CN103522303A - 排爆机器人排爆装置及其控制系统和控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种排爆机器人排爆装置及其控制系统和控制方法，包括寻找机构和抓取机构，寻找机构和抓取机构安装在同一回转架上，该回转架下部连接有转轴，该转轴由电机驱动，抓取机构包括机械手臂和手爪，机械手臂的一端与回转架连接，另一端通过第一舵机与手爪连接，机械手臂由至少三节短臂依次连接而成，相邻的两节短臂之间分别通过一个第二舵机连接，寻找机构包括摄像头、第一支架和第二支架，第一支架后端与回转架连接，前端通过第三舵机与第二支架连接，摄像头通过第四舵机安装在第二支架上。本发明便于控制机械手臂的精确抓获动作、摄像头的全向旋转，实时监控完成对危险品的寻找定位、抓取、投放全过程，同时减小工作负荷。

Description

排爆机器人排爆装置及其控制系统和控制方法

技术领域

本发明涉及排爆机器人领域，具体地说，是一种排爆机器人排爆装置及其控制系统和控制方法。

背景技术

随着全球反恐形势的日益严峻，恐怖袭击事件在国内外频频发生，各国的武装力量以及安防部门对排爆机器人的需求量巨大。目前国内外市场推出的排爆机器人产品成本较高，不利于大范围推广。

排爆机器人归属于非结构环境下的地面移动机器人范畴，国外对它的研究起步较早。英国、法国、德国、美国等欧美资本主义国家先后展开了对排爆机器人的技术研究。最早的排爆机器人多半运用于军事用途。随着时代的发展，很多产品都已经民用化，活跃在安防、矿山、化工、危险物品生产等诸多领域。目前排爆机器人技术的研究重点是，让机器人具有更多的自主功能，最终开发出能自主搜索、探测、排爆、敌我识别、自动攻击敌方目标的智能化排爆机器人。

英国成为率先研发排爆机器人的国家。由AB电子产品公司生产的“手推车”是最早的履带式排爆机器人之一，成为排爆机器人的先驱。“手推车”的控制系统由上位机和下位机两部份组成，之间通过100米的长电缆进行通讯。上位机配有操控按钮，可操控机器人的各个关节动作。我国由于种种原因，对排爆机器人起步较晚技术水平明显落后与西方发达国家。最近几年国家加大了对排爆机器人的研发扶持力度，一些高校和企业先后开展了对排爆机器人关键技术的研究工作，通过几年的积累，已有一些技术达到甚至超越了国际先进水平。

结合国内外推出的排爆机器人存在的两个问题：

1．排爆机器人为了安装大量的装备使结构复杂，体积庞大。在特殊的空间狭小的环境下排爆机器人不能够很好的或不能完成任务。

2．排爆机器人的造价过高，低端产品的价格也在20万人民币以上，由于造价过高不能够大量装备，导致大量使用人工排爆，这样就增大了排爆工作人员的危险。

现有的排爆机器人通常以机器人本体配机械手的结构，在执行任务的时候只能进行移除可疑物的操作，在有些特殊情况下无法第一时间解除危险，甚至增加不必要的伤亡，且这些排爆机器人的机械手通常采用二节臂结构，在机械臂的灵活性方面和伸展距离上仍有待提高，在实际使用中经常无法在狭窄位置进行特殊抓取姿势。

而对于排爆机器人硬件系统方面存在的缺点可归纳为：体型巨大，成本高，硬件结构分散，布局失衡，机械臂的灵活性较差、伸展距离不够。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构紧凑、动作灵活的排爆机器人排爆装置及其控制系统和控制方法。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：一种排爆机器人排爆装置，包括寻找机构和抓取机构，所述寻找机构和抓取机构安装在同一回转架上，该回转架下部连接有转轴，该转轴由电机驱动，所述抓取机构包括机械手臂和手爪，所述机械手臂的一端与回转架连接，另一端通过第一舵机与手爪连接，所述机械手臂由至少三节短臂依次连接而成，相邻的两节短臂之间分别通过一个第二舵机连接，所述寻找机构包括摄像头、第一支架和第二支架，所述第一支架后端与回转架连接，前端通过第三舵机与第二支架连接，所述摄像头通过第四舵机安装在第二支架上。

