基于觸屏控制的遙操作排爆機器人設計

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(上海交通大學機械與動力工程學院，上海 200240)

0 引言

隨著國際上恐怖主義活動日益猖獗，排爆機器人已成為保障社會安全，減少公安人員傷亡的必備裝備。排爆機器人主要用于代替人工，直接在案發現場排除和處理爆炸物以及其他危險品，是排爆專業隊伍中必不可少的重要裝備[1]。排爆機器人的研制始于20世紀60年代，英國Morfax公司生產的“小推車”舉世聞名，采用橡膠履帶，有一整套的無線電控制系統及彩色電視攝像機，已向多個國家軍警部門出售[2]。美國Wolstenholme機器公司生產的MR5和MR7排爆機器人備有6個車輪、1套活動履帶，必要時將履帶裝上，能夠適應多種地形活動[3]，缺點是外形尺寸大，更換履帶費時費力。國內多家機構也積極開展相應的研究。中國科學院沈陽自動化研究所研究的“靈蜥”多功能排爆機器人采用輪腿履復合型運動機構，具有很好的越障能力，手臂具有4自由度，配備了多功能工具包[4]，手臂可作業范圍有限。中國航天科工集團公司自主研制了第二代排爆機器人“雪豹- 10”，在操控性能、運動性能和機械臂控制精度上高于其他同類產品，且具有一定自主能力，可在有限的人工參與下半自動地完成搜爆排爆任務。上海交通大學的陳曦等人研究了一種八輪式排爆機器人，該機器人用平板電腦控制，移動機構采用獨特的八輪結構，越障能力強，但是體型較大，使用場合受限[5]。

綜上所述，排爆機器人普遍存在體型較大，作業范圍有限的問題。結合實際應用需求，設計的排爆機器人運動機構采用了輪擺履復合的結構，有很好的越障能力，機器人車體寬40.5 cm,能夠應用于行走空間較窄的場合；機械臂共6自由度，伸展可達2 m，作業范圍大；控制方式采用觸摸屏遙控或者線控的方式，獲取的圖像清晰穩定，并且具有虛擬機器人交互的功能，提高了操作效率。

1 機器人機械結構設計

擺臂式排爆機器人的車體結構如圖1所示。整個移動平臺共有4組輪系和擺臂的組合結構，分別分布在底盤的四角，每組結構包含1個車輪和1只擺臂，并且利用履帶將兩者耦合在一起，車輪和擺臂分別由1個電機驅動。在行走前進和后退過程中，左右2組車輪等速自轉實現正常的行駛功能；在轉彎過程中，左右2組車輪差速轉動從而實現大半徑轉彎和原地轉彎；在越障過程中，通過調整單個擺臂或者分組調整擺臂從而跨越障礙物。這種獨特的輪擺結構具有很好的移動性和越障能力。

該排爆機器人的機械臂結構如圖2所示。機械臂共6個自由度，包括腰回轉、大臂俯仰、中臂俯仰、小臂俯仰、腕回轉和手爪開合，各關節都采用直流伺服電機驅動。手爪開合屬于獨立自由度，剩下的5個自由度形成了空間冗余結構，從而可以實現機械臂末端聯動的功能。

圖1 機器人車體結構 圖2 機器人機械臂結構

該機器人車體窄，機械臂較長，且可以站立行走，如圖3所示，大大增加了工作空間，可以廣泛應用到汽車、高鐵和飛機的反恐排爆活動中。

圖3 機器人站立姿態

2 機器人運動控制系統設計

該排爆機器人的運動控制系統架構如圖4所示。機器人共14個自由度，皆由同一個控制器控制。

圖4 機器人運動控制架構

車體的控制包含4個車輪電機的控制和4個擺臂電機的控制。手臂的控制包含6個電機，其中包括了2個回轉關節的控制、3個俯仰關節的控制和手爪的開合控制。手臂的控制方式有單軸點動和末端聯動2種控制方式，所有的控制都是通過EtherCAT總線來控制的。運動控制系統的功能結構如圖5所示。

圖5 運動控制系統的功能結構

排爆機器人采用了Beckhoff控制器，其底層系統軟件主要為TwinCAT3,主要使用PLC ST語言和C++，PLC ST在軟件底層可以很好地支持浮點運算；控制器支持EtherCAT總線協議、EtherNet通信和RS232通信。該控制器利用EtherCAT總線，傳輸速率快，只需30 μs就可以更新1 000個I/O口，131 μs就可以傳輸64個開關量，且可靠性高，具有很好的實時性和同步性，可以很好地滿足控制需求。

