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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 基于隨動(dòng)系統(tǒng)的排爆機(jī)器人
- 小類：
- 機(jī)械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡(jiǎn)介：
- 排爆是一項(xiàng)復(fù)雜細(xì)致、危險(xiǎn)度高的工作。相對(duì)國外來講，我國在排爆機(jī)器人方面起步較晚。國內(nèi)現(xiàn)使用的排爆機(jī)器人多為進(jìn)口產(chǎn)品，價(jià)格昂貴，維護(hù)困難。目前，國內(nèi)機(jī)器人在視覺遙控系統(tǒng)方面的研究起步較晚，大多停留在呈現(xiàn)單個(gè)圖像的階段。我們研發(fā)的是一款成本較低的、基于視覺遙控和隨動(dòng)系統(tǒng)的排爆機(jī)器人，可有效降低排爆的難度和效率。
- 詳細(xì)介紹：
- 排爆機(jī)器人主要分為移動(dòng)機(jī)構(gòu)、機(jī)械手系統(tǒng)、動(dòng)力單元、控制系統(tǒng)、視覺遙控系統(tǒng)、隨動(dòng)系統(tǒng)、通信系統(tǒng)等。通過無線通信，機(jī)器人接收操作員的控制命令進(jìn)行動(dòng)作。攝像頭可將前方的圖像信息反饋到控制箱的顯示屏上，操作人員即可根據(jù)收到的信息，做出下一步的決策。操作人員通過隨動(dòng)系統(tǒng)對(duì)機(jī)器人進(jìn)行精確控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)危險(xiǎn)物品的抓舉和排除。機(jī)器人可以適應(yīng)野外環(huán)境工作，其前、后履帶的設(shè)計(jì)，使機(jī)器人具有良好的爬坡越障能力。 移動(dòng)機(jī)構(gòu) 移動(dòng)機(jī)構(gòu)是排爆機(jī)器人完成排爆任務(wù)的基礎(chǔ)。本機(jī)器人采用輪履式結(jié)合的形式。在平坦的道路上，可以采用輪式以較高的速度行駛；而履式使機(jī)器人有較強(qiáng)的越野能力，在坑凹的地面可以具有較強(qiáng)的行走能力。當(dāng)遇到臺(tái)階或上坡時(shí)，可以調(diào)整前履帶，進(jìn)行爬坡；下坡時(shí)，可以將前履帶壓下，以減小沖擊。另外，前后履帶的設(shè)計(jì)可以有效的防止車體傾翻。當(dāng)機(jī)械手臂伸至過前或者夾持的重物過重時(shí)，車體會(huì)有前翻的傾向，此時(shí)，前履帶的支撐可以有效的避免此情況的發(fā)生。當(dāng)上下坡時(shí)，前后履帶的支撐，使機(jī)器人可以更加平穩(wěn)的爬坡。因此，排爆機(jī)器人可適應(yīng)各種路況，以更好的完成排爆任務(wù)。 機(jī)械手 機(jī)械手是機(jī)器人實(shí)現(xiàn)抓舉和移除危險(xiǎn)物的重要結(jié)構(gòu)部件。機(jī)械手有四大部分:抓手、小臂、中臂、大臂組成，共4個(gè)自由度。為了便于各個(gè)自由度的驅(qū)動(dòng)電機(jī)和減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的選擇和設(shè)計(jì)，機(jī)械手的設(shè)計(jì)從直接與爆炸物接觸的末端執(zhí)行器抓手開始進(jìn)行。 動(dòng)力裝置 動(dòng)力裝置是排爆機(jī)器人行走、機(jī)械手爪運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)。整個(gè)機(jī)器人共有11個(gè)電機(jī)。其中7個(gè)電機(jī)控制芯片，4個(gè)由60W功率管組成全H橋，由于功率管可以承受較大的電流，所以主要用于為輪子、手臂提供動(dòng)力。機(jī)器人的電源在車體內(nèi)部,采用鉛酸蓄電池供電。 控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)是組成排爆機(jī)器人的主要分系統(tǒng)之一。機(jī)器人采用 51單片機(jī)作為控制器，還配備了A/D轉(zhuǎn)換，無線通信模塊。 