一种排爆作战一体化机器人的设计

仲隆健，赵宇萌，刁振霖，张国恒

(西北民族大学电气工程学院，甘肃兰州730030)

一种排爆作战一体化机器人的设计

仲隆健，赵宇萌，刁振霖，张国恒*

(西北民族大学电气工程学院，甘肃兰州730030)

设计了以履带式移动平台作为载体基础的机器人，通过搭载作业手臂和子弹发射平台，该机器人可以在完成排爆任务的同时拥有作战能力.通过对机器人系统总体构架、硬件组成、软件设计三个方面进行分析和设计，使机器人能够达到协调、快速、准确地完成指定设计要求.实验数据表明，该机器人能够完全实现设计要求.

排爆作战机器人；作业手臂；发射平台

0 引 言

排爆兼作战功能的机器人是一种从事排爆、防爆、安全等工作的综合性机器人，所以对其各方面改善与创新都是极具研究和应用价值的.对于排爆作战一体化机器人而言，随着科学技术的不断进步与发展，对它的研究与应用也会更广泛化、智能化、多功能化，在未来的反恐安全等方面将会起到越来越重要的作用.

目前，对于排爆机器人的研究，不仅创新上有突破，而且在整体结构的设计及优化方面也取得很大进展[1～2].随着机器人技术发展，经研究发现，履带式机器人能够更好地适应地面的变化，具有良好的自复位和越障能力，所以采用履带式移动平台作为排爆机器人作业手臂和作战器械的载体[3～4].机器人的作业手臂和作战器械的协调工作也是很重要的，不仅要考虑作业手臂和作战器械结构上的合理度、协调度，更要考虑人与机器人之间正确无误的通信.通过通信控制机器人的各种动作，特别是由排爆机器人的作业环境和作业特点决定的准确的、远距离无线通信的成功实现便成为排爆机器人研制中尤为重要的一部分[5～8].本文以履带式移动平台为基础，对兼具排爆和作战功能的机器人进行总体设计研究.

1 设计要求及实现功能

1.1 设计要求

排爆作战一体化机器人的基本设计要求是能够实现上位机的远程实时控制、无线通信技术以及系统的集成.采用远程控制和无线通信等技术可以使机器人能够自动避开障碍物，加上履带式移动平台作为机器人的载体基础可以使机器人能够更好地适应山地等复杂环境.通过搭载作业手臂灵敏的动作，可以对危险物进行及时排除，从而完成排爆任务.增加的子弹发射平台则可以在必要时通过发射子弹，实现作战的目的.

1.2 实现功能

排爆作战一体化机器人的工作过程为从上位机端通过控制按钮发送命令给路由端串口转发软件，由此串口转发软件发送TTL信号给单片机.单片机会有两个控制方向：一是进入自动运行状态，同时舵机带动超声波模块旋转测距，这样在行驶过程中进行避障行驶；二是远程控制开关车灯，同时可以控制前进、后退、左转、右转、停止功能.整个过程中，摄像头将实时环境画面传回到上位机端，供操作者操纵机器人的动作.

2 硬件设计与实现

2.1 机械部分设计与实现

本设计机械部分主要由履带式移动平台、作业手臂和作战器械三部分组成.

履带式移动平台能够更好地适应地面的变化，具有良好的自复位和越障能力.同时，履带式移动平台增加了自身的稳定性，在作业手臂和作战器械动作时，可以保证自身的稳定，减少不良影响.

作业手臂是排爆机器人最关键的部位.作业手臂由肩关节、大臂、肘关节、小臂、腕关节、手腕、手抓几部分组成，以舵机作为关键节点，可以实现较大空间自由度，并且容易控制，使作业手臂更加灵活，作业更加准确，从而达到整个作业手臂的灵敏性、准确性，使得各部分达到协调工作的目的.

作战器械部分采用双管弹射装置发射子弹，此装置利用大扭矩电机获得较大弹性势能后通过特定装置释放势能将子弹打出，发射距离在10 m以上，在云台上搭载发射枪架和摄像头.通过枪架作为发射炮弹的载体.用到的枪架可以随着云台进行180度的旋转，同时枪架也可以从水平射击方向变为垂直射击方向.以便应对各个方向的情况.而摄像头则会通过无线传输随时把机器人所处的环境情况传回上位机，给操作人员提供有效的数据，以便决定作战计划.在性能上，此作战器械能够实现远程控制打击和快速的反应能力.

2.2 硬件电路设计与实现

硬件电路包括控制电路、检测与传感电路和通信电路三大部分组成，其电路原理如图1所示.控制器核心采用STC11F32EX单片机[9]实现，用舵机模块实现机械臂的转动，WiFi模块实现数据通信功能，摄像头采集信号，还需要有左右轮电机驱动装置、发射装置电机、车灯模块.其中，舵机模块、WiFi模块、驱动装置以及车灯模块都是直接与单片机通信.摄像头的USB口与WiFi模块的USB口连接，通过控制伺服驱动带动左轮、右轮电机和发射装置电机，实现控制功能.

