仲隆健，趙宇萌，刁振霖，張國(guó)恒

(西北民族大學(xué)電氣工程學(xué)院，甘肅蘭州730030)

一種排爆作戰(zhàn)一體化機(jī)器人的設(shè)計(jì)

仲隆健，趙宇萌，刁振霖，張國(guó)恒*

(西北民族大學(xué)電氣工程學(xué)院，甘肅蘭州730030)

設(shè)計(jì)了以履帶式移動(dòng)平臺(tái)作為載體基礎(chǔ)的機(jī)器人，通過(guò)搭載作業(yè)手臂和子彈發(fā)射平臺(tái)，該機(jī)器人可以在完成排爆任務(wù)的同時(shí)擁有作戰(zhàn)能力.通過(guò)對(duì)機(jī)器人系統(tǒng)總體構(gòu)架、硬件組成、軟件設(shè)計(jì)三個(gè)方面進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)，使機(jī)器人能夠達(dá)到協(xié)調(diào)、快速、準(zhǔn)確地完成指定設(shè)計(jì)要求.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，該機(jī)器人能夠完全實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求.

排爆作戰(zhàn)機(jī)器人；作業(yè)手臂；發(fā)射平臺(tái)

0 引 言

排爆兼作戰(zhàn)功能的機(jī)器人是一種從事排爆、防爆、安全等工作的綜合性機(jī)器人，所以對(duì)其各方面改善與創(chuàng)新都是極具研究和應(yīng)用價(jià)值的.對(duì)于排爆作戰(zhàn)一體化機(jī)器人而言，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步與發(fā)展，對(duì)它的研究與應(yīng)用也會(huì)更廣泛化、智能化、多功能化，在未來(lái)的反恐安全等方面將會(huì)起到越來(lái)越重要的作用.

目前，對(duì)于排爆機(jī)器人的研究，不僅創(chuàng)新上有突破，而且在整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及優(yōu)化方面也取得很大進(jìn)展[1～2].隨著機(jī)器人技術(shù)發(fā)展，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，履帶式機(jī)器人能夠更好地適應(yīng)地面的變化，具有良好的自復(fù)位和越障能力，所以采用履帶式移動(dòng)平臺(tái)作為排爆機(jī)器人作業(yè)手臂和作戰(zhàn)器械的載體[3～4].機(jī)器人的作業(yè)手臂和作戰(zhàn)器械的協(xié)調(diào)工作也是很重要的，不僅要考慮作業(yè)手臂和作戰(zhàn)器械結(jié)構(gòu)上的合理度、協(xié)調(diào)度，更要考慮人與機(jī)器人之間正確無(wú)誤的通信.通過(guò)通信控制機(jī)器人的各種動(dòng)作，特別是由排爆機(jī)器人的作業(yè)環(huán)境和作業(yè)特點(diǎn)決定的準(zhǔn)確的、遠(yuǎn)距離無(wú)線通信的成功實(shí)現(xiàn)便成為排爆機(jī)器人研制中尤為重要的一部分[5～8].本文以履帶式移動(dòng)平臺(tái)為基礎(chǔ)，對(duì)兼具排爆和作戰(zhàn)功能的機(jī)器人進(jìn)行總體設(shè)計(jì)研究.

1 設(shè)計(jì)要求及實(shí)現(xiàn)功能

1.1 設(shè)計(jì)要求

排爆作戰(zhàn)一體化機(jī)器人的基本設(shè)計(jì)要求是能夠?qū)崿F(xiàn)上位機(jī)的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)控制、無(wú)線通信技術(shù)以及系統(tǒng)的集成.采用遠(yuǎn)程控制和無(wú)線通信等技術(shù)可以使機(jī)器人能夠自動(dòng)避開(kāi)障礙物，加上履帶式移動(dòng)平臺(tái)作為機(jī)器人的載體基礎(chǔ)可以使機(jī)器人能夠更好地適應(yīng)山地等復(fù)雜環(huán)境.通過(guò)搭載作業(yè)手臂靈敏的動(dòng)作，可以對(duì)危險(xiǎn)物進(jìn)行及時(shí)排除，從而完成排爆任務(wù).增加的子彈發(fā)射平臺(tái)則可以在必要時(shí)通過(guò)發(fā)射子彈，實(shí)現(xiàn)作戰(zhàn)的目的.

1.2 實(shí)現(xiàn)功能

排爆作戰(zhàn)一體化機(jī)器人的工作過(guò)程為從上位機(jī)端通過(guò)控制按鈕發(fā)送命令給路由端串口轉(zhuǎn)發(fā)軟件，由此串口轉(zhuǎn)發(fā)軟件發(fā)送TTL信號(hào)給單片機(jī).單片機(jī)會(huì)有兩個(gè)控制方向：一是進(jìn)入自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)舵機(jī)帶動(dòng)超聲波模塊旋轉(zhuǎn)測(cè)距，這樣在行駛過(guò)程中進(jìn)行避障行駛；二是遠(yuǎn)程控制開(kāi)關(guān)車(chē)燈，同時(shí)可以控制前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、停止功能.整個(gè)過(guò)程中，攝像頭將實(shí)時(shí)環(huán)境畫(huà)面?zhèn)骰氐缴衔粰C(jī)端，供操作者操縱機(jī)器人的動(dòng)作.

