一種排爆機器人設計與研究

李云江，馬孝林，劉慶元

（1.山東建筑大學 機電工程學院，山東 濟南 250101；2.山東建筑大學 信息與電氣工程學院，山東 濟南 250101）

一種排爆機器人設計與研究

李云江1，馬孝林1，劉慶元2

（1.山東建筑大學 機電工程學院，山東 濟南 250101；2.山東建筑大學 信息與電氣工程學院，山東 濟南 250101）

針對當前排爆作業未知非結構化環境的特點，設計了一種小型排爆機器人，該排爆機器人到達指定位置后，通過同步帶來帶動爪手上下移動，然后通過固定在爪手上的電磁鐵的開合來夾持目標，其控制信號為遠程無線控制。采用該機器人可以代替排爆人員搬運物品，提高了工作效率和安全系數。

排爆機器人；結構；程序；設計；無線控制

1 引言

當今世界恐怖襲擊事件時有發生，社會影響特別惡劣，研制滿足實戰化需要的反恐排爆設備顯得極為迫切，世界各國尤其是發達國家都特別重視對反恐排爆機器人的研究。自動型排爆機器人能分辨出什么是可疑物品或危險物品，及時排除險情，但成本較高，一般在很危急的時候才使用［1-3］。目前使用的防爆機器人，一般價格昂貴，設計比較復雜，不利于推廣應用［4-6］。本文研制了一種遠程操控型機器人，體積小，重量輕，在可視條件下進行人為排爆，成本低廉，具有較高的應用價值。該排爆機器人的底盤下有四個輪子負責前進和轉向（也可以設計成軌道形式）。通過遙控，該機器人可以進行伸縮、彎曲和轉動，最終完成抓取工件，滿足排爆工藝要求。

2 機器人的機構設計

2.1 總體設計

該排爆機器人是依靠控制電磁鐵的通斷電來實現抓取和放下物品。在電磁鐵通電后，電磁上連接弧形爪，依靠弧形爪來抓取物品。為了防止執行裝置超出行程，在豎直的支撐架上端安裝一個行程止動軸。

傳動裝置的動作方式是依靠步進電機控制的同步帶來實現對執行部件的豎直升降的，需要準確的定位支爪，因此采用步進電機控制同步帶來達到上下位置的精確定位，且同步帶有兩塊硬鋁板材來支撐，這樣就既可以保證強度又能減輕重量。

由于本機構不僅需要運動靈活，而且需要搬運物品，因此機器人主體結構大部分選用硬鋁板材，總體結構如圖1所示。

圖1 排爆機器人總體結構

2.2 驅動電機的選擇

該機器人的運行是依靠驅動輪的運動來實現的，為了保證控制抓取和放下工件的力度和精度，必須要求它有較高運動精確且便于遙控，所以選用兩個步進電機作為驅動電機，并且兩個前輪為驅動輪。

3 控制系統設計

3.1 硬件系統設計

3.1.1 電源電路的設計

由于機器人行走、抓取等動作需要較大功率，一般電池不能滿足其需要［7］，所以選用了雙輸出交流整直流電源輸出電壓分別為24V、12V，額定電流分別為3A、2A。

考慮到AT89C52芯片要求的供電電壓一般在5V，則電源電路需設計成5V的穩壓供電電路，本文選用7805固定正輸出電壓集成穩壓器，可以將輸出電壓穩定在5V。其電源電路設計如圖2所示。

圖2 電源電路

3.1.2 步進電機驅動電路的設計

機器人的前進、后退、左轉、右轉以及爪的升降都由步進電機來控制。步進電機由驅動器驅動，其驅動電壓為12V。驅動器本身所需電壓5V，驅動器的步進脈沖與方向脈沖由單片機提供。本設計的控制電路如圖3所示。

圖3 步進電機控制電路

3.1.3 爪部電磁鐵電路的設計

電磁鐵用來抓取重物，它的開合由繼電器控制，繼電器型號為4100，工作所需電壓為5V，由于繼電器為電感性線圈所以并上一只續流二極管。為了不使繼電器對單片機造成沖擊，在三極管與單片機之間加光隔P521。電磁鐵工作電壓為24V。本設計的控制電路如圖4所示。

圖4 爪部電磁鐵電路

3.1.4 遙控接受器與單片機的連接電路設計

遙控接收器本身需要5V電壓，它的D0～D7引腳與單片機的P2.0～P2.7引腳對應相連，當搖控器發送端某一按鍵按下時與之對應的接收器上的引腳就為高電平，單片機上對應引腳也為高電平。其電路圖5所示。

圖5 連接電路電路圖

3.2 軟件系統設計

排爆機器人要實現的動作分別為機身前進、后退、左轉、右轉，爪的上升、下降、爪開、爪合。這八個動作對應八個子程序。主程序為檢測P2口各引腳電平，檢測到某一引腳為高電平則跳到對應子程序。流程圖如圖6所示。

信號采集處理的主要功能是將遙控接受器的高低電平信號變化經I/O口輸入單片機，再由單片機做出相應的反應，實現排爆機器人的各個動作。

4 結論

該機器人結構新穎，已獲得國家發明專利，而且價格低廉，便于推廣應用。使用該排爆機器人，排爆人員可在遠距離對機器人進行精確遙控，完成抓取爆炸物并將運至安全地帶。該機器人既可以在開闊地帶工作，也可以在建筑物內工作，或在狹小的隧道空間工作。

圖6 流程圖

［1］曲道奎.中國機器人產業發展現狀與展望［J］.中國科學院院刊，2015， 30（3）：342-346.

［2］梁棟， 尹曉紅， 王夢晴.移動機器人研究現狀及發展趨勢［J］.科技信息， 2014， 32（9）：33.

［3］周琪涵， 鄭嫦娥.移動機器人的發展現狀及其創新設計初探［J］.科技風， 2013， 26（16）：58-60.

［4］周丹， 張鈞嘉， 賈瑞清.模塊化煤礦移動機器人平臺的研究［J］.煤礦機械， 2013， 36（5）：58-60.

［5］類成璽.排爆機器人的結構設計［J］.裝備制造， 2009， 3（9）：179.

［6］李波， 張瑾， 李國棟.排爆機器人機械臂控制系統設計［J］.機電工程，2015， 32（8）：1110-1114.

［7］覃才福， 藍會立， 羅植升， 等.小型排爆機器人的直流電機驅動電路設計［J］.儀器儀表用戶， 2015， 22（4）：37-39.

Research and Design of Explosive Disposal Robot

LI Yun-jiang1， MA Xiao-lin1， LIU Qing-yuan2
（1.College of Mechanical and Electronic Engineering， Shandong University of Architecture， Jinan 250101， Shandong， China； 2.School of Information and Electronic Engineering， Shandong University of Architecture， Jinan 250101， Shandong， China）

Aiming at the specialty of unknown unstructured environment in operation， the explosive ordnance disposal robot was designed.Arriving at the designated location， the stepper motor which is fixed to the base makes the control gripper move simultaneously up and down， and then through the fixed starting point on the opening and closing of the electromagnet to clamp their goal， and signals is controlled by remote wireless system.The robot is able to make effective use of remote control operation， replacing the labor， and improving work efficiency and safety factor.

explosive ordnance disposal robot；structure；program；design；radio control

TP242.3

A

1009-3842（2015）06-0055-03

2015-09-09

李云江（1966-），男，山東萊陽人，大學教授，主要從事特種機器人和建筑機械的研究。E-mail： liyunjiang38@126.com