專利名稱：便攜式多自由度小型爆炸物處理智能移動機器人系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種多自由度智能移動機器人平臺，特別是公開一種便攜式多自由度小型爆 炸物處理智能移動機器人系統(tǒng)，屬于機器人技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
排爆機器人主要用于代替人工，直接在案發(fā)現(xiàn)場進行偵察、排除和處理爆炸物，以及其 他危險品，也可以對一些持槍的恐怖分子及犯罪分子實施有效攻擊，是反恐專業(yè)隊伍中必不 可少的重要裝備。隨著遙控和局部自主移動技術(shù)的發(fā)展，用于反恐偵察及排爆的地面移動機 器人開始得到應用。地面移動機器人主要有履帶式、輪式以及兩者的組合等幾種方式。近年來恐怖主義活動日漸猖獗，各國為了維護社會穩(wěn)定和政治需求，對研究開發(fā)反恐防 爆的技術(shù)和裝備給予了極大地重視和較多的投入。尤其是"911"以來，各國更加強了對反恐 排爆機器人的研制工作。其中，以色列、美國、英國、法國、日本等國家處于領(lǐng)先地位。英 國早在60年代就成功研制出排爆機器人，AB Precision Limited (ABP)專為英國國防部生產(chǎn)和 供應EOD爆炸品解拆裝置。其生產(chǎn)的排爆機器人有Cyclops、 BisonTM、 Groundhog , Lynx 等型號。美國REMOTEC公司是Northrop Grumman的子公司，作為傳統(tǒng)的警用排爆機器人 生產(chǎn)商，REMOTEC生產(chǎn)的防爆機器人包括Andros F6-A、 Wheelbarrow MK8 Plus II、 Wheelbarrow Super M、 Andros Wolverine、 Andros Mini II、 Andros V-Al、 Swordfish and Marlin cutting systems等。美國iRobot公司也生產(chǎn)爆炸物處理的機器人，代表型號為Packbot-EOD。與國外相比，我國的排爆機器人起步較晚。2004年自行研制的第一代智能化反恐防爆機 器人"反恐一號"可攀爬角度小于35。的斜坡和樓梯，可自由鉆洞，可跨躍0.4米高的路障， 還可根據(jù)使用要求裝備爆炸物銷毀器、連發(fā)霰彈槍及催淚彈等各種武器并完成相應功能。廣 州衛(wèi)富機器人有限公司將其產(chǎn)業(yè)化，衛(wèi)富生產(chǎn)的排爆機器人有PXJ-I (特)、PXJ-II (大) 和PXJ-III (中)三種型號。北京瑞琦偉業(yè)技術(shù)開發(fā)有限公司主要生產(chǎn)Dragon IV型EOD排爆 機器人及RT3-EOD小型多功能安檢排爆機器人。京金吾主要生產(chǎn)JW9系列排爆機器人。文獻"掛車式防爆筒機械手"(專利申請?zhí)?3115111.6)描述了一種掛車式防爆筒機械 手，通過操作員遙操作，使可疑物品自動從防爆筒外轉(zhuǎn)移到防爆筒內(nèi)，需要時再從防爆筒內(nèi) 轉(zhuǎn)移到防爆筒外。文獻"一種排爆機器人的靈活排爆手臂"(專利申請?zhí)?00420077979.4) 描述了一種排爆機器人手臂。文獻"排爆排險機器人"(專利申請?zhí)?00710175389.3)描述 了一種帶云臺攝像機的小型排爆排險機器人。通過分析表明，現(xiàn)有的產(chǎn)品多是大中型的排爆排險機器人，任務執(zhí)行能力高，但體積大， 重量大，尤其是大中型地面移動機器人的行進部分多采用輪腿復合式，后部擁有足夠大的配 重，造成結(jié)構(gòu)龐大而復雜，后部過重不利于機器人在翻越樓梯時的穩(wěn)定性。