排爆機(jī)器人遙操作性能研究.pdf

1、排爆機(jī)器人是最典型的遙操作機(jī)器人。本文在國(guó)家863項(xiàng)目“反恐排爆機(jī)器人研究“、國(guó)家863項(xiàng)目“消防偵察機(jī)器人研究”和國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“遙操作機(jī)器人操作性能研究”的支持下,從系統(tǒng)的角度對(duì)影響排爆機(jī)器人遙操作性能的各主要因素進(jìn)行了分析研究,重點(diǎn)研究排爆機(jī)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(gè)方面,對(duì)排爆機(jī)器人的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)性建議。
　　 從排爆機(jī)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(wú)法正確指導(dǎo)操作者操作機(jī)械臂抓取爆炸物后,作者創(chuàng)新性的提出了基于激光測(cè)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(shí)現(xiàn)了爆炸物的半自主抓取。另外,作者試圖通過(guò)雙目立體視覺(jué)來(lái)定位爆炸物,但結(jié)果表明,由于排爆機(jī)器人的移動(dòng)性、機(jī)械臂的不夠精確性等因?yàn)殡p目視覺(jué)得到的爆炸物位置數(shù)據(jù)有很大誤差,其應(yīng)用受到了限制。在從半自主抓取爆炸物這個(gè)局部研究的基礎(chǔ)上展開(kāi),引出了下一章的內(nèi)容,從系統(tǒng)的角度全面考慮排爆機(jī)器人遙操作性能。
　　

3、提出了排爆機(jī)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(biāo)。在遙操作機(jī)器人的性能和功能基礎(chǔ)上,人們對(duì)其提出了更高的標(biāo)準(zhǔn),要求其能在更復(fù)雜和非結(jié)構(gòu)化的環(huán)境下完成更難的工作。影響排爆機(jī)器人遙操作性能的6個(gè)一級(jí)性能指標(biāo),每一個(gè)都為多個(gè)二級(jí)性能指標(biāo)的加權(quán)和,找出影響性能的根本因?yàn)?提高排爆機(jī)器人的整體遙操作性能。這些性能指標(biāo)的提出為如何提高排爆機(jī)器人的遙操作性能指明了方向,并進(jìn)行了量化分析。根據(jù)用途的不同,對(duì)排爆機(jī)器人進(jìn)行了分類,給出了

4、每一類對(duì)應(yīng)的兩級(jí)性能指標(biāo)的權(quán)重參數(shù),并以偵察型排爆機(jī)器人為例加以說(shuō)明。
　　 采用層次分析法,從輪式、履帶式、關(guān)節(jié)式、“關(guān)節(jié)一輪”式、“關(guān)節(jié)一履帶”式五種機(jī)構(gòu)中為排爆機(jī)器人SUPER-Ⅱ的移動(dòng)載體選擇了一種最優(yōu)機(jī)構(gòu)形式。分析了傳統(tǒng)三自由度排爆機(jī)械臂的局限性,設(shè)計(jì)出了六冗余自由度機(jī)械臂。增加了一個(gè)主工作平面內(nèi)冗余自由度、一個(gè)腰部轉(zhuǎn)動(dòng)自由度和一個(gè)小臂伸縮自由度,很大程度上擴(kuò)大了機(jī)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(jī)器人作業(yè)范圍和柔性大為增強(qiáng),并得出了該機(jī)械臂三維工作空間。
　　 系統(tǒng)闡述了排爆機(jī)器人的安全性能。提出了提高機(jī)械臂操作安全性能的有效方法之一就是實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的受控聯(lián)動(dòng)。創(chuàng)新性地簡(jiǎn)化了六自由度機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)模型,將三臂聯(lián)動(dòng)功能引入排爆作業(yè),增加了操作安全性和效率,并推導(dǎo)出了聯(lián)動(dòng)方程。基于多傳感器融合,特別是腕力傳感器的融合,提出了機(jī)器人的防傾覆設(shè)計(jì)。另外,結(jié)合機(jī)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(dǎo)

6、出了排爆機(jī)器人在通訊意外中斷時(shí)可采取的回撤路徑算法。專門(mén)針對(duì)爆炸物抓取設(shè)計(jì)了一個(gè)包括柔力夾緊機(jī)構(gòu)、強(qiáng)力固定機(jī)構(gòu)和安全合抱機(jī)構(gòu)在內(nèi)的氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)手爪,其少自由度和高抓取性能的特點(diǎn)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(jī)器人上的應(yīng)用,包括PLC、單片機(jī)、ARM嵌入式和DSP等,通過(guò)與工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的比較,需要將排爆機(jī)器人傳感系統(tǒng)的研究重點(diǎn)放在其有限軟硬件資源上。從遙操作機(jī)器人必須要將周圍的環(huán)境信息實(shí)時(shí)傳達(dá)給遠(yuǎn)地操

7、作者的特點(diǎn),分析了排爆機(jī)器人的傳感器接口。為解決環(huán)境信息的實(shí)時(shí)傳遞,本文以VC++和OpenGL為工具,創(chuàng)新性地將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中的視覺(jué)臨場(chǎng)感和力覺(jué)臨場(chǎng)感引入排爆機(jī)器人系統(tǒng),通過(guò)各種傳感器將遠(yuǎn)地排爆機(jī)器人與環(huán)境的交互信息實(shí)時(shí)地反饋到本地操作者處,生成和遠(yuǎn)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(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人靈活的控制,完成作業(yè)任務(wù)。
　　 通過(guò)搭建排爆操作的坐標(biāo)系框架,研究了操作者通過(guò)觀察一個(gè)或多個(gè)視頻畫(huà)面操作主手來(lái)控