面向礦井災(zāi)難救援的機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計研究

摘 要：現(xiàn)階段，為積極應(yīng)對頻發(fā)的礦井災(zāi)難，有效提升救援工作效率，減少救援二次傷亡率，救援機(jī)器人在救援現(xiàn)場的應(yīng)用越來越普遍，而對礦難救援機(jī)器人的研究也具有較高的理論和實(shí)踐意義。文章在全面闡述救援機(jī)器人應(yīng)用現(xiàn)狀和關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出面向礦難救援的多方位驅(qū)動機(jī)器人，并重點(diǎn)設(shè)計了適用于該類機(jī)器人的控制系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：礦井災(zāi)難；救援機(jī)器人；運(yùn)動控制；系統(tǒng)設(shè)計

礦難救援對特種機(jī)器人的需求越來越大，促使研發(fā)開辟出用于搜尋和營救的新型救援機(jī)器人。考慮到礦難救援現(xiàn)場復(fù)雜的非結(jié)構(gòu)環(huán)境以及人機(jī)分離的遙控操作狀態(tài)，要求救援機(jī)器人必須設(shè)計有良好的控制系統(tǒng)。救援機(jī)器人屬于應(yīng)用于惡劣環(huán)境的移動機(jī)器人范疇，需要重點(diǎn)考慮其機(jī)械結(jié)構(gòu)、協(xié)調(diào)運(yùn)動、路徑規(guī)劃、數(shù)據(jù)采集、信息融合、通訊等關(guān)鍵技術(shù)，以保障其控制系統(tǒng)的安全性和有效性。

1 救援機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)及硬件平臺

機(jī)械機(jī)構(gòu)作為救援機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計的基本部分，是整個硬件平臺的基礎(chǔ)，能有效實(shí)現(xiàn)機(jī)器人功能的發(fā)揮。本研究設(shè)計的多方位驅(qū)動機(jī)器人體積小、重量輕、形狀多變，能適應(yīng)溝渠、瓦礫、狹窄等惡劣路面，并能及時反饋信息，確認(rèn)位置等。其機(jī)械結(jié)構(gòu)由五個面組成，每面含一個爬行單位。各面折疊后類似無封頂?shù)姆胶校膳佬杏讵M窄空間；各面展開后，其繞轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)最大旋轉(zhuǎn)角度可達(dá)135°。將獨(dú)立的面支撐起來。并且面與面之間有機(jī)械自鎖功能的渦輪蝸桿結(jié)構(gòu)。同時，為預(yù)防六面展開時履帶與履帶之間、履帶與面之間出現(xiàn)相互干涉，將左右履帶設(shè)計為獨(dú)立控制形式。機(jī)器人可通過履帶間速度差或者旋轉(zhuǎn)單位的運(yùn)動來改變行進(jìn)方向。

救援機(jī)器人用于礦難救援，工作環(huán)境的惡劣性及內(nèi)部存放電路板空間的狹窄性，要求在硬件平臺上必須具有緊湊的空間、可靠的硬件系統(tǒng)、強(qiáng)大的計算能力、多任務(wù)并行處理能力、模塊化及對軟件系統(tǒng)良好的支持能力。多方位驅(qū)動機(jī)器人建立基于PC104單板計算機(jī)為主要處理器的硬件系統(tǒng)，設(shè)置監(jiān)控、運(yùn)動控制、數(shù)據(jù)采集三個系統(tǒng)功能，采用有線控制和無線控制方式，使用普通手柄遙控器控制及遠(yuǎn)程監(jiān)控PC機(jī)、無線數(shù)據(jù)傳輸模板控制。多方位驅(qū)動機(jī)器人的硬件平臺的搭建始終堅持全局出發(fā)，減少不必要的機(jī)械結(jié)構(gòu)和硬件電路，控制機(jī)器人的重量，從而提升性能。

2 救援機(jī)器人運(yùn)動控制系統(tǒng)設(shè)計

運(yùn)動控制是多方位驅(qū)動機(jī)器人最基本的功能之一，其目的是為了對移動機(jī)構(gòu)全體運(yùn)動進(jìn)行有效控制，使得機(jī)器人在外部控制指令下生成驅(qū)動指令及控制器間的通訊，形成多電機(jī)協(xié)調(diào)。本研究機(jī)器人的運(yùn)動系統(tǒng)采用24V直流電源設(shè)計，對于開合電機(jī)和旋轉(zhuǎn)電機(jī)采用伺服電機(jī)，以實(shí)現(xiàn)控制精度，履帶電機(jī)采用伺服電機(jī)控制。直流伺服電機(jī)選取啟動轉(zhuǎn)矩大、成本低、控制容易的直流有刷伺服電機(jī)，其控制方式為脈沖+方向。基于對位置精準(zhǔn)度的高要求，采用直流有刷伺服電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動，開合電機(jī)、履帶電機(jī)、旋轉(zhuǎn)電機(jī)應(yīng)在充分考慮力矩和速度輸出的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計。

