摘 要：現(xiàn)階段，為積極應(yīng)對(duì)頻發(fā)的礦井災(zāi)難，有效提升救援工作效率，減少救援二次傷亡率，救援機(jī)器人在救援現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用越來(lái)越普遍，而對(duì)礦難救援機(jī)器人的研究也具有較高的理論和實(shí)踐意義。文章在全面闡述救援機(jī)器人應(yīng)用現(xiàn)狀和關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出面向礦難救援的多方位驅(qū)動(dòng)機(jī)器人，并重點(diǎn)設(shè)計(jì)了適用于該類機(jī)器人的控制系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：礦井災(zāi)難；救援機(jī)器人；運(yùn)動(dòng)控制；系統(tǒng)設(shè)計(jì)

礦難救援對(duì)特種機(jī)器人的需求越來(lái)越大，促使研發(fā)開(kāi)辟出用于搜尋和營(yíng)救的新型救援機(jī)器人。考慮到礦難救援現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜的非結(jié)構(gòu)環(huán)境以及人機(jī)分離的遙控操作狀態(tài)，要求救援機(jī)器人必須設(shè)計(jì)有良好的控制系統(tǒng)。救援機(jī)器人屬于應(yīng)用于惡劣環(huán)境的移動(dòng)機(jī)器人范疇，需要重點(diǎn)考慮其機(jī)械結(jié)構(gòu)、協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)、路徑規(guī)劃、數(shù)據(jù)采集、信息融合、通訊等關(guān)鍵技術(shù)，以保障其控制系統(tǒng)的安全性和有效性。

1 救援機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)及硬件平臺(tái)

機(jī)械機(jī)構(gòu)作為救援機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本部分，是整個(gè)硬件平臺(tái)的基礎(chǔ)，能有效實(shí)現(xiàn)機(jī)器人功能的發(fā)揮。本研究設(shè)計(jì)的多方位驅(qū)動(dòng)機(jī)器人體積小、重量輕、形狀多變，能適應(yīng)溝渠、瓦礫、狹窄等惡劣路面，并能及時(shí)反饋信息，確認(rèn)位置等。其機(jī)械結(jié)構(gòu)由五個(gè)面組成，每面含一個(gè)爬行單位。各面折疊后類似無(wú)封頂?shù)姆胶?，可爬行于狹窄空間；各面展開(kāi)后，其繞轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)最大旋轉(zhuǎn)角度可達(dá)135°。將獨(dú)立的面支撐起來(lái)。并且面與面之間有機(jī)械自鎖功能的渦輪蝸桿結(jié)構(gòu)。同時(shí)，為預(yù)防六面展開(kāi)時(shí)履帶與履帶之間、履帶與面之間出現(xiàn)相互干涉，將左右履帶設(shè)計(jì)為獨(dú)立控制形式。機(jī)器人可通過(guò)履帶間速度差或者旋轉(zhuǎn)單位的運(yùn)動(dòng)來(lái)改變行進(jìn)方向。

救援機(jī)器人用于礦難救援，工作環(huán)境的惡劣性及內(nèi)部存放電路板空間的狹窄性，要求在硬件平臺(tái)上必須具有緊湊的空間、可靠的硬件系統(tǒng)、強(qiáng)大的計(jì)算能力、多任務(wù)并行處理能力、模塊化及對(duì)軟件系統(tǒng)良好的支持能力。多方位驅(qū)動(dòng)機(jī)器人建立基于PC104單板計(jì)算機(jī)為主要處理器的硬件系統(tǒng)，設(shè)置監(jiān)控、運(yùn)動(dòng)控制、數(shù)據(jù)采集三個(gè)系統(tǒng)功能，采用有線控制和無(wú)線控制方式，使用普通手柄遙控器控制及遠(yuǎn)程監(jiān)控PC機(jī)、無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模板控制。多方位驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的硬件平臺(tái)的搭建始終堅(jiān)持全局出發(fā)，減少不必要的機(jī)械結(jié)構(gòu)和硬件電路，控制機(jī)器人的重量，從而提升性能。

2 救援機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

運(yùn)動(dòng)控制是多方位驅(qū)動(dòng)機(jī)器人最基本的功能之一，其目的是為了對(duì)移動(dòng)機(jī)構(gòu)全體運(yùn)動(dòng)進(jìn)行有效控制，使得機(jī)器人在外部控制指令下生成驅(qū)動(dòng)指令及控制器間的通訊，形成多電機(jī)協(xié)調(diào)。本研究機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)采用24V直流電源設(shè)計(jì)，對(duì)于開(kāi)合電機(jī)和旋轉(zhuǎn)電機(jī)采用伺服電機(jī)，以實(shí)現(xiàn)控制精度，履帶電機(jī)采用伺服電機(jī)控制。直流伺服電機(jī)選取啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、成本低、控制容易的直流有刷伺服電機(jī)，其控制方式為脈沖+方向?；趯?duì)位置精準(zhǔn)度的高要求，采用直流有刷伺服電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，開(kāi)合電機(jī)、履帶電機(jī)、旋轉(zhuǎn)電機(jī)應(yīng)在充分考慮力矩和速度輸出的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)。