2 硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 機(jī)械部分設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本設(shè)計(jì)機(jī)械部分主要由履帶式移動(dòng)平臺(tái)、作業(yè)手臂和作戰(zhàn)器械三部分組成.

履帶式移動(dòng)平臺(tái)能夠更好地適應(yīng)地面的變化，具有良好的自復(fù)位和越障能力.同時(shí)，履帶式移動(dòng)平臺(tái)增加了自身的穩(wěn)定性，在作業(yè)手臂和作戰(zhàn)器械動(dòng)作時(shí)，可以保證自身的穩(wěn)定，減少不良影響.

作業(yè)手臂是排爆機(jī)器人最關(guān)鍵的部位.作業(yè)手臂由肩關(guān)節(jié)、大臂、肘關(guān)節(jié)、小臂、腕關(guān)節(jié)、手腕、手抓幾部分組成，以舵機(jī)作為關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)較大空間自由度，并且容易控制，使作業(yè)手臂更加靈活，作業(yè)更加準(zhǔn)確，從而達(dá)到整個(gè)作業(yè)手臂的靈敏性、準(zhǔn)確性，使得各部分達(dá)到協(xié)調(diào)工作的目的.

作戰(zhàn)器械部分采用雙管彈射裝置發(fā)射子彈，此裝置利用大扭矩電機(jī)獲得較大彈性勢(shì)能后通過(guò)特定裝置釋放勢(shì)能將子彈打出，發(fā)射距離在10 m以上，在云臺(tái)上搭載發(fā)射槍架和攝像頭.通過(guò)槍架作為發(fā)射炮彈的載體.用到的槍架可以隨著云臺(tái)進(jìn)行180度的旋轉(zhuǎn)，同時(shí)槍架也可以從水平射擊方向變?yōu)榇怪鄙鋼舴较?以便應(yīng)對(duì)各個(gè)方向的情況.而攝像頭則會(huì)通過(guò)無(wú)線傳輸隨時(shí)把機(jī)器人所處的環(huán)境情況傳回上位機(jī)，給操作人員提供有效的數(shù)據(jù)，以便決定作戰(zhàn)計(jì)劃.在性能上，此作戰(zhàn)器械能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程控制打擊和快速的反應(yīng)能力.

2.2 硬件電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

硬件電路包括控制電路、檢測(cè)與傳感電路和通信電路三大部分組成，其電路原理如圖1所示.控制器核心采用STC11F32EX單片機(jī)[9]實(shí)現(xiàn)，用舵機(jī)模塊實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的轉(zhuǎn)動(dòng)，WiFi模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信功能，攝像頭采集信號(hào)，還需要有左右輪電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置、發(fā)射裝置電機(jī)、車(chē)燈模塊.其中，舵機(jī)模塊、WiFi模塊、驅(qū)動(dòng)裝置以及車(chē)燈模塊都是直接與單片機(jī)通信.攝像頭的USB口與WiFi模塊的USB口連接，通過(guò)控制伺服驅(qū)動(dòng)帶動(dòng)左輪、右輪電機(jī)和發(fā)射裝置電機(jī)，實(shí)現(xiàn)控制功能.

微控制器STC11F32XE單片機(jī)自帶32 K Flash、1280字節(jié)SRAM，與傳統(tǒng)51單片機(jī)相比，具有低功耗、強(qiáng)抗干擾、超強(qiáng)加密的特點(diǎn)，支持1T模式和IAP技術(shù)，29 K EEPROM空間可用于保存用戶數(shù)據(jù)；具有獨(dú)立的波特率發(fā)生器，內(nèi)部集成高可靠復(fù)位電路，特別適合高速通信、智能控制、強(qiáng)干擾場(chǎng)合并且成本較低.綜合排爆機(jī)器人可能要適應(yīng)各種環(huán)境等因素后，決定以此作為機(jī)器人的主控制器.

數(shù)據(jù)通信采用WiFi模塊，作為控制端和被控對(duì)象的橋梁，它有兩個(gè)功能；一是把攝像頭采集的視頻數(shù)據(jù)幀發(fā)到上位機(jī)；二是接收上位機(jī)的控制命令，通過(guò)TTL串口將數(shù)據(jù)給下位機(jī).