操作人員發(fā)出控制命令, 車體內(nèi)的主控機(jī)通過通訊機(jī)接收到命令后，采集機(jī)器人的數(shù)據(jù)上傳給操作人員, 操作人員再通過傳上來的數(shù)據(jù)了解機(jī)器人的目前情況并發(fā)出相應(yīng)命令。 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)時(shí),操作人員從控制箱的操縱面板發(fā)出命令，控制臺(tái)收到命令后,按一定格式,通過無線發(fā)射模塊發(fā)出命令，運(yùn)動(dòng)車體上的通訊機(jī)接收到命令后，傳入車體上的單片機(jī)，車體單片機(jī)按遙控命令控制車體運(yùn)動(dòng)等，并采集全車數(shù)據(jù)上報(bào)遙控箱，供操作人員參考使用。控制箱內(nèi)，操作人員可獲得機(jī)器人以及周圍環(huán)境的信息，以此來控制機(jī)器人工作。攝像機(jī)通過通訊機(jī)將車體的圖像傳給控制箱上的監(jiān)視器供操作人員觀察前方情況。 上位機(jī)在遙操作終端里，也采用51單片機(jī)控制器。上位機(jī)和下位機(jī)之間通過無線通訊系統(tǒng)進(jìn)行通訊。上位機(jī)主要功能是采樣操縱桿的操縱信號(hào)，通過人機(jī)操作界面，進(jìn)行控制算法的運(yùn)算，通過無線通訊向下位機(jī)發(fā)送命令和接收所有信息。 手控盒控制在車體上，可以在調(diào)試上下車、訓(xùn)練時(shí)使用，可以操作機(jī)器人、機(jī)械手、攝像機(jī)的所有動(dòng)作。手控盒內(nèi)有電路采取按鍵鍵值，通過通訊口發(fā)給車體主控機(jī)，由主控機(jī)發(fā)出控制動(dòng)作。 電路控制系統(tǒng)的控制核心是：51單片機(jī)、4 臺(tái)主電機(jī)、手爪電機(jī)、3個(gè)關(guān)節(jié)電機(jī)、云臺(tái)兩個(gè)電機(jī)4個(gè)自由度、攝像機(jī)有1個(gè)，通過控制器控制顯示。圖像通過圖像通訊機(jī)發(fā)送到控制箱，由控制箱圖像通訊機(jī)接收，顯示在液晶顯示器上。所有數(shù)據(jù)由無線數(shù)據(jù)通訊機(jī)發(fā)送到控制箱，控制箱數(shù)據(jù)通訊機(jī)接收，顯示在數(shù)據(jù)顯示器上。 機(jī)器人的主要電路分為兩部分：一部分是在控制臺(tái)上，另一部分在排爆機(jī)器人上。在控制臺(tái)上的主要有控制指令輸入電路、無線發(fā)射電路和無線圖像接受電路；在機(jī)器人身上的電路有無線指令接受電路、數(shù)字圖像無線傳輸電路和動(dòng)作控制指令電路。 無線發(fā)送電路主要是將按鍵的動(dòng)作轉(zhuǎn)換為排爆機(jī)器人要執(zhí)行的指令，并將其以無線電波形式發(fā)射出去。無線接收電路其功能主要為接受控制臺(tái)的指令并完成相應(yīng)的動(dòng)作，同時(shí)接受動(dòng)作的反饋，做出相應(yīng)的合理的處理和動(dòng)作。 隨動(dòng)系統(tǒng) 隨動(dòng)系統(tǒng)為機(jī)器人更精確地抓舉物體提供了重要保證。在機(jī)械手臂模型（控制機(jī)）和機(jī)器人手臂（執(zhí)行機(jī)）上安裝角度傳感器（電位計(jì)），分別測(cè)量角度（電壓），以控制機(jī)的數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，一邊比較一邊反饋，形成閉環(huán)控制回路。這樣，機(jī)械手可以較精確地到達(dá)指定位置進(jìn)行操作。 視覺系統(tǒng) 主攝像機(jī)為彩色變焦主攝像機(jī):18倍光學(xué)變焦,12 倍數(shù)字變焦,440,000 像素。 現(xiàn)在的排爆機(jī)器人的視覺系統(tǒng)只是用來起監(jiān)視作用, 其操作控制方式是由操作者根據(jù)在從現(xiàn)場(chǎng) CCD返回的圖像, 通過操作面板上按鍵來遙控機(jī)器人。這種視頻監(jiān)視系統(tǒng)通過操作者的眼睛、大腦和手形成一個(gè)大的控制閉環(huán), 整個(gè)系統(tǒng)的控制精度和效率就不可避免地受到操作者的精神狀態(tài)、熟練程度的影響。 遙控箱 遙操作控制終端部分為系統(tǒng)的遙控命令終端 遙操作控制終端內(nèi)有嵌入式 51單片機(jī)一臺(tái),連接通訊機(jī),接受車體數(shù)據(jù)和圖像,用操作桿發(fā)送控制命令, 控制車體運(yùn)動(dòng)與操作 多個(gè)單獨(dú)的按鈕,能組合成多種命令 實(shí)現(xiàn)機(jī)器人移動(dòng) 機(jī)械手各種運(yùn)動(dòng) 主攝像機(jī)云臺(tái)旋轉(zhuǎn) 夾鉗開合 收纜以及攝像視頻圖像顯示控制等操作。 通信系統(tǒng) 采用大于500 米通訊距離的無線通訊或 150 米長(zhǎng)的電纜通訊 采用數(shù)據(jù)與圖像分別傳輸?shù)姆绞竭M(jìn)行通訊 無線通信模塊采用微功率無線模塊,頻率: 0.9 GHz,通訊距離可達(dá)到 1 公里,能充分保證遙控人員的安全。