采用上述结构，机械手臂前端的短臂与第一舵机之间也可以设置一个第二舵机，寻找机构与抓取机构安装在同一回转架上，通过电机驱动可以实现寻找机构与抓取机构的同步转动，即摄像头能随时监控机械手臂执行动作，这样就比较容易通过摄像头监控机械手臂的动作，就可以掌握排爆过程，可以使操作者操作起来更容易，寻找机构有三个自由度，这样摄像头就可以实现三维立体监控，机械手臂有四个以上自由度，各节短臂之间可以上下弯曲，手爪可相对于机械手臂360度转动，这样就可以模仿人类的手臂对爆炸物进行处理，排爆处理动作更灵活，流畅，机械手臂是通过各个舵机提供动力的，该装置结构紧凑，动作灵活，便于操作，控制。

所述手爪上安装有控制手爪张合的第五舵机，所述机械手臂和摄像头位于回转架的同一侧。

便于控制手爪抓取过程的张开和合拢，机械手臂和摄像头位于回转架的同一侧，在第一电机带动转轴和回转架运动的过程中，使得摄像头和机械手臂同步转动，能实时的监控机械手臂的动作，不用再去控制第三舵机和第四舵机的转动而达到监控的目的。

所述机械手臂由三节短臂依次连接而成，机械手臂后端的短臂与回转架相连接，机械手臂前端的短臂通过第一舵机与手爪相连接，相邻两节短臂之间均设置有舵机支架，每一个所述第二舵机对应安装在一个舵机支架上，该第二舵机与后一节短臂连接，所述舵机支架与前一节短臂固定连接。

采用上述结构，靠机械手臂后端的短臂前端连接一个第二舵机，该第二舵机连接一个舵机支架，该舵机支架与中间节短臂后端连接，中间节短臂前端连接另一个第二舵机，该第二舵机连接另一个舵机支架，该舵机支架连接机械手臂前端短臂的后端，前端短臂的前端通过第一舵机与手爪后端连接。

与所述回转架相连接的短臂由前支架、中间支架、连接块和后支架依次连接而成，所述后支架与回转架连接，所述前支架连接第二舵机，所述中间支架和后支架上沿长度方向开设有调节孔，所述连接块两端部开设有与调节孔对应的锁孔，所述连接块两端分别与中间支架和后支架通过调节孔、锁孔和锁杆连接。

上述连接方式，可以通过连接块、调节孔和锁孔，调节机械手臂后端短臂的长度，以适应不同的环境。

所述第一舵机和第四舵机为360°的舵机，所述第二舵机、第三舵机和第五舵机均为180°的舵机。

一种所述排爆机器人排爆装置的控制系统，包括上位机遥控平台和下位机控制平台，该上位机遥控平台和下位机控制平台通过无线方式进行信号传输；所述上位机遥控平台包括计算机、服务器、上位机无线射频模块和网络基站；计算机和上位机无线射频模块相连，计算机通过网络和服务器交互，服务器通过网络基站收发3G信号；所述下位机控制平台包括下位机无线射频模块、控制器、3G网卡、图像处理器和执行模块；该执行模块包括所述电机、第一舵机、第二舵机、第三舵机、第四舵机和第五舵机，该执行模块由控制器控制，控制器和下位机无线射频模块相连，所述摄像头和图像处理器相连，图像处理器通过3G网卡收发3G网络信号；上位机无线射频模块和下位机无线射频模块通过无线射频信号进行交互。

采用上述结构，模块之间用通信线路连接，这样的模块化的系统在开发过程中容易检查错误，如果出现错误可直接更换该模块就行。小型化是为了让该机器人有更多空间可以利用或可以根据小型化的模块将排爆机器人的体积适当的改小。合理化是将硬件系统合理的布局以及合理的安装，这样机器人在操作起来的时候不易发生侧翻等事故。任何计算机通过网络都可以采集到上位机遥控平台服务器上的来自于下位机控制平台的视频信号，方便多台电脑同时监视或远距离监视。

一种所述排爆机器人排爆装置控制系统的控制方法，包括以下步骤：

S1、初始时，摄像头与机械手臂朝向相同，上位机遥控平台发送第一指令，控制第四舵机和第三舵机转动，使摄像头在水平360°和上下180°范围内转动，寻找目标物；

该第一指令为控制第四舵机和第三舵机转动的指令，指令通过计算机经上位机无线射频模块发送至下位机无线射频模块，控制器收到指令后控制执行模块中的部件动作。

S2、摄像头捕获的图像经图像处理器处理后通过3G网卡发送至上位机遥控平台，经辨识为目标物后，上位机遥控平台发送第二指令，使第四舵机和第三舵机停止转动，锁定目标物；