電路中測(cè)距采用HC-SR04超聲波模塊，能夠感測(cè)距離在2 cm～400 cm間的障礙物，精度能達(dá)到3 mm.機(jī)器人通過(guò)搭載此模塊隨時(shí)返回與障礙物的距離，在非自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)下，當(dāng)距離達(dá)到機(jī)器人原地轉(zhuǎn)向的半徑50 cm時(shí)，開(kāi)啟自動(dòng)避障.

3 軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

整個(gè)軟件系統(tǒng)主要分為下位機(jī)動(dòng)作控制部分和上位機(jī)用戶界面兩個(gè)部分.上位機(jī)控制端目前成熟的產(chǎn)品比較多，在此不做過(guò)多討論.下位機(jī)動(dòng)作控制程序主要是通過(guò)預(yù)定協(xié)議協(xié)調(diào)各個(gè)模塊，最終完成動(dòng)作要求.

控制端由上位機(jī)(PC或者手機(jī))控制.上位機(jī)通過(guò)無(wú)線傳輸把控制協(xié)議發(fā)送到路由端，將路由器的TTL口接到單片機(jī)上對(duì)應(yīng)的串口上，單片機(jī)就可以把上位機(jī)發(fā)過(guò)來(lái)的指令進(jìn)行解析，通過(guò)判斷指令，然后將自身的某些引腳電平以拉高或拉低方式告知各執(zhí)行模塊.程序設(shè)計(jì)流程圖如圖2所示.

4 結(jié)果分析

排爆作戰(zhàn)一體化機(jī)器人實(shí)物如圖3所示.通過(guò)對(duì)上述設(shè)計(jì)的搭建，最終使機(jī)器人在工作性能上達(dá)到了預(yù)想的效果.該機(jī)器人關(guān)鍵性能實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有兩個(gè)，即命中率和成功率.

射擊的準(zhǔn)確度，用命中率表示：命中率=(命中數(shù)量)/(射擊總發(fā)數(shù)).

實(shí)驗(yàn)是在距目標(biāo)距離為10 m處的一個(gè)固定位置、實(shí)驗(yàn)電壓為12 V、同一彈種，每組射擊數(shù)量為10發(fā).

排爆的成功率定義為：排爆成功率=(成功次數(shù))/(總測(cè)試次數(shù)).

每次從機(jī)械手動(dòng)開(kāi)始計(jì)時(shí)，到完全夾住爆炸物離開(kāi)地面為止，時(shí)間超過(guò)兩分鐘即為不成功.

實(shí)驗(yàn)是在爆炸物位置不變、實(shí)驗(yàn)電壓為12 V、操作人不變、模擬爆炸物為同一個(gè)物體，每組測(cè)試次數(shù)為10次，從機(jī)械手運(yùn)動(dòng)開(kāi)始計(jì)算，時(shí)間超過(guò)40 s為排爆不成功.在草坪和山地環(huán)境條件下命中率實(shí)驗(yàn)和排爆成功率實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分別如表1和表2所示.

表1 草坪上命中率實(shí)驗(yàn)和排爆成功率實(shí)驗(yàn)

表2 命中率實(shí)驗(yàn)和排爆成功率實(shí)驗(yàn)

經(jīng)實(shí)地測(cè)量驗(yàn)證表明，該機(jī)器人在草坪和山地兩種環(huán)境下命中率及排爆成功率相差不大，且命中率和排爆成功率較高，這表明機(jī)器人在較好完成作業(yè)性能的同時(shí)，對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力也較強(qiáng).

5 結(jié)論

設(shè)計(jì)的這種以履帶式移動(dòng)平臺(tái)作為載體基礎(chǔ)的機(jī)器人，通過(guò)搭載作業(yè)手臂和子彈發(fā)射平臺(tái)，該機(jī)器人可以在完成排爆任務(wù)的同時(shí)擁有作戰(zhàn)能力.該機(jī)器人能夠達(dá)到協(xié)調(diào)、快速、準(zhǔn)確地完成指定設(shè)計(jì)要求.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，該機(jī)器人在草地和山地環(huán)境中都能夠很好地完成排爆作戰(zhàn)任務(wù).

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A Design of the Intergrated Combat EOD Robot

ZHONG Long-jian, ZHAO Yu-meng, DIAO Zhen-lim

(School of Electrical Engineering，Northwest University for Nationalities, Lanzhou 730030, China)

Design of the tracked mobile platform as basis vectors of the robot, powered by working arm and bullet launch platform, the robot can be in complete EOD tasks at the same time and have combat capability. By analyzing and researching on the overall design, hardware composition and software design of the robot system, the robot can achieve the purpose of coordination, rapid and accurate work. Experimental and data results showed that the robot could achieve the design requirements completely.

EOD and combat robot；Working arm；Launching platform

2015-11-10

2015年國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(201510742056)；國(guó)家民委高等教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目(15024).

*

仲隆健(1994—)，男，陜西安康人.

O411.3∶TP242

A

1009-2102(2015)04-0010-04