CN206748436U - 一种基于plc的多关节机械臂式远程遥控排爆机器人 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于PLC的多关节机械臂式远程遥控排爆机器人，包括可编程PLC控制器、人机界面、多个电动推杆、多个角度编码器、多个压力传感器、多个继电器以及两夹钳手爪，所述压力传感器安装在手爪内部的两侧，所述电动推杆及角度编码器安装在机械臂的关节处。压力传感器的输出端接入PLC，PLC各I/O输出端连接有继电器，继电器的输出端连接有电动推杆，所述可编程PLC控制器接收压力传感器采集的参数信号并结合PLC内部编程控制实现物体的柔性抓取的控制。本实用新型运行平稳、大力矩、操作简单、控制可靠、成本低可为批量生产提供参考的排爆机器人。
Description
技术领域
本实用新型涉及排爆机器人的技术领域，具体涉及一种基于PLC的多关节机械臂式远程遥控排爆机器人。
背景技术
当今世界，恐怖主义已经成为影响国际社会公共安全的重要威胁，爆炸恐怖活动已经成为恐怖分子最常用的活动方式之一，爆炸式袭击具有危害大、易发动、难防范等特点，给全世界的政治经济环境和人民生命财产造成了巨大破坏。2012年美国发布的全球恐怖活动年报的统计数据表明，爆炸物占63％以上。
排爆机器人除了用于应对恐怖袭击外，还可用于火灾现场排爆和战场及战后危险物处理。排爆机器人可以代替人类到达有爆炸物危险的环境中,直接在事发现场进行侦察、排除和处理爆炸物及其它危险品。排爆机器人技术集机械、电子、材料、计算机、传感器、控制等多门学科于一体，是国家高科技实力和发展水平的重要标志，是国防装备以及与社会安全紧密相关的反恐防爆装备的核心技术之一。
在国际恐怖事件日益频繁的今天，国外的爆炸物处理机器人使用已很普遍，英国“手推车”(Morfax公司)、“探索者”，美国Andros系列(Remotec公司)，德国TEODOR(Telerob公司)，法国TSRZOO(Cybernet公司)，加拿大RMI9WT(Pedsco公司)等系列产品已批量生产并装备于陆军、空军和警察部队。但在我国，这类机器人的使用还相对较少，相关的技术研究还处于发展中。随着国内外反恐形势的日益严峻，排爆机器人的研究逐渐成为特种机器人研究的热点，中国科学院沈阳自动化所、上海交通大学、北京航空航天大学、华南理工大学等高校及多家高科技有限公司都在机器人机械结构、零部件功能设计、控制器设计及实现、路径规划等方面展开大量研究。
多控制器是排爆机器人可以采用的一种控制器形式。基于多DSP并行处理的自主移动机器人平台(发明专利，ZL021560315)，该控制系统模块化和可扩展性较差；基于IPC-PLC的排爆机器人控制系统设计(乔凤斌，杨汝清，上海交通大学机器人研究所，《计算机工程与应用》)，还系统没有形成完整闭环，因此无法实现精确定位；基于DSP_FPGA的排爆机器人控制系统设计与实现(肖志远，华南理工大学，硕士论文，2015)，该控制系统前期开发工作大，可扩展性差。
综上，在所列举的研究技术方面，现有方案具有各自创新点及优势，但在整机的集成化、模块化、精确度、实用性等方面有待整合和提高。
实用新型内容
本实用新型的目的是针对一般排爆情况下存在的问题，提供一种针对危险现场排除爆炸物的系统，以解决现有排爆中存在的问题。
为了达到上述目的，本实用新型所采用的技术方案为：
一种基于PLC的多关节机械臂式远程遥控排爆机器人，包括可编程PLC控制器、人机界面、多个电动推杆、多个角度编码器、多个压力传感器、多个继电器、多关节机械臂以及两夹钳手爪，所述压力传感器安装在两夹钳手爪内部的两侧，所述电动推杆及角度编码器安装在多关节机械臂的关节处，压力传感器的输出端接入可编程PLC控制器，可编程PLC控制器各I/O输出端连接有继电器，继电器的输出端连接有电动推杆，所述可编程PLC控制器接收压力传感器采集的参数信号并结合可编程PLC控制器内部编程控制实现物体的柔性抓取的控制。
