排爆機器人遙操作性能研究.pdf

1、排爆機器人是最典型的遙操作機器人。本文在國家863項目“反恐排爆機器人研究“、國家863項目“消防偵察機器人研究”和國家自然科學基金項目“遙操作機器人操作性能研究”的支持下,從系統(tǒng)的角度對影響排爆機器人遙操作性能的各主要因素進行了分析研究,重點研究排爆機器人排爆作業(yè)安全性差、效率低和操作者緊張程度高等幾個方面,對排爆機器人的開發(fā)設計提供指導性建議。
　　 從排爆機器人半自主爆炸物抓取研究入手,在分析了排爆作業(yè)的瓶頸在于如何克服二

2、維圖像無法正確指導操作者操作機械臂抓取爆炸物后,作者創(chuàng)新性的提出了基于激光測距的環(huán)境建模和爆炸物定位方法,利用智能搜索A*算法,實現(xiàn)了爆炸物的半自主抓取。另外,作者試圖通過雙目立體視覺來定位爆炸物,但結果表明,由于排爆機器人的移動性、機械臂的不夠精確性等因為雙目視覺得到的爆炸物位置數(shù)據(jù)有很大誤差,其應用受到了限制。在從半自主抓取爆炸物這個局部研究的基礎上展開,引出了下一章的內(nèi)容,從系統(tǒng)的角度全面考慮排爆機器人遙操作性能。
　　

3、提出了排爆機器人遙操作性能的概念,并分析了體現(xiàn)遙操作性能的性能指標。在遙操作機器人的性能和功能基礎上,人們對其提出了更高的標準,要求其能在更復雜和非結構化的環(huán)境下完成更難的工作。影響排爆機器人遙操作性能的6個一級性能指標,每一個都為多個二級性能指標的加權和,找出影響性能的根本因為,提高排爆機器人的整體遙操作性能。這些性能指標的提出為如何提高排爆機器人的遙操作性能指明了方向,并進行了量化分析。根據(jù)用途的不同,對排爆機器人進行了分類,給出了

4、每一類對應的兩級性能指標的權重參數(shù),并以偵察型排爆機器人為例加以說明。
　　 采用層次分析法,從輪式、履帶式、關節(jié)式、“關節(jié)一輪”式、“關節(jié)一履帶”式五種機構中為排爆機器人SUPER-Ⅱ的移動載體選擇了一種最優(yōu)機構形式。分析了傳統(tǒng)三自由度排爆機械臂的局限性,設計出了六冗余自由度機械臂。增加了一個主工作平面內(nèi)冗余自由度、一個腰部轉動自由度和一個小臂伸縮自由度,很大程度上擴大了機器人的操作空間,增加了排爆操作的精確性,提高了排爆操作

5、的效率,并使得機器人作業(yè)范圍和柔性大為增強,并得出了該機械臂三維工作空間。
　　 系統(tǒng)闡述了排爆機器人的安全性能。提出了提高機械臂操作安全性能的有效方法之一就是實現(xiàn)機械臂的受控聯(lián)動。創(chuàng)新性地簡化了六自由度機械臂運動學模型,將三臂聯(lián)動功能引入排爆作業(yè),增加了操作安全性和效率,并推導出了聯(lián)動方程?；诙鄠鞲衅魅诤?特別是腕力傳感器的融合,提出了機器人的防傾覆設計。另外,結合機器人兩輪編碼器數(shù)據(jù)和超聲波傳感器數(shù)據(jù),根據(jù)ICP算法,推導

6、出了排爆機器人在通訊意外中斷時可采取的回撤路徑算法。專門針對爆炸物抓取設計了一個包括柔力夾緊機構、強力固定機構和安全合抱機構在內(nèi)的氣動驅(qū)動手爪,其少自由度和高抓取性能的特點使得爆炸物抓取更為安全而有效。
　　 分析了微控制器在排爆機器人上的應用,包括PLC、單片機、ARM嵌入式和DSP等,通過與工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的比較,需要將排爆機器人傳感系統(tǒng)的研究重點放在其有限軟硬件資源上。從遙操作機器人必須要將周圍的環(huán)境信息實時傳達給遠地操

7、作者的特點,分析了排爆機器人的傳感器接口。為解決環(huán)境信息的實時傳遞,本文以VC++和OpenGL為工具,創(chuàng)新性地將虛擬現(xiàn)實技術中的視覺臨場感和力覺臨場感引入排爆機器人系統(tǒng),通過各種傳感器將遠地排爆機器人與環(huán)境的交互信息實時地反饋到本地操作者處,生成和遠地環(huán)境一致的虛擬環(huán)境,使操作者產(chǎn)生身臨其境的感受,從而實現(xiàn)對機器人靈活的控制,完成作業(yè)任務。
　　 通過搭建排爆操作的坐標系框架,研究了操作者通過觀察一個或多個視頻畫面操作主手來控