有關(guān)小型爆炸物 處理的機器人研究較少，iRobot的Packbot-EOD性能穩(wěn)定，屬于尖端的排爆機器人產(chǎn)品。國 內(nèi)現(xiàn)有的產(chǎn)品地形適應能力較差，作業(yè)能力不足，作業(yè)不夠可靠，還處于實驗室研究階段， 實用性不足。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是解決現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，公開一種便攜式多自由度小型爆炸物處理智能移 動機器人系統(tǒng)。本發(fā)明重量輕，攜帶方便；具有8個自由度排除爆炸物的機械手臂，機械手 臂模塊節(jié)點與主控制器間通過以太網(wǎng)或者CAN總線連接；機器人一共有12個自由度，可自 主運行和遠程視頻控制；可全天候、全地形運行、作業(yè)直觀可靠、操作簡單方便，能應用于 實戰(zhàn)領(lǐng)域。本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的 一種便攜式多自由度小型爆炸物處理智能移動機器人系統(tǒng)，包括 機械運動部分、電氣控制部分，其特征在于機器人系統(tǒng)包含控制單元模塊、移動平臺模塊、 能源模塊、機械手臂模塊、圖像傳感器模塊和遠程控制模塊，各個獨立功能模塊采用標準的 機械接口相互連接，控制單元模塊來用嵌入式的計算機APM7作為主控制器，控制單元的 各個CPU與機械手臂的各個CPU之間通過以太網(wǎng)或者CAN總線連接；控制單元CPU 之間的協(xié)調(diào)工作、控制單元對機械手臂模塊的控制以及機械手臂模塊給控制單元的姿態(tài)信息 反饋都是通過標準總線進行，所有CPU之間采用標準TCP/IP協(xié)議或者CAN協(xié)議通信。所述的控制單元模塊采用嵌入式的計算機作為主控制器，集成了嵌入式的操作系統(tǒng)，通 過編程使機器人實現(xiàn)自主行走，自主導航，傳感器信息處理及機械手臂的伸展和抓取等功能。所述的移動平臺模塊包括機器人框架、履帶機構(gòu)、驅(qū)動和傳動機構(gòu)、翻轉(zhuǎn)臂機構(gòu)等。機 器人能夠全地形運行。所述機器人框架包含機器人的底盤、支架及腔體；履帶機構(gòu)包括一條 履帶、 一個主動輪、 一個從動輪及若干個輔助輪；履帶驅(qū)動機構(gòu)包括直流電機、電機編碼器、 電機驅(qū)動器、齒輪傳動機構(gòu)及軸承翻轉(zhuǎn)臂機構(gòu)包括一條履帶、 一個主動輪和一個從動輪； 翻轉(zhuǎn)臂驅(qū)動和傳動機構(gòu)包括翻轉(zhuǎn)電機、電機編碼器、電機驅(qū)動器、齒輪傳動機構(gòu)及軸承。所 述的電機驅(qū)動器用PWM方式控制電機的轉(zhuǎn)速，每個電機帶有一個編碼器，機器人的運動控 制采用開環(huán)和閉環(huán)兩種方式，閉環(huán)包含速度環(huán)、位置環(huán)和電流環(huán)。所述的能源模塊包括可充電電池系統(tǒng)和電源管理電路，為機器人提供能源，該機器人可 裝1到4塊電池。機器人可以由電池供電，亦可由外接直流電源供電，電源管理電路可以實現(xiàn)外接直流電源和電池相互切換的功能。上述的移動平臺模塊、控制單元模塊和能源模塊構(gòu)成機器人本體。所述的機械手臂模塊具有8個自由度，采用蝸輪蝸桿傳動方式，采用密度低、高比強度 和模量的鋁合金制作。機械手臂能夠方便地伸展和收縮，多個自由度和較大的伸展范圍保證 了作業(yè)的靈活性。每個機械手臂的關(guān)節(jié)由一個單獨的CPU控制，每個關(guān)節(jié)作為一個標準控制 節(jié)點與主控制模塊相連，相互之間通過標準的以太網(wǎng)或者CAN總線與機械手臂模塊通信。