其中，该机器人为能够进行双目测距实现有线和无线控制抓取的多关节机器人，所述人机界面为触摸屏组态的人机界面，所述机器人还包括双目立体视觉远程图像显示装置、两路全景摄像机、机械臂附加的精密倾角传感器以及多个电机；所述两夹钳手爪，两夹钳采用折杆和平行夹盘相结合的结构，具有夹持和抱持的功能，既可适应轻小物体又可稳定抓取重物，特别安装的缓冲弹垫和阵列式压力传感器使目标物夹取更加安全可靠，采用三自由度驱动机构，结合自锁功能，使抓取过程更加省电，在夹持移动过程，可最大限度保证夹持物的受力稳定；两夹钳的手指结构可通过更换组件进行重组，以适应更加复杂排爆任务的要求。
其中，采用嵌入式工控计算机进行上下位机的通信控制，利用控制箱的摇杆和按钮实现机器人的远程遥控；多角度传感器采集推力稳定的电动推杆结构，实现了机械臂的平稳伸折；三电机驱动的夹钳式手爪，配合点阵式压力传感器，可实现目标物的柔性可靠抓取；充分运用直流电机PWM控制与履带式行走底座的越障能力，可实现爬坡、崎岖路面的高稳定通过性能；高清摄像机的远距离视频图像传输、双目立体视觉以及机械臂角度小视窗线条显示，实现了外界环境的全局观察，可实时交互地完成对可疑目标的遥控抓取；采用230MHz工业频段通信系统传送指令，2.4GHz通信频段传送视频，保证了复杂工作环境下的强抗干扰能力，使系统遥控距离达到500米以上。
其中，所述的机器人具有多传感器技术，特别设计的双目立体视觉远程图像显示系统，操作者可以通过立体视觉眼镜近距离真实获取目标物的三维信息，配合2路全景摄像机视频图像的切换显示，远程准确完成抓取操作；通过机械臂附加的精密倾角传感器，准确获取机械臂的倾角位置和配合关系，在遥控显示器上以清晰线条小视窗显示，仿佛从侧面显示臂展的姿态，有助于操作者了解臂的工作情况以及伸缩极限。
其中，所述机器人的控制采用手爪末端运动轨迹的多电机协同控制策略：结合目标物自动测距、电机PWM控制，实现了抓取目标的路径最优控制，使排爆过程更加快捷。
其中，所述机器人自主设计采用直流电机驱动技术的排爆机器人履带式行走底座，将履带机构、电机PWM控制策略一体化设计，解决了行走机构的行走快速性和平稳性的一致性问题，同时使得机器人操控更加灵活与可靠。
其中，所述机器人通过台达触摸屏人机界面和游戏手柄进行控制，通过双目摄像头回传画面观测危险物品，操作简单，可视性强。
其中，所述机器人通过无线数据传输模块和无线图像传输模块，实现上下位机之间的数据交换。
本实用新型的有益效果体现在：
通过基于PLC的智能控制系统实现排爆机器人的抓取目标危险物，安全可靠，实用性强，使用范围广。
附图说明
图1为本实用新型的一种基于PLC的多关节机械臂式远程遥控排爆机器人结构示意图，其中，1为底座，2为关节一，3为关节二，4为关节三，5为蜗轮蜗杆电机一，6为蜗轮蜗杆电机二，7为蜗轮蜗杆电机三，8为可开合手爪，9为手爪旋转关节，10为机械臂一，11为机械臂二；
图2为位置解算算法示意图；
图3为本实用新型PLC控制器端口连接图。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本实用新型。
为了使排爆机器人能够准确抓取危险物品，需要能够准确的识别各种目标。参照图1所示，一种基于PLC的多关节机械臂式远程遥控排爆机器人，包括底座1、关节一2、关节二3、关节三4、蜗轮蜗杆电机一5、蜗轮蜗杆电机二6、蜗轮蜗杆电机三7，可开合手爪8，手爪旋转关节9，机械臂一10和机械臂二11，通过设置在排爆机器人底座1上的前后摄像头，手爪关节上1个双目高清摄像头来采集目标图像，并通过无线图传模块将采集到的图像传送远程操作平台图像采集模块，在显示器上显示。图像采集模块采用大恒QP300四合一图像采集卡，在提取了目标的图像特征之后利用三角测距原理，经目标特征匹配和计算得出目标物与机械手坐标系的精确相对位置。