排爆機器人所用的驅動器為ELMO公司的G- MOLWHI系列，可以實現速度環控制、位置環控制和電流環控制，并支持EtherCAT通信和RS232通信，此外還留有少量的I/O口，可以作為擴展功能使用。

3 機器人遙操作的設計與實現

遙操作控制在移動機器人平臺上的應用是現階段遙操作主要研究點之一[6]。復雜環境遙操作排爆機器人可在復雜且危險的環境下，由人在遠端遙操作，代替人去現場執行勘測、采樣等多種任務[7]。

在此，排爆機器人遙操作的實現，主要基于可靠的通信系統、圖像實時傳輸系統和虛擬機器人交互系統。通信系統負責遙操作控制中控制信息和圖像的傳遞；圖像系統是觀察現場的眼睛；虛擬機器人可以反饋機器人實時姿態。

3.1 通信系統的設計與實現

本文主要討論上位機控制軟件和下位機機器人控制器之間的通信系統。排爆機器人上、下位機之間的通信分為無線和線控2種方式，且2種通信方式之間可以切換。線控通信方式通過RJ45接口實現。對于無線通訊方式，采用2部AirMesh900電臺來實現，一部設置為AccessPoint模式與上位機通過RJ45接口連接，另一部設置為Station模式與下位機機器人控制器通過RJ45接口連接。將2部電臺IP地址設置為同一網段，在通電后就會自動握手連接，該型號電臺，傳輸速率可達20 Mbit/s，非視距可以達到100～500 m，且工作穩定，能夠很好地滿足通信需求。通信系統結構如圖6所示。

圖6 通信系統結構

上、下位機數據傳輸協議使用ADS通信協議，即自動化設備規范，該協議描述了一種與設備和現場總線無關的接口，管理ADS 設備的通訊渠道。ADS 是在Beckhoff控制器TwinCAT 系統中讀取和寫入數據，以及進行指令傳輸的獨立于介質的協議，底層基于TCP/IP協議，是一種專有協議。

3.2 多路圖像實時傳輸系統實現

圖像模塊借助于C#的Winform框架實現，編譯環境為Win10系統。排爆機器人共安裝了5路海康數字攝像頭。其中，車前和車后各安裝了1路攝像頭，用于在車行駛過程中觀察車前后狀況；在腰部也安裝了1路廣角攝像頭，可以隨著腰的回轉而回轉，用于觀察全局環境；在中臂安裝了1路針孔攝像頭，用于觀察中臂后面關節的姿態；在手爪處也安裝了1路針孔攝像頭，用于觀察手爪抓取情況。

選用的攝像頭支持多種獲取視頻流的方式，如TCP，UDP，RTP等方式。考慮到圖像系統實施的穩定性和方便性，機器人圖像系統采用了TCP的方式通過攝像頭的RJ45接口來獲取視頻流。該攝像頭還支持多種參數的修改，這些參數主要包括碼流類型、分辨率、圖像質量、視頻碼率、視頻幀率和視頻編碼類型。當設置好參數后，攝像頭按照所設參數自動對視頻流編碼和解碼。考慮到實際應用場合的要求，包括視頻流暢度、視頻質量和通信帶寬等因素，再結合攝像頭實驗的結果，參數確定如表1所示。圖像實時顯示系統支持5路視頻流同時實時顯示和錄像，也支持單路圖像放大或者縮小顯示。

表1 攝像頭參數

3.3 虛擬機器人交互功能實現

利用攝像頭可以觀察周圍環境和手爪抓取情況，但是很難了解到機器人本體的位姿信息，為了改善此情況，為排爆機器人設計了虛擬機器人，使之能夠反饋機器人機械臂本體的位姿，這顯著提高了操作者的作業效率。

建立虛擬交互機器人的前提是需要機器人三維模型。本文用Pro/E對排爆機器人建模，考慮到交互實時性需求，故在建模時忽略掉了一些小零部件，這樣會有效地減輕計算負擔，只對機械臂各關節、車體和擺臂9個部件三維建模。

利用Unity3D作為虛擬交互軟件平臺，在該平臺建立虛擬機器人實現交互功能。為了使三維模型適應Unity3D，將Pro/E中的三維模型導出為Unity3D支持的obj格式，再添加入Unity3D中，然后為模型添加材質，增強顯示效果。為了實現虛擬機器人各部件之間的隨動，在Unity3D中采用樹狀節點的方式對各關節分類，父節點包含子節點，子節點又作為父節點包含另外的子節點，這樣實現了子節點跟隨父節點隨動。