所述的圖像傳感器模塊包含是指裝在機器人本體上的攝像機和裝在機械手臂上的攝像 機。安裝在本體上的攝像機具有一個自由度，能夠俯仰擺動，機器人可從看到的環(huán)境圖像來 判斷所處的位置，周圍景物，并尋找作業(yè)目標。安裝在機械手臂上的攝像機具有旋轉(zhuǎn)和俯仰 擺動兩個自由度，能夠精確地采集到目標的信息，使機器人作業(yè)直觀、操作簡單方便。所述的遠程控制模塊由一臺遠程計算機、無線通訊模塊、遙控器組成。遠程控制模塊與 機器人主控制器之間的無線通訊采用標準的TCP/IP協(xié)議。采用遙控模式時，操作者通過遙控 器或者遠程計算機的鍵盤發(fā)送控制命令，通過無線網(wǎng)絡傳送給主控制器，由主控制器來控制 機器人的運動及其他操作。機器人獲得的視頻等信息由主控制器通過無線網(wǎng)絡傳送給遠程計 算機。操作者可以實時看到機器人所處的環(huán)境，獲得機器人的狀態(tài)信息，從而能夠精確操作 機器人。本發(fā)明的有益效果是-1、 本發(fā)明機器人系統(tǒng)的各個獨立功能模塊采用標準的機械接口相互連接，組成整體的機 器人系統(tǒng)。功能模塊可以選配、替換，以便完成特定的功能。模塊化的結(jié)構(gòu)設(shè)計方便模塊間 的安裝，可以根據(jù)不同用戶的需求迅速的組裝機器人平臺，降低了機器人系統(tǒng)的設(shè)計、擴展、 集成、安裝、維修、更新?lián)Q代的成本。2、 本發(fā)明機器人系統(tǒng)每個外接的傳感器模塊和機械手的每個關(guān)節(jié)都由單獨CPU控制。 各個節(jié)點之間以及主控制器與節(jié)點之間通過以太網(wǎng)或CAN總線連接，連接接口和總線通信協(xié) 議具有相同的特征。模塊的優(yōu)先級可以預先設(shè)定并根據(jù)需要修改。標準電子模塊接口的特征 簡化了機器人的控制設(shè)計，為實際使用中機器人的配件擴展提供了方便。3、 本發(fā)明機器人系統(tǒng)可采用自主控制和遠程控制兩種方式，無線視頻遙控系統(tǒng)能夠保證 作業(yè)的直觀性和方便性。4、 本發(fā)明機器人系統(tǒng)總共具有12個自由度，保證了機器人作業(yè)的靈活性。5、 本發(fā)明機器人系統(tǒng)面向?qū)崙?zhàn)領(lǐng)域，重量輕，速度快，負載能力強，可全天候、全地形 運行。下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步說明。


圖l是本發(fā)明機器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖；圖2是本發(fā)明遠程控制單元結(jié)構(gòu)簡圖；圖3是本發(fā)明移動平臺結(jié)構(gòu)簡圖；圖4是本發(fā)明履帶機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡圖;圖5是本發(fā)明翻轉(zhuǎn)臂機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡圖；圖6是本發(fā)明機械手臂結(jié)構(gòu)簡圖；圖7是本發(fā)明CAN總線控制電路示意圖。
具體實施方式