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作品專業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 機(jī)器人本體總重為152公斤，行駛速度為0-30M/Min，電源為12V50AH鉛酸蓄電池2組，遙控距離無線150M、有線100M，機(jī)械臂抓重5KG。 1.CCD攝像機(jī)云臺(tái)制作和實(shí)現(xiàn)信號(hào)的無線傳輸：排爆機(jī)器人在操作過程中需要2至3個(gè)攝像機(jī)來提供全景和局部圖像，我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)3自由度的云臺(tái)，用于放置一個(gè)全景攝像機(jī)，并設(shè)計(jì)一個(gè)無限傳輸電路來傳輸信號(hào)至控制臺(tái)。 2.實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)300米距離穩(wěn)定雙向無線通信:在排爆機(jī)器人具體應(yīng)用中對(duì)控制臺(tái)與機(jī)器人之間的無線通信距離有具體要求，一般來說300米是合適的。因此設(shè)計(jì)了一對(duì)能夠在300米范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定雙向通信的電路。 3.排爆機(jī)器人機(jī)械臂對(duì)控制信號(hào)的多關(guān)節(jié)同步聯(lián)動(dòng)：排爆機(jī)器人機(jī)械臂作為整套系統(tǒng)的末端執(zhí)行器要求動(dòng)作靈活，但是現(xiàn)有的機(jī)器人一般采用逐個(gè)關(guān)節(jié)控制，無法做到聯(lián)動(dòng)。運(yùn)用一套聯(lián)動(dòng)控制裝置，通過這套系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了排爆機(jī)器人機(jī)械臂對(duì)操作者動(dòng)作的實(shí)時(shí)隨動(dòng)，并實(shí)現(xiàn)多關(guān)節(jié)聯(lián)動(dòng)。
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 相對(duì)國外來講，我國在排爆機(jī)器人方面起步較晚。國內(nèi)現(xiàn)使用的排爆機(jī)器人多為進(jìn)口產(chǎn)品，價(jià)格昂貴，維護(hù)困難。目前，國內(nèi)機(jī)器人在視覺遙控系統(tǒng)方面的研究起步較晚，大多停留在呈現(xiàn)單個(gè)圖像的階段。我們的機(jī)器人是一款成本較低的、基于視覺遙控的排爆機(jī)器人。排爆機(jī)器人主要分為移動(dòng)機(jī)構(gòu)、機(jī)械手系統(tǒng)、動(dòng)力單元、控制系統(tǒng)、視覺遙控系統(tǒng)、隨動(dòng)系統(tǒng)、通信系統(tǒng)等。通過無線通信，機(jī)器人接收操作員的控制命令進(jìn)行動(dòng)作。攝像頭可將前方的圖像信息反饋到控制箱的顯示屏上，操作人員即可根據(jù)收到的信息，做出下一步的決策。操作人員通過隨動(dòng)系統(tǒng)對(duì)機(jī)器人進(jìn)行精確控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)危險(xiǎn)物品的抓舉和排除。機(jī)器人可以適應(yīng)野外環(huán)境工作，其前、后履帶的設(shè)計(jì)，使機(jī)器人具有良好的爬坡越障能力。隨動(dòng)系統(tǒng)可有效降低操作難度和效率。
