排爆机器人特点（排爆机器人的工作原理）

作者：王春宝；蒋良忠；林卓华；李朝庆

EOD机器人是搬运机器人的一种。许多搬运机器人模仿人类动作，用于帮助或部分替代人类执行繁重、危险、重复性的任务。排爆机器人模仿人类行走和抓取物体，可用于现场排除爆炸物。排爆机器人的机械部分包括行走小车和机械臂。

1、排爆机器人控制系统结构

排爆机器人控制系统不再采用原来机器人使用的PLC控制方式，而是基于嵌入式工业计算机和基于Linux平台的开放组件库。计算速度极快，可以达到微秒级。排爆机器人控制系统由传感器部分、机器人本体、操作控制台三部分组成。传感器部分包括广域接入和多信息融合。宽接入、多信息融合基于ARM9系统，由12位以上精度的A/D、32通道I/O、RS232通讯接口组成。可集成多种传感器信号；机器人本体包括嵌入式控制计算机和每个关节的伺服电机。可以驱动各轴（带补偿），分配各轴的运动，处理和控制各种状态量；操作控制台部分包括主控PC、指令解码器、图像解码器、无线接收发射器等。CCD摄像头和超声波传感器获取的图像信息和障碍物信息通过无线传输到主控PC。主控PC机利用图像识别与分析技术获取目标物体的形状、位置信息，同时在计算机屏幕上显示目标、障碍物等三维图像信息。手动指定目标物体后，主控PC通过人工智能计算（模式识别、路径规划、轨迹避碰等）；它将控制指令无线传输到机器人本体的嵌入式控制计算机，自动控制机器人运动。基本结构如图1所示：

图1 EOD机器人控制系统基本结构

2、小车行走控制

手动使用控制杆（或按钮），在小车引导图像（视觉信号）的指示下，完成前进、后退、左转、右转和原地旋转等功能，直至机械手的爪子能够抓取为止可疑爆炸物到达该位置。利用整机动力学算法获得机器人的平衡。将获得各种数据来控制机械臂的空间姿态，以实现整机平衡而不翻倒。例如，当汽车在斜坡上向上移动时，机器人手臂会向前倾斜以保持整个机器的平衡。汽车在行驶过程中需要避开可能遇到的障碍物。通过CCD摄像头、超声波传感器等环境传感器获取障碍物大小和环境信息，实现小车避障，即所谓的路径规划（如图2所示）

图2 排爆机器人路径规划示意图

3、机械手运动控制

机械臂的运动控制（如图3所示）是一个多级控制系统：最上面的AI层是人工智能层。它利用CCD摄像头、超声波等传感器获取障碍物的轮廓和距离，从而避障、避免碰撞。这就是“轨迹规划”（图4）。

图3 机械手多级运动控制系统

图4 机械臂轨迹规划示意图

位于中间层的控制是机器人抓取运动控制中最关键的部分。它实际上是一个中间件。机械臂的运动控制可分为姿态控制和手位控制。主控计算机通过机械臂运动位移问题的逆向运动对腰部、大臂、小臂、手爪进行控制，得到腰部、大臂、小臂、手爪的位置，然后将各关节给出的位置指令传送给上述关节的嵌入式系统控制计算机，通过速度反馈环完成位置控制。四个关节的运动速度由机械臂的轨迹规划确定，避免机械臂蛇形运动。借助触觉传感器，可以自动控制爪子或通过图像信号引导进行精细的“软控制”。抓取可疑爆炸物时，控制爪子的抓握力大约大于可疑爆炸物掉落的重力，以免用力过猛，损坏可疑爆炸物，从而完成专家指定的动作。

位于底部的是控制级位置控制器和速度调节器，均采用成熟的PID（包括P、PI、PD）控制。 PID控制时选择合适的参数，具有一定的鲁棒性，简单实用。当PID不能实现有效控制时，可以对其进行改进或与其他方法相结合，如前馈控制。运动控制包括机械臂各关节的运动控制和行走运动。初步统计，控制回路有13个，如图5所示。

图5 自动控制原理图

嵌入式控制计算机根据上位机传来的位置和速度信号设定各伺服机构的位置和速度，并根据控制规律（如PID）控制伺服电机，从而跟踪或移动实际位置到预期的速度。目标位置。

机器人的手眼协调系统：机器人的手眼协调系统是该系统的最大亮点之一。由于tweener算法需要知道目标物体和机器人的基座坐标（通常是机器人的腰关节基座），因此可以求解相对空间坐标。该系统的目标对象处于未知环境中。由于手眼坐标系统，必须解决这个相对坐标。 EOD机器人操纵器配备有双目系统。双目系统和目标可以用来形成“力矩测量三角形”。原理如图6所示。力矩测量三角型得到的距离误差较大，需要利用激光测距的“光斑”辅助力矩测量来获取坐标物体的空间坐标。随着机器人双筒望远镜接近目标，目标与基坐标之间的相对坐标精度随之增加。经过多次双目接近目标，机械臂最终实现对目标的精确抓取。

图6 力矩测量三角原理图

当机器人自动抓取出现故障时，操作人员可以使用手动系统完成抓取。这是任何产品自动失效后都必须具备的功能。机器人眼睛获得的图像信息经过处理后在控制台的监视器上形成监控图像，以便操作人员用鼠标点击多个物体中的可疑物体。

4 控制系统通讯系统

机器人与现场控制台主控计算机之间采用串口无线通讯。现场主控计算机和远程监控中心采用CDMA通信技术进行无线图像传输。通过通信系统，可以随时观察现场目标和机器人的状态。

在实验室和工业应用中，由于通道成本的限制，串口常常被用作计算机与外部串行设备之间的首选数据传输通道。并且由于串行通信方便简单，许多设备和计算机都可以通过串行端口与外设进行通信。控制、检测、串行通信日益成为计算机与外设进行通信以及获取外设采集的监控数据的非常重要的手段。为了解决有线通信的局限性，考虑到机器人自规划、自组织、适应性强、环境不确定等特点，无线通信是实现机器人与计算机通信的理想方式。因此，采用无线数据传输模块进行数据信号传输是排爆机器人的重要组成部分。无线数据传输模块体积小，使用方便，可远距离控制机器人，有效保护操作人员的安全。

所谓CDMA（码分多址技术）是一种基于扩展的通信系统的载波调制和多址连接技术。 CDMA有很多优点，其中一部分是扩展系统固有的，另一部分是软件切换和功率控制带来的。 CDMA通信网络由扩频网络、多址接入、蜂窝网络和频率复用等技术组成，是频域、时域、码域三维信号处理协同的技术组合，因此具有良好的抗干扰性能、抗多径衰落、保密性和安全性能高。

5 结论与展望

本文的创新点在于排爆机器人控制系统是一个开放的控制系统。该控制系统成功地将双目视觉测距与智能控制算法结合起来，实现了机器人的智能化、网络化功能。这种设计的适用性非常广泛。只要根据需要进行适当修改，就可以设计出适合其他功能机器人的控制系统，具有很高的参考价值。

通过该系统的研发，将提高排爆机器人的自动控制水平，提高排爆机器人的可操作性和可靠性，对保障公共安全、提高排爆效率有很大帮助。

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