根據(jù)附圖1、 2， 一種便攜式多自由度小型爆炸物處理智能移動機器人系統(tǒng)，包括移動平 臺模塊10、本體圖像傳感器模塊20、控制單元模塊30、機械手臂模塊40、手臂圖像傳感 器模塊50、遠程控制單元60組成。遠程控制單元60是一個單獨的控制單元塊，由一臺計算機， 一個無線通信模塊，天線、 支架和控制箱組成。遠程控制單元與機器人無線通訊，安裝在機器人上的圖像等傳感器獲得 的信息以及機器人的位置、動作信息通過無線網(wǎng)絡傳輸?shù)竭h程控制單元，操縱人員可以遠程 控制機器人的運動和作業(yè)。根據(jù)附圖3，移動平臺10包括機器人框架11、電源系統(tǒng)12、左履帶機構(gòu)14L、右履 帶機構(gòu)14R、左翻轉(zhuǎn)臂13L、右翻轉(zhuǎn)臂13R、左驅(qū)動和傳動機構(gòu)15L、右驅(qū)動和傳動機構(gòu) 15R、翻轉(zhuǎn)臂驅(qū)動和傳動機構(gòu)16等。根據(jù)附圖4，左右履帶機構(gòu)14L和14R分別包括一條履帶141， 一個主動輪142、 一 個從動輪143和12個輔助輪144。驅(qū)動機構(gòu)包括直流伺服電機、電機編碼器、電機驅(qū)動器。 傳動機構(gòu)包括齒輪、軸承等。驅(qū)動器從控制單元接收指令來驅(qū)動電機，經(jīng)由傳動機構(gòu)到達主 動輪，再由主動輪帶動整個履帶運動，從而驅(qū)動機器人行走。電機驅(qū)動器用PWM方式控制 電機的轉(zhuǎn)速，根據(jù)控制單元模塊發(fā)出的信號控制電機的轉(zhuǎn)動方向。每個電機帶有一個500線 的增量型編碼器，采集位置信息，實現(xiàn)機器人運動的閉環(huán)控制。機器人的運動控制采用開環(huán) 和閉環(huán)兩種方式，閉環(huán)包含速度環(huán)、位置環(huán)和電流環(huán)。根據(jù)附圖5，左右翻轉(zhuǎn)臂機構(gòu)13L和13R分別包括一條履帶131、 一個主動輪132和 一個從動輪133。兩個翻轉(zhuǎn)臂機構(gòu)共有一個翻轉(zhuǎn)臂驅(qū)動和傳動機構(gòu)16， 16由翻轉(zhuǎn)電機、電 機編碼器、電機驅(qū)動器、齒輪傳動機構(gòu)及軸承組成。從控制單元模塊發(fā)出的信號驅(qū)動翻轉(zhuǎn)電機旋轉(zhuǎn)，再帶動翻轉(zhuǎn)臂主動輪旋轉(zhuǎn)，從而使整個翻轉(zhuǎn)臂繞主動輪軸旋轉(zhuǎn)。翻轉(zhuǎn)臂在機器人爬 樓梯、翻轉(zhuǎn)等動作中起支撐作用，是使機器人適應全地形作業(yè)的重要部件。根據(jù)附圖6，本體圖像傳感器模塊20是安裝在機器人移動平臺模塊上的一個攝像機， 具有一個自由度，可俯仰擺動，其作用是采集機器人前方的環(huán)境圖像，給機器人的運動提供 信息。機械手臂40具有8個自由度，采用渦輪蝸桿傳動方式，材料為鋁合金。機械手臂的全 伸展長度達1.8m，最大伸展時能夠抓取3kg的負載，多個自由度和較大的伸展范圍保證了 作業(yè)的靈活性。每個機械手的關(guān)節(jié)由一個單獨的控制器控制，每個關(guān)節(jié)作為一個標準節(jié)點與 主控制模塊相連，采用CAN總線方式通信，保證了作業(yè)的可靠性，即使有某個節(jié)點故障也 不會影響其他節(jié)點的動作。機械手臂40上安裝一個手臂圖像傳感器模塊50，具有兩個自由度，能夠俯仰擺動和旋 轉(zhuǎn)，以便采集到目標的信息，使作業(yè)直觀、操作簡單方便。機械手臂40由肩關(guān)節(jié)41，肘關(guān)節(jié)42，肘關(guān)節(jié)43，腕關(guān)節(jié)44，手爪45，云臺46、 大臂47、前臂48、小臂49組成。機械臂一共有8個自由度肩關(guān)節(jié)41處有兩個自由度， 自由度1為相對于安裝基座的水平旋轉(zhuǎn)運動，自由度2為大臂47的擺動。肘關(guān)節(jié)42處 有一個自由度3，為前臂47的擺動。肘關(guān)節(jié)43處由一個自由度4，為小臂49擺動。腕 關(guān)節(jié)44有一個自由度5，為手爪45的旋轉(zhuǎn)。手爪45有一個自由度6，為手爪的開合。 