然后，改變各部件中心坐標和旋轉角度，完成虛擬機器人的裝配。編寫腳本，將腳本附到某一個GameObject對象，將程序中的各個GameObject對象指定到對應的部件，再在腳本中添加GUI設計，最后將Unity3D工程導出為交互窗體。在該窗體的GUI中添加了虛擬機器人正視、俯視、側視視圖的切換功能，以及各部件運動角度的顯示。

對于虛擬機器人和機器人本體的交互，在上位機控制軟件和虛擬機器人之間采用UDP通信來實現機器人位姿信息的傳輸，虛擬機器人接收到相應的位姿信息后更新各部件姿態并顯示。

4 觸控端軟件整體架構設計

4.1 軟件功能需求分析

本文設計的排爆機器人的觸控端軟件功能分為3部分:機器人運動控制、圖像實時顯示和虛擬機器人動態交互。

機器人運動控制功能主要分為擺臂的單軸點動、擺臂的分組控制和耦合控制、車體行駛控制、機械臂各關節的單軸點動、機械臂末端聯動和抓取、機器人輔助功能。根據機器人運動控制功能需求，在機器人控制軟件中增加了3種控制模式，各模式之間可以直接切換，3種模式如下：

a.一般模式下，主要實現擺臂的單軸點動和機械臂各關節的單軸點動。

b.車模式下，主要實現車體的前進、后退、行進中轉彎和原地轉彎。

c.手模式下，主要實現機械臂的末端聯動和抓取。

考慮到機器人實際作業的要求，擺臂的分組控制和耦合控制以及機器人輔助功能在3種模式下都可以運行。擺臂分為前擺臂和后擺臂2組，可以對每組擺臂單獨控制，當同時控制2組擺臂同時向上或者向下運動時實現了耦合控制。機器人輔助功能有速度調節、機器人運動暫停和急停、急停復位、各關節一鍵還原姿態、機械臂一鍵擺抓取姿態、機器人使能狀態顯示、通信狀態顯示、錯誤消息顯示，以及運動信息顯示等。

圖像實時顯示功能主要實現5路圖像的同步實時顯示、單路圖像的放大顯示和各路圖像的錄像功能。

虛擬機器人動態交互主要實現機械臂和擺臂的姿態動態更新、各關節運動角度顯示。

4.2 軟件整體架構設計與實現

車模式下車體的行駛控制與手模式下機械臂末端聯動控制和抓取，借助于SMC3系列三軸霍爾操縱桿。該操縱桿為數字量搖桿，精度高，頭部帶有按鈕，適用于RS232通信。車模式車體的控制用X軸來控制車體的前進和后退，Y軸來控制車體原地轉彎，X軸和Y軸結合進行行駛中轉彎；手模式機械臂的控制分別用X軸、Y軸和Z軸來控制機械臂末端在全局坐標系相應方向的平動，三軸結合來控制機械臂末端的復合運動。排爆機器人控制箱如圖7所示。

圖7 控制箱

本文采用C#的WPF框架來編寫控制軟件界面，編譯環境為Win10系統。軟件整體架構如圖8所示，將軟件整體功能以及各模塊和軟件之間的拓撲關系清晰展示出來。

圖8 控制軟件整體架構

對于圖像實時顯示系統，考慮到實際應用中可能出現控制軟件崩潰問題，在設計時圖像顯示系統作為1個單獨的模塊來實現。這樣的好處是當控制軟件崩潰的時候圖像顯示模塊還可以顯示圖像。圖像的顯示、放大和錄像功能是通過2個軟件，并通過消息傳遞機制通信來實現的。

虛擬機器交互窗口嵌入到控制軟件界面預留好的區域，控制軟件將數據發送到虛擬機器人窗口，完成數據交互。

最終的控制軟件界面如圖9所示。

圖9 控制軟件界面

5 結束語

設計了基于觸屏控制的遙操作排爆機器人，經過多次實驗，證明了該機器人很好地實現預期指標。該機器人可靠通信距離100 m以上;圖像流暢清晰；虛擬機器人能夠實時反饋機器人本體姿態，對操作者要求低，提高了作業效率;具有很好的越障能力，最大能夠爬傾斜角45°的樓梯；行走速度最大可達3.6 km/h；在機械臂完全伸展的情況下最大抓取質量5 kg。該排爆機器人能夠適用于多種場合，后續將在現有機器人基礎上增加多種傳感器，來增加機器人的自主性和交互性。