在确定目标物品位置之后，为了能够在排爆过程中实现爬坡，越障等功能，本机器人采用了履带式机械机构作为行走方式。行走底座1由电池供电，左右主动轮独立驱动，均放置一个400W驱动电机，采用PWM波控制方式，可以方便地实现排爆机器人的直线行走、转弯以及原地360度旋转，并具有足够的行驶动力和驻车止动能力。
排爆机器人在接近目标物品的过程中，摄像头一直对准目标物，使目标物始终处于图像监视之下。在接近目标物品之后，图1所示机械臂一10、机械臂二11由蜗轮蜗杆电机一5、蜗轮蜗杆电机二6、蜗轮蜗杆电机三7推动，可减轻关节处重量，实现较大减速比和自锁功能，在抓住物品之后，即可断电保持。为实现快速抓取，图1所示机械臂关节2、3、4处均放置了一个高精度倾角传感器，实时采集位置信息，传输至PLC中。蜗轮蜗杆电机采用比例微分控制(PDC)经典控制理论，简单、实用、并且具有较强的鲁棒性，可以直接根据期望轨迹和实际轨迹之间的偏差进行负反馈控制。以图1所示机械臂一10和机械臂二11为对象，设计以机械臂压力为反馈变量的PD控制器和重力补偿PD控制器，可以有效提高控制效果并减小误差。在驱动蜗轮蜗杆的程序中，采用如图2所示位置解算算法，联动机械臂，以角度传感器和双目摄像头作为反馈信号，实现对图1所示蜗轮蜗杆电机一5、蜗轮蜗杆电机二6、蜗轮蜗杆电机三7的双闭环控制，从而达到准确定位，快速抓取。
在准确达到目标空间位置之后，图1所示机器人可开合手爪8打开，抓取目标物品，置于可开合手爪8平台上的压力传感器的输出端接入PLC，PLC各I/O输出端连接有继电器，继电器的输出端连接可开合手爪8，所述可编程PLC控制器接收压力传感器采集的的参数信号并结合PLC内部编程控制实现物体的柔性抓取的控制。
该机器人控制系统选用DVP24SV11T2，该PLC具有10点输入，12点输出，其中2点模拟量输入支持4点200kHz硬件高速计数器，多种运动控制指令，性能稳定可靠，满足该系统的使用
本机器人特别设计的双目立体视觉远程图像显示系统，操作者可以通过液晶显示屏获取目标物的三维信息，辅以台达DOP—B07S411触摸屏，人机交互更加流畅，帮助完成远程准确完成抓取操作。
机器人具有五个自由度，采用台达公司较新产品DVP24SV11T2对机械手臂进行控制，手臂采用台达B2ECM—C20602RS直流伺服电机，方便控制，并采用柔性抓取方式，可最大限度保证夹持物的受力稳定，更加灵活。
与现有的排爆机器人的技术相比，该作品的具有运行平稳、大力矩、操作简单、控制可靠、成本低等显著特点，可为产品化或批量生产提供参考。
本实用新型采用台达DOP-B系SE型人机界面作为上位机，可以设定和显示设备运行动作PLC控制程序通过COM2口通讯程序，RS485通讯方式，操纵机器人抓取危险物，可操作性强。
如图3和表1所示，为本作品PLC控制器与其他部件的连接关系，所述的PLC型号为DVP24SV11T2，其Y0端口对应推杆1电机正转的控制输出，Y1端口对应推杆1电机反转的控制输出，Y2端口对应推杆2电机正转的控制输出，Y3端口对应推杆2电机反转的控制输出，Y4端口对应推杆3电机正转的控制输出，Y5端口对应推杆3电机反转的控制输出，Y6端口对应手抓关节电机正转的控制输出，Y7端口对应手抓关节电机反转的控制输出，Y10端口对应手抓电机正转的控制输出，Y11端口对应手抓电机反转的控制输出，Y12端口控制摄像头的切换，A/D端口接收压力传感器送来的模拟信号，RS-485接收上位机所传来的通讯信号。空气开关QF使总控制电路与电源隔离起保护作用，按钮1使总控制电路处于打开状态，指示灯亮起，按钮2使总控制电路处于关闭状态，指示灯熄灭。