微控制器STC11F32XE单片机自带32 K Flash、1280字节SRAM，与传统51单片机相比，具有低功耗、强抗干扰、超强加密的特点，支持1T模式和IAP技术，29 K EEPROM空间可用于保存用户数据；具有独立的波特率发生器，内部集成高可靠复位电路，特别适合高速通信、智能控制、强干扰场合并且成本较低.综合排爆机器人可能要适应各种环境等因素后，决定以此作为机器人的主控制器.

数据通信采用WiFi模块，作为控制端和被控对象的桥梁，它有两个功能；一是把摄像头采集的视频数据帧发到上位机；二是接收上位机的控制命令，通过TTL串口将数据给下位机.

电路中测距采用HC-SR04超声波模块，能够感测距离在2 cm～400 cm间的障碍物，精度能达到3 mm.机器人通过搭载此模块随时返回与障碍物的距离，在非自动运行状态下，当距离达到机器人原地转向的半径50 cm时，开启自动避障.

3 软件设计与实现

整个软件系统主要分为下位机动作控制部分和上位机用户界面两个部分.上位机控制端目前成熟的产品比较多，在此不做过多讨论.下位机动作控制程序主要是通过预定协议协调各个模块，最终完成动作要求.

控制端由上位机(PC或者手机)控制.上位机通过无线传输把控制协议发送到路由端，将路由器的TTL口接到单片机上对应的串口上，单片机就可以把上位机发过来的指令进行解析，通过判断指令，然后将自身的某些引脚电平以拉高或拉低方式告知各执行模块.程序设计流程图如图2所示.

4 结果分析

排爆作战一体化机器人实物如图3所示.通过对上述设计的搭建，最终使机器人在工作性能上达到了预想的效果.该机器人关键性能实验数据有两个，即命中率和成功率.

射击的准确度，用命中率表示：命中率=(命中数量)/(射击总发数).

实验是在距目标距离为10 m处的一个固定位置、实验电压为12 V、同一弹种，每组射击数量为10发.

排爆的成功率定义为：排爆成功率=(成功次数)/(总测试次数).

每次从机械手动开始计时，到完全夹住爆炸物离开地面为止，时间超过两分钟即为不成功.

实验是在爆炸物位置不变、实验电压为12 V、操作人不变、模拟爆炸物为同一个物体，每组测试次数为10次，从机械手运动开始计算，时间超过40 s为排爆不成功.在草坪和山地环境条件下命中率实验和排爆成功率实验数据分别如表1和表2所示.

表1 草坪上命中率实验和排爆成功率实验

表2 命中率实验和排爆成功率实验

经实地测量验证表明，该机器人在草坪和山地两种环境下命中率及排爆成功率相差不大，且命中率和排爆成功率较高，这表明机器人在较好完成作业性能的同时，对环境的适应能力也较强.

5 结论

设计的这种以履带式移动平台作为载体基础的机器人，通过搭载作业手臂和子弹发射平台，该机器人可以在完成排爆任务的同时拥有作战能力.该机器人能够达到协调、快速、准确地完成指定设计要求.实验数据表明，该机器人在草地和山地环境中都能够很好地完成排爆作战任务.

[1] 刘强，张铁，李琳等. 排爆机器人结构设计及其优化[J].机电工程技术,2004,33(3):61-62.

[2] 袁彬悠，肖炎. 排爆机器人控制系统设计及其网络化[J].机床与液压, 2006，(3)：166-167.

[3] 陈淑艳，陈文家. 履带式移动机器人研究综述[J].机电工程,2007,24(12):109-112.

[4] 莫海军，朱文坚.履带式移动机器人越障稳定性分析[J].机械科学与技术,2007,26(1):65-67.

[5] 张洁，孟浩，王杰.排爆机器人机械臂运动控制研究[J].滁州学院学报,2014,16(2):39-42.

[6] 李健、许旻、杨杰.排爆机器人手臂的研制及运动学分析[J].机械与电子,2009，(3):66-68.

[7] 王星，向立莉，梁杰申.排爆机器人中的通信实现[J].微计算机信息,2007，23(4-2):270-272.

[8] 王春宝，蒋梁中，林焯华.排爆机器人控制与无线通信系统[J].微计算机信息,2007,23(3-2):240-243.

[9] 宋戈，黄鹤松，员玉良等. 51单片机应用开发范例大全[M].北京：人民邮电出版社， 2012.06.

A Design of the Intergrated Combat EOD Robot

ZHONG Long-jian, ZHAO Yu-meng, DIAO Zhen-lim

(School of Electrical Engineering，Northwest University for Nationalities, Lanzhou 730030, China)

Design of the tracked mobile platform as basis vectors of the robot, powered by working arm and bullet launch platform, the robot can be in complete EOD tasks at the same time and have combat capability. By analyzing and researching on the overall design, hardware composition and software design of the robot system, the robot can achieve the purpose of coordination, rapid and accurate work. Experimental and data results showed that the robot could achieve the design requirements completely.

EOD and combat robot；Working arm；Launching platform

2015-11-10

2015年国家级大学生创新创业训练计划项目(201510742056)；国家民委高等教育教学改革研究项目(15024).

*

仲隆健(1994—)，男，陕西安康人.

O411.3∶TP242

A

1009-2102(2015)04-0010-04