可以說，整個運(yùn)動控制系統(tǒng)包括爬行單位及轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)電機(jī)的控制和履帶電機(jī)的控制兩部分。主控制器為PC104單板微機(jī)，接口卡核心器件控制方式為CPLD，基于PC104與CPLD運(yùn)動控制系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的直線行走、轉(zhuǎn)彎、各面展開及折疊、爬斜坡、樓梯等功能、并對各個功能進(jìn)行模塊化設(shè)計。其中，旋轉(zhuǎn)單元和轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)所用電機(jī)是MAXON公司的伺服電機(jī)，由PC104計算機(jī)發(fā)出控制信號，經(jīng)過CPLD芯片做邏輯處理，脈沖信號用快速光耦，方向信號用普通光耦。

3 救援機(jī)器人數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計

數(shù)據(jù)采集能為機(jī)器人運(yùn)動控制系統(tǒng)的閉環(huán)控制提供信息輸入，是救援任務(wù)完成的根本需求。多方位驅(qū)動機(jī)器人數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括圖像采集和傳輸、無線遙控、A/D數(shù)據(jù)采集三部分。同時，考慮到救援機(jī)器人工作環(huán)境的特殊性，在機(jī)器人的每個面上安裝了一個加速度傳感器，對機(jī)器人每個面的姿態(tài)和角度進(jìn)行測量，從而做出適時調(diào)整，保證機(jī)器人運(yùn)動的合理性和有效性。救援機(jī)器人帶有生命探測傳感器，而數(shù)據(jù)采集卡的應(yīng)用為其預(yù)留了借口，從而方便了搜救工作，方便搜救人員及時準(zhǔn)確安全地發(fā)現(xiàn)存活遇險者。在圖像采集和傳輸上，為多方位驅(qū)動機(jī)器人安裝智能云臺攝像機(jī)以采集模擬圖像，通過圖像發(fā)射與接收裝置傳輸?shù)奖O(jiān)控PC機(jī)上，這里采用的是無線影音傳輸。而無線遙控部分則是對信號和狀態(tài)信號的傳輸進(jìn)行控制，無線遙控模塊運(yùn)用的是DTD46X系列嵌入式無線數(shù)據(jù)傳模塊。A/D數(shù)據(jù)采集則是在機(jī)器人的每個面上安裝加速度傳感器ADXL202，將獲取的模擬信號轉(zhuǎn)換成為數(shù)字信號，來應(yīng)用于每個面與重力方向所稱的傾斜角，以此確定機(jī)器人的姿態(tài)。在針對加速度傳感器和生命探測儀信號的采集上則是在機(jī)器人的每一面安裝數(shù)據(jù)采集卡。并應(yīng)用數(shù)據(jù)采集卡軟件系統(tǒng)將收集進(jìn)來的模擬信號進(jìn)行濾波，AD轉(zhuǎn)換，通過485總線與上位機(jī)通訊。

4 救援機(jī)器人上層軟件系統(tǒng)設(shè)計

為解決以往計算機(jī)難以直觀控制機(jī)器人各關(guān)節(jié)的問題，本研究通過USB手柄遙控器對機(jī)器人進(jìn)行有線遙控，直接對機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)和運(yùn)動控制系統(tǒng)進(jìn)行檢驗(yàn)。控制信號由手柄遙控器發(fā)送到PC104計算機(jī)，并由上層軟件系統(tǒng)對信息進(jìn)行采集、分析和處理，進(jìn)而傳輸?shù)絇C104總線上。機(jī)器人的運(yùn)動控制模板接受到PC104總線的信息，依據(jù)所制定的協(xié)議對信息進(jìn)行分析處理，從而轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電機(jī)控制信號。并由機(jī)器人上層軟件系統(tǒng)對PC104總線信息進(jìn)行解讀，把運(yùn)動控制模板的相關(guān)狀態(tài)信號輸送給PC104計算機(jī)。

綜上所述，本研究多方位驅(qū)動機(jī)器人具有體積小、重量輕，適應(yīng)惡劣環(huán)境，形狀多變的履帶驅(qū)動移動機(jī)構(gòu)，采用多傳感信息融合技術(shù)，能及時有效傳遞信息、確定位置，且具有較好可移植性，方便應(yīng)用到其他移動機(jī)器人平臺，在多種領(lǐng)域內(nèi)均含重要的應(yīng)用價值，具有廣闊市場前景。

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作者簡介：宋清華（1984-），女，漢族，河南湯陰縣人，安陽工學(xué)院，碩士研究生，講師，研究方向：容錯控制機(jī)器人。