表1本实用新型所采用的各部件规格以及型号
| PLC | DVP28SV |
| 人机界面 | DOP-B系列人机界面 |
| 高清双目摄像头 | KS352双目 |
| 直流驱动电机(底座) | 中远机电MDO2BL-B5型 |
| 直流电机(机械臂) | 台达B2ECM—C20604RS |
| 直流电机(机械手抓) | 台达B2ECM—C20602RS |
| 压力传感器 | A301125/100LBS |
要想使机械手运动，先闭合空气开关QF，接着按下按钮1，使总控制电路处于打开状态，接着操作手柄摇杆，机械臂就会跟随人的控制而运动。电机旋转角度通过编码器将信号送入PLC中来调节电机的联动速度；手抓抓取物体的力度通过压力传感器将信号送到PLC中，经过处理后控制手抓电机的转动，以达到抓取物体的最佳力度。操作完成之后按下按钮2可关闭整个控制电路，并断开空气开关QF。
本实用新型针对排爆机器人特有的功能，集机械、电子和计算机控制技术于一体，以工控机和PLC组成核心的监督计算机控制系统，以类人机械臂、履带式行走底座和钳夹式手爪为机械结构，实现了一款多控制器多自由度排爆机器人。此机器人采用了上位机和台达DVP24SV11T2型PLC进行控制，通过双目摄像头和无线图像传输设备进行目标识别，通过压力传感器实现柔性抓取，基于多个角度传感器和精确定位控制策略实现位置控制，实现了基于触摸屏的人机交互界面，并具有有线、无线手柄的控制方式，实现了一款运行平稳、爬坡能力强、操作简单、控制可靠、成本低可为批量生产提供参考的排爆机器人。五自由度机械臂及手爪机构，多直流电机联合驱动其姿态和位置；采用嵌入式工控计算机进行上下位机的通信控制，利用控制箱的摇杆和按钮实现机器人的远程遥控；多角度传感器采集推力稳定的电动推杆结构，实现了机械臂的平稳伸折；创新设计的三电机驱动的夹钳式手爪，配合点阵式压力传感器，可实现目标物的柔性可靠抓取；充分运用直流电机PWM控制与履带式行走底座的越障能力，可实现爬坡、崎岖路面的高稳定通过性能；高清摄像机的远距离视频图像传输、双目立体视觉以及机械臂角度小视窗线条显示，实现了外界环境的全局观察，可实时交互地完成对可疑目标的遥控抓取；采用230MHz工业频段通信系统传送指令，2.4GHz通信频段传送视频，保证了复杂工作环境下的强抗干扰能力，使系统遥控距离达到500米以上。
Claims (3)
1.一种基于PLC的多关节机械臂式远程遥控排爆机器人，其特征在于：包括可编程PLC控制器、人机界面、多个电动推杆、多个角度编码器、多个压力传感器、多个继电器、多关节机械臂以及两夹钳手爪，所述压力传感器安装在两夹钳手爪内部的两侧，所述电动推杆及角度编码器安装在多关节机械臂的关节处，压力传感器的输出端接入可编程PLC控制器，可编程PLC控制器各I/O输出端连接有继电器，继电器的输出端连接有电动推杆，所述可编程PLC控制器接收压力传感器采集的参数信号并结合可编程PLC控制器内部编程控制实现物体的柔性抓取的控制。
2.根据权利要求1所述的一种基于PLC的多关节机械臂式远程遥控排爆机器人，其特征在于：该机器人为能够进行双目测距实现有线和无线控制抓取的多关节机器人，所述人机界面为触摸屏组态的人机界面，所述机器人还包括双目立体视觉远程图像显示装置、两路全景摄像机、机械臂附加的精密倾角传感器以及多个电机；所述两夹钳手爪，两夹钳采用折杆和平行夹盘相结合的结构。
3.根据权利要求1所述的一种基于PLC的多关节机械臂式远程遥控排爆机器人，其特征在于：所述机器人通过无线数据传输模块和无线图像传输模块，实现上下位机之间的数据交换。
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