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- 獲2010—2011年度“挑戰(zhàn)杯”校學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽特等獎(jiǎng)。
作品所處階段
- 第二代樣機(jī)階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 技術(shù)授權(quán)
作品可展示的形式
- 排爆機(jī)器人操作演示
使用說明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)
- 在歐美發(fā)達(dá)國家，警察和安全部門普遍裝備排爆機(jī)器人用于可疑爆炸物的排除，以保證排爆人員的生命安全。國內(nèi)公安部門在應(yīng)對(duì)出現(xiàn)的危險(xiǎn)爆炸物品進(jìn)行失效處理或轉(zhuǎn)移的時(shí)候，通常采用由排爆人員穿戴重型排爆服攜帶檢測(cè)設(shè)備，無磁工具，排爆桿和水炮槍進(jìn)入爆炸物接觸范圍的方式進(jìn)行失效處理或轉(zhuǎn)移。但這種人為化的方式，不僅危險(xiǎn)性極高，排爆員工作壓力大，而且對(duì)排爆員的專業(yè)能力要求非常嚴(yán)格，難以足員配備給地方相關(guān)部門。有鑒于此，近年來國內(nèi)公安部門來積極引進(jìn)和裝備排爆機(jī)器人替代傳統(tǒng)排爆員，例如廈門市武警支隊(duì)裝備排爆機(jī)器人2臺(tái)、消防機(jī)器人1，總價(jià)值超過300萬元人民幣，福建省內(nèi)的泉州市，福州市也各有裝備，但價(jià)格均較為昂貴。我們研發(fā)的排爆機(jī)器人通過視覺引導(dǎo)和隨動(dòng)系統(tǒng)能夠有效提高操作效率和難度，具有良好的市場(chǎng)前景。
同類課題研究水平概述
- 英國研制的履帶式“手推車”及“超級(jí)手推車”排爆機(jī)器人，已向50多個(gè)國家的軍警機(jī)構(gòu)售出了800臺(tái)以上。最近英國又將手推車機(jī)器人加以優(yōu)化，研制出土撥鼠及野牛兩種遙控電動(dòng)排爆機(jī)器人，英國皇家工程兵在波黑及科索沃都用它們探測(cè)及處理爆炸物。土撥鼠重35公斤，在桅桿上裝有兩臺(tái)攝像機(jī)。野牛重210公斤，可攜帶100公斤負(fù)載。兩者均采用無線電控制系統(tǒng)，遙控距離約1公里。 在法國，空軍、陸軍和警察署都購買了Cybernetics公司研制的TRS200中型排爆機(jī)器人。DM公司研制的RM35機(jī)器人也被巴黎機(jī)場(chǎng)管理局選中。 德國駐波黑的維和部隊(duì)則裝備了Telerob公司使用排爆機(jī)器人的MV4系列機(jī)器人。 我國沈陽自動(dòng)化所研制的PXJ-2機(jī)器人也加入了公安部隊(duì)的行列。 美國Remotec公司的Andros系列機(jī)器人受到各國軍警部門的歡迎，白宮及國會(huì)大廈的警察局都購買了這種機(jī)器人。在南非總統(tǒng)選舉之前，警方購買了四臺(tái)AndrosVIA型機(jī)器人，它們?cè)谶x舉過程中總共執(zhí)行了100多次任務(wù)。 Andros機(jī)器人可用于小型隨機(jī)爆炸物的處理，它是美國空軍客機(jī)及客車上使用的唯一的機(jī)器人。美國REMOTEC公司是NorthropGrumman的子公司，作為傳統(tǒng)的警用排爆機(jī)器人生產(chǎn)商，REMOTEC生產(chǎn)的防爆機(jī)器人包括：AndrosF6-A、WheelbarrowMK8PlusII、WheelbarrowSuperM、AndrosWolverine、AndrosMiniII、AndrosV-A1、SwordfishandMarlincuttingsystems等。其中，F(xiàn)6-A采用活節(jié)式履帶，能夠跨越各種障礙，在復(fù)雜的地形上行走。速度為0-5.6公里/小時(shí)，無級(jí)可調(diào)，完全伸展時(shí)，最大抓取重量11公斤，配有三個(gè)低照度CCD攝像機(jī)，可配置X光機(jī)組件（實(shí)時(shí)X光檢查或靜態(tài)圖片）、放射/化學(xué)物品探測(cè)器、霰彈槍等等?？捎糜谂疟?、核放射及生化場(chǎng)所的檢查及清理，處理有毒、有害物品，特警行動(dòng)和機(jī)場(chǎng)保安。北京瑞琦偉業(yè)技術(shù)開發(fā)有限公司代理F6-A型機(jī)器人。