该第二指令为控制第四舵机和第三舵机停止转动的指令。

S3、下位机控制平台读取此时摄像头水平转动的角度C1，上位机遥控平台发送第三指令，控制第四舵机转动，使摄像头在水平方向上复位，与机械手臂的朝向相同；

该第三指令为控制第四舵机反向转动的指令，下位机控制平台也可以读取此时摄像头俯仰的角度，在机械手臂运动时，使其俯仰角度与摄像头一致。

S4、下位机控制平台将摄像头水平转动的角度C1发送至上位机遥控平台，上位机遥控平台发送第四指令，控制电机带动转轴转动，使机械手臂和手爪水平转动C1角度，并朝向目标物；

该第四指令为控制电机转动的指令，通过上述四步，先让摄像头转动确定目标物的方位，再让电机带动转轴转动，使机械手臂转到目标物的方位，若通过电机转动来带动机械手臂和摄像头寻找，其负荷比较大，而只通过第四舵机和第三舵机转动带动摄像头旋转，来寻找并锁定目标物，可以减小工作负荷。

S5、上位机遥控平台发送第五指令，控制机械手臂的各个第二舵机转动，使机械手臂伸向目标物，使手爪位于目标物上方；

该第五指令为控制各个第二舵机转动的指令，可以控制机械手臂后端至前端的第二舵机依次转动，如同人手的动作方式。

S6、上位机遥控平台发送第六指令，控制第一舵机转动，使手爪旋转至与目标物对应的位置，同时驱动第五舵机和第二舵机，使手爪张开并前伸夹紧目标物；

该第六指令为控制第一舵机转动、第五舵机、第二舵机转动的指令。

S7、上位机遥控平台发送第七指令，控制各个第二舵机的转动，使机械手臂回缩，同时驱动第五舵机转动，使手爪松开目标物，将目标物放入指定位置；

该第七指令为控制各个第二舵机和第五舵机转动的指令。

S8、上位机遥控平台发送第八指令，控制电机、第一舵机和各个第二舵机的转动，使手爪和机械手臂复位，返回初始位置。

该第八指令为控制第一舵机和各个第二舵机转动的指令。

本发明的有益效果是：结构紧凑，动作灵活，体积较小，便于自动化控制，控制排爆机器人排爆装置机械手臂的精确抓获动作、摄像头的全向旋转，结合基于3G技术的动作视频实时显示，完成对危险品的寻找定位、抓取、投放全过程，同时能减小摄像头寻找目标物时排爆装置的工作负荷。

附图说明

图1本发明的结构示意图；

图2为图1的侧视图；

图3为上位机遥控平台和下位机控制平台的连接关系图；

图4为排爆机器人排爆装置控制系统的控制方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

如图1和图2所示，一种排爆机器人排爆装置，包括寻找机构和抓取机构，寻找机构和抓取机构安装在同一回转架3上，该回转架3下部连接有转轴6，该转轴6由电机驱动，抓取机构包括机械手臂和手爪101，机械手臂由三节短臂102依次连接而成，机械手臂后端的短臂与回转架3连接，机械手臂前端的短臂102通过第一舵机7与手爪101连接，相邻的两节短臂102之间分别通过一个第二舵机8和一个舵机支架12连接，每一个第二舵机8对应安装在一个舵机支架12上，该第二舵机8与后一节短臂102连接，舵机支架12与前一节短臂102固定连接，手爪101上安装有控制手爪101张合的第五舵机11，所述寻找机构包括摄像头2、第一支架4和第二支架5，所述第一支架4后端与回转架3连接，前端通过第三舵机9与第二支架5连接，所述摄像头2通过第四舵机10安装在第二支架5上，机械手臂和摄像头201位于回转架14的同一侧，并相对于转轴6对称设置。

与回转架3相连接的机械手臂后端的短臂102由前支架103、中间支架104、连接块105和后支架106依次连接而成，所述后支架106与回转架3连接，所述前支架103连接第二舵机8，所述中间支架104和后支架106上沿长度方向开设有调节孔，所述连接块105两端部开设有与调节孔对应的锁孔，所述连接块105两端分别与中间支架104和后支架106通过调节孔、锁孔和锁杆连接，可以根据需要调节机械手臂后端短臂102的长度。