云臺46處有兩個自由度，自由度7為攝像機50的俯仰擺動，自由度8為攝像機50的 旋轉(zhuǎn)。圖3中的自由度9為機器人本體上安裝的攝像機的擺動運動。機器人本體還有三個 自由度，因此排爆機器人系統(tǒng)總共有12個自由度?？刂茊卧K30采用嵌入式的計算機ARM7作為主控制器，集成了嵌入式的操作系 統(tǒng)，通過編程使機器人實現(xiàn)自主行走，自主導航，傳感器信息處理，手臂伸展、抓取等功能。 控制單元模塊通過標準的CAN總線與手臂模塊通信。根據(jù)附圖7，控制單元模塊30共用了 三片CPU，主控CPU 31，運動控制CPU 32，通訊CPU 33。主控CPU 31負責整體的任 務規(guī)劃、決策算法、外圍傳感器及其他器件控制及管理、電源管理等。運動控制CPU 32負 責機器人的移動、翻轉(zhuǎn)臂的動作、機械臂的動作等。通訊CPU 33負責所有CAN節(jié)點之間 的通信。機械手臂40的六個關(guān)節(jié)肩關(guān)節(jié)41，肘關(guān)節(jié)42，肘關(guān)節(jié)43，腕關(guān)節(jié)44，手爪 45，云臺46分別由一個CPU來控制。將控制單元模塊的三個CPU，機械手臂的六個CPU 之間通過CAN總線連接，通信環(huán)路水端接有終端電阻以抑制反射。所有CPU相互之 間采用標準CAN協(xié)議通信控制單元CPU之間的協(xié)調(diào)工作，控制單元對機械手臂模塊的 控制，以及機械手臂模塊給控制單元的反饋其姿態(tài)都是通過CAN總線進行。這樣控制方式7的好處是控制算法簡便，軟件更新容易；機械手臂模塊關(guān)節(jié)擴展方便，可以根據(jù)需要增減 關(guān)節(jié)數(shù)目；某個關(guān)節(jié)的故障不會影響到其他關(guān)節(jié)的工作；采用非破壞性總線仲裁技術(shù)，各個 CAN節(jié)點關(guān)節(jié)模塊的優(yōu)先級可以設(shè)定并隨時調(diào)整；標準的CAN接口也可以擴展傳感器和 其他執(zhí)行器件，使機器人的功能擴展非常簡便。本實施例構(gòu)建成的機器人系統(tǒng)重量小于30kg，速度2m/s，臂展1.8m，最大伸長負載 3kg，可爬40°樓梯，可全天候、全地形運行，可單兵背負，是面向?qū)崙?zhàn)領(lǐng)域的可靠便攜式 爆炸物處理機器人平臺。
權(quán)利要求
1.一種便攜式多自由度小型爆炸物處理智能移動機器人系統(tǒng)，包括機械運動部分、電氣控制部分，其特征在于機器人系統(tǒng)包含控制單元模塊、移動平臺模塊、能源模塊、機械手臂模塊、圖像傳感器模塊和遠程控制模塊，各個獨立功能模塊采用標準的機械接口相互連接，控制單元模塊采用嵌入式的計算機APM7作為主控制器，控制單元的各個CPU與機械手臂的各個CPU之間通過以太網(wǎng)或CAN總線連接；控制單元CPU之間的協(xié)調(diào)工作、控制單元對機械手臂模塊的控制以及機械手臂模塊給控制單元的反饋其姿態(tài)都是通過標準總線進行，所有CPU之間采用標準TCP/IP或CAN協(xié)議通信。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的便攜式多自由度小型爆炸物處理智能移動機器人系統(tǒng)，其特征在 于所述的機械手臂模塊其機械手臂采用渦輪蝸桿傳動，機械手臂共有8個自由度，每 個關(guān)節(jié)作為標準節(jié)點，每個關(guān)節(jié)都由單獨CPU控制，并與主控制器相連。