可以說(shuō)，整個(gè)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)包括爬行單位及轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)電機(jī)的控制和履帶電機(jī)的控制兩部分。主控制器為PC104單板微機(jī)，接口卡核心器件控制方式為CPLD，基于PC104與CPLD運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的直線行走、轉(zhuǎn)彎、各面展開(kāi)及折疊、爬斜坡、樓梯等功能、并對(duì)各個(gè)功能進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)。其中，旋轉(zhuǎn)單元和轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)所用電機(jī)是MAXON公司的伺服電機(jī)，由PC104計(jì)算機(jī)發(fā)出控制信號(hào)，經(jīng)過(guò)CPLD芯片做邏輯處理，脈沖信號(hào)用快速光耦，方向信號(hào)用普通光耦。

3 救援機(jī)器人數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集能為機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的閉環(huán)控制提供信息輸入，是救援任務(wù)完成的根本需求。多方位驅(qū)動(dòng)機(jī)器人數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括圖像采集和傳輸、無(wú)線遙控、A/D數(shù)據(jù)采集三部分。同時(shí)，考慮到救援機(jī)器人工作環(huán)境的特殊性，在機(jī)器人的每個(gè)面上安裝了一個(gè)加速度傳感器，對(duì)機(jī)器人每個(gè)面的姿態(tài)和角度進(jìn)行測(cè)量，從而做出適時(shí)調(diào)整，保證機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的合理性和有效性。救援機(jī)器人帶有生命探測(cè)傳感器，而數(shù)據(jù)采集卡的應(yīng)用為其預(yù)留了借口，從而方便了搜救工作，方便搜救人員及時(shí)準(zhǔn)確安全地發(fā)現(xiàn)存活遇險(xiǎn)者。在圖像采集和傳輸上，為多方位驅(qū)動(dòng)機(jī)器人安裝智能云臺(tái)攝像機(jī)以采集模擬圖像，通過(guò)圖像發(fā)射與接收裝置傳輸?shù)奖O(jiān)控PC機(jī)上，這里采用的是無(wú)線影音傳輸。而無(wú)線遙控部分則是對(duì)信號(hào)和狀態(tài)信號(hào)的傳輸進(jìn)行控制，無(wú)線遙控模塊運(yùn)用的是DTD46X系列嵌入式無(wú)線數(shù)據(jù)傳模塊。A/D數(shù)據(jù)采集則是在機(jī)器人的每個(gè)面上安裝加速度傳感器ADXL202，將獲取的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成為數(shù)字信號(hào)，來(lái)應(yīng)用于每個(gè)面與重力方向所稱的傾斜角，以此確定機(jī)器人的姿態(tài)。在針對(duì)加速度傳感器和生命探測(cè)儀信號(hào)的采集上則是在機(jī)器人的每一面安裝數(shù)據(jù)采集卡。并應(yīng)用數(shù)據(jù)采集卡軟件系統(tǒng)將收集進(jìn)來(lái)的模擬信號(hào)進(jìn)行濾波，AD轉(zhuǎn)換，通過(guò)485總線與上位機(jī)通訊。

4 救援機(jī)器人上層軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為解決以往計(jì)算機(jī)難以直觀控制機(jī)器人各關(guān)節(jié)的問(wèn)題，本研究通過(guò)USB手柄遙控器對(duì)機(jī)器人進(jìn)行有線遙控，直接對(duì)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行檢驗(yàn)?？刂菩盘?hào)由手柄遙控器發(fā)送到PC104計(jì)算機(jī)，并由上層軟件系統(tǒng)對(duì)信息進(jìn)行采集、分析和處理，進(jìn)而傳輸?shù)絇C104總線上。機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制模板接受到PC104總線的信息，依據(jù)所制定的協(xié)議對(duì)信息進(jìn)行分析處理，從而轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電機(jī)控制信號(hào)。并由機(jī)器人上層軟件系統(tǒng)對(duì)PC104總線信息進(jìn)行解讀，把運(yùn)動(dòng)控制模板的相關(guān)狀態(tài)信號(hào)輸送給PC104計(jì)算機(jī)。

綜上所述，本研究多方位驅(qū)動(dòng)機(jī)器人具有體積小、重量輕，適應(yīng)惡劣環(huán)境，形狀多變的履帶驅(qū)動(dòng)移動(dòng)機(jī)構(gòu)，采用多傳感信息融合技術(shù)，能及時(shí)有效傳遞信息、確定位置，且具有較好可移植性，方便應(yīng)用到其他移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)，在多種領(lǐng)域內(nèi)均含重要的應(yīng)用價(jià)值，具有廣闊市場(chǎng)前景。

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作者簡(jiǎn)介：宋清華（1984-），女，漢族，河南湯陰縣人，安陽(yáng)工學(xué)院，碩士研究生，講師，研究方向：容錯(cuò)控制機(jī)器人。