限公司代理F6-A型機器人。