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的便攜式多自由度小型爆炸物處理智能移動機器人系統(tǒng)，其特征在 于所述的移動平臺模塊是機器人的機械運功載體，包括機器人框架、左右兩個履帶機 構(gòu)、左右兩個翻轉(zhuǎn)臂機構(gòu)、左右兩個履帶驅(qū)動機構(gòu)及左右兩個翻轉(zhuǎn)臂驅(qū)動和傳動機構(gòu)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的便攜式多自由度小型爆炸物處理智能移動機器人系統(tǒng)，其特征在于所述機器人框架包含機器人的底盤、支架及腔體；履帶機構(gòu)包括一條履帶、 一個主 動輪、 一個從動輪及若干個輔助輪；履帶驅(qū)動機構(gòu)包括直流電機、電機編碼器、電機驅(qū) 動器、齒輪傳動機構(gòu)和軸承；翻轉(zhuǎn)臂機構(gòu)包括一條履帶、 一個主動輪和一個從動輪；翻 轉(zhuǎn)臂驅(qū)動和傳動機構(gòu)包括翻轉(zhuǎn)電機、電機編碼器、電機驅(qū)動器、齒輪傳動機構(gòu)和軸承。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的便攜式多自由度小型爆炸物處理智能移動機器人系統(tǒng)，其特征在 于所述的電機驅(qū)動器用PWM方式控制電機的轉(zhuǎn)速，每個電機帶有一個編碼器，機器 人的運動控制采用開環(huán)和閉環(huán)兩種方式，閉環(huán)包含速度環(huán)、位置環(huán)和電流環(huán)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的便攜式多自由度小型爆炸物處理智能移動機器人系統(tǒng)，其特征在于所述嵌入式的計算機集成了嵌入式的操作系統(tǒng)，通過編程使機器人實現(xiàn)自主行走、自由導航、傳感器信息處理和機械手臂的伸展及抓取功能。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的便攜式多自由度小型爆炸物處理智能移動機器人系統(tǒng)，其特征在 于所述的圖像傳感器模塊包括設(shè)置在機器人本體移動平臺具有俯仰擺動一個自由度的攝像機和設(shè)置在機械手臂上具有旋轉(zhuǎn)和俯仰擺動兩個自由度的攝像機。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的便攜式多自由度小型爆炸物處理智能移動機器人系統(tǒng)，其特征在于所述機器人系統(tǒng)采用自主控制和遠程控制兩種方式，遠程控制是采用一臺遠程計算 機通過無線網(wǎng)絡與機器人主控制器通信，進行命令和視頻傳輸，實現(xiàn)機器人的遙控作業(yè)。
全文摘要
本發(fā)明為一種便攜式多自由度小型爆炸物處理智能移動機器人系統(tǒng)，包括機械運動部分、電氣控制部分，其特征在于機器人系統(tǒng)包含控制單元模塊、移動平臺模塊、能源模塊、機械手臂模塊、圖像傳感器模塊和遠程控制模塊，各個獨立功能模塊采用標準的機械接口相互連接；采用嵌入式的計算機APM7作為主控制器，各個CPU之間通過以太網(wǎng)或CAN總線連接；所有CPU之間采用標準TCP/IP或CAN協(xié)議通信，在機器人本體和手臂上各安裝一個攝像機。本發(fā)明重量輕，攜帶方便；采用具有8個自由度排除爆炸物的機械手臂，機器人一共有12個自由度，可自主運行和遠程視頻控制；可全天候、全地形運行，能應用于實戰(zhàn)領(lǐng)域。
文檔編號B25J19/00GK101259614SQ20081004325
公開日2008年9月10日 申請日期2008年4月11日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月11日
發(fā)明者付西光, 盧秋紅, 勇 周, 蔣金鵬 申請人:上海中為智能機器人有限公司