所述第一舵机7和第四舵机10为360°的舵机，所述第二舵机8、第三舵机9和第五舵机11均为180°的舵机。

如图3所示，一种上述排爆机器人排爆装置的控制系统，包括上位机遥控平台和下位机控制平台，该上位机遥控平台和下位机控制平台通过无线方式进行信号传输；所述上位机遥控平台包括计算机31、服务器33、上位机无线射频模块32和网络基站34；计算机31和上位机无线射频模块32相连，计算机31通过网络和服务器33交互连接，服务器33通过网络基站34收发3G信号；所述下位机控制平台包括下位机无线射频模块21、控制器22、3G网卡24、图像处理器25和执行模块23；该执行模块23包括所述电机、第一舵机7、第二舵机8、第三舵机9、第四舵机10和第五舵机11，该执行模块23由控制器22控制，控制器22和下位机无线射频模块21相连，所述摄像头2和图像处理器25相连，图像处理器25通过3G网卡24收发3G网络信号；上位机无线射频模块32和下位机无线射频模块21通过无线射频信号进行交互连接。

如图4所示，一种上述排爆机器人排爆装置控制系统的控制方法，包括以下步骤：

S1、初始时，摄像头2与机械手臂朝向相同，上位机遥控平台发送第一指令，控制第四舵机10和第三舵机9转动，使摄像头2在水平360°和上下180°范围内转动，寻找目标物；

S2、摄像头2捕获的图像经图像处理器25处理后通过3G网卡24发送至上位机遥控平台，经辨识为目标物后，上位机遥控平台发送第二指令，使第四舵机10和第三舵机9停止转动，锁定目标物；

S3、下位机控制平台读取此时摄像头2水平转动的角度C1，上位机遥控平台发送第三指令，控制第四舵机10转动，使摄像头2在水平方向上复位；

S4、下位机控制平台将摄像头2水平转动的角度C1发送至上位机遥控平台，上位机遥控平台发送第四指令，控制电机带动转轴转动，使机械手臂和手爪101水平转动C1角度，并朝向目标物；

S5、上位机遥控平台发送第五指令，控制机械手臂的各个第二舵机8转动，使机械手臂伸向目标物，使手爪101位于目标物上方；

S6、上位机遥控平台发送第六指令，控制第一舵机7转动，使手爪101旋转至与目标物对应的位置，同时驱动第五舵机11和第二舵机8，使手爪101张开并前伸夹紧目标物；

S7、上位机遥控平台发送第七指令，控制各个第二舵机8的转动，使机械手臂回缩，同时驱动第五舵机11转动，使手爪101松开目标物，将目标物放入指定位置；

S8、上位机遥控平台发送第八指令，控制电机、第一舵机7和各个第二舵机8的转动，使手爪101和机械手臂复位。

摄像头2将实时画面捕获下来，经图像处理器25处理后通过3G网卡24传到上位机遥控平台的网络基站34，网络基站34接收到信号后通过服务器33传送至计算机31，经认为辨识后，由计算机31发出控制指令经上位机无线射频模块32发送至下位机无线射频模块21，控制器22收到指令后，控制执行模块23中电机、第一舵机7、第二舵机8、第三舵机9、第四舵机10和第五舵机11的动作，每一步动作都在摄像头2的监视下完成的，便于人为控制。

Claims (7)

1.一种排爆机器人排爆装置，包括寻找机构和抓取机构，其特征在于：所述寻找机构和抓取机构安装在同一回转架（3）上，该回转架（3）下部连接有转轴（6），该转轴（6）由电机驱动，所述抓取机构包括机械手臂和手爪（101），所述机械手臂的一端与回转架（3）连接，另一端通过第一舵机（7）与手爪（101）连接，所述机械手臂由至少三节短臂（102）依次连接而成，相邻的两节短臂（102）之间分别通过一个第二舵机（8）连接，所述寻找机构包括摄像头（2）、第一支架（4）和第二支架（5），所述第一支架（4）后端与回转架（3）连接，前端通过第三舵机（9）与第二支架（5）连接，所述摄像头（2）通过第四舵机（10）安装在第二支架（5）上。

2.根据权利要求1所述的排爆机器人排爆装置，其特征在于：所述手爪（101）上安装有控制手爪（101）张合的第五舵机（11）,所述机械手臂和摄像头（201）位于回转架（14）的同一侧。

3.根据权利要求2所述的排爆机器人排爆装置，其特征在于：所述机械手臂由三节短臂（102）依次连接而成，机械手臂后端的短臂（102）与回转架（3）相连接，机械手臂前端的短臂（102）通过第一舵机（7）与手爪（101）相连接，相邻两节短臂（102）之间均设置有舵机支架（12），每一个所述第二舵机（8）对应安装在一个舵机支架（12）上，该第二舵机（8）与后一节短臂（102）连接，所述舵机支架（12）与前一节短臂（102）固定连接。

4.根据权利要求3所述的排爆机器人排爆装置，其特征在于：与所述回转架（3）相连接的短臂（102）由前支架（103）、中间支架（104）、连接块（105）和后支架（106）依次连接而成，所述后支架106）与回转架（3）连接，所述前支架（103）连接第二舵机（8），所述中间支架（104）和后支架106）上沿长度方向开设有调节孔，所述连接块（105）两端部开设有与调节孔对应的锁孔，所述连接块（105）两端分别与中间支架（104）和后支架106）通过调节孔、锁孔和锁杆连接。

5.根据权利要求4所述的排爆机器人排爆装置，其特征在于：所述第一舵机（7）和第四舵机（10）为360°的舵机，所述第二舵机（8）、第三舵机（9）和第五舵机（11）均为180°的舵机。

6.一种根据权利要求2所述的排爆机器人排爆装置的控制系统，其特征在于：包括上位机遥控平台和下位机控制平台，该上位机遥控平台和下位机控制平台通过无线方式进行信号传输；所述上位机遥控平台包括计算机（31）、服务器（33）、上位机无线射频模块（32）和网络基站（34）；计算机（31）和上位机无线射频模块（32）相连，计算机（31）通过网络和服务器（33）交互，服务器（33）通过网络基站（34）收发3G信号；所述下位机控制平台包括下位机无线射频模块（21）、控制器（22）、3G网卡（24）、图像处理器（25）和执行模块（23）；该执行模块（23）包括所述电机、第一舵机（7）、第二舵机（8）、第三舵机（9）、第四舵机（10）和第五舵机（11），该执行模块（23）由控制器（22）控制，控制器（22）和下位机无线射频模块（21）相连，所述摄像头（2）和图像处理器（25）相连，图像处理器（25）通过3G网卡（24）收发3G网络信号；上位机无线射频模块（32）和下位机无线射频模块（21）通过无线射频信号进行交互。

7.一种根据权利要求6所述的排爆机器人排爆装置控制系统的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1、初始时，摄像头（2）与机械手臂朝向相同，上位机遥控平台发送第一指令，控制第四舵机（10）和第三舵机（9）转动，使摄像头（2）在水平360°和上下180°范围内转动，寻找目标物；

S2、摄像头（2）捕获的图像经图像处理器（25）处理后通过3G网卡（24）发送至上位机遥控平台，经辨识为目标物后，上位机遥控平台发送第二指令，使第四舵机（10）和第三舵机（9）停止转动，锁定目标物；

S3、下位机控制平台读取此时摄像头（2）水平转动的角度C1，上位机遥控平台发送第三指令，控制第四舵机（10）转动，使摄像头（2）在水平方向上复位；

S4、下位机控制平台将摄像头（2）水平转动的角度C1发送至上位机遥控平台，上位机遥控平台发送第四指令，控制电机带动转轴转动，使机械手臂和手爪（101）水平转动C1角度，并朝向目标物；

S5、上位机遥控平台发送第五指令，控制机械手臂的各个第二舵机（8）转动，使机械手臂伸向目标物，使手爪（101）位于目标物上方；

S6、上位机遥控平台发送第六指令，控制第一舵机（7）转动，使手爪（101）旋转至与目标物对应的位置，同时驱动第五舵机（11）和第二舵机（8），使手爪（101）张开并前伸夹紧目标物；

S7、上位机遥控平台发送第七指令，控制各个第二舵机（8）的转动，使机械手臂回缩，同时驱动第五舵机（11）转动，使手爪（101）松开目标物，将目标物放入指定位置；

S8、上位机遥控平台发送第八指令，控制电机、第一舵机（7）和各个第二舵机（8）的转动，使手爪（101）和机械手臂复位。

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