面向礦井災(zāi)難救援的機器人控制系統(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，救援機器人在救援現(xiàn)場的應(yīng)用越來越普遍，而對礦難救援機器人的研究也具有較高的理論和實踐意義。文章在全面闡述救援機器人應(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)動機器人，并重點設(shè)計了適用于該類機器人的控制系統(tǒng)。

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

礦難救援對特種機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器人?？紤]到礦難救援現(xiàn)場復(fù)雜的非結(jié)構(gòu)環(huán)境以及人機分離的遙控操作狀態(tài)，要求救援機器人必須設(shè)計有良好的控制系統(tǒng)。救援機器人屬于應(yīng)用于惡劣環(huán)境的移動機器人范疇，需要重點考慮其機械結(jié)構(gòu)、協(xié)調(diào)運動、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 救援機器人機械結(jié)構(gòu)及硬件平臺

機械機構(gòu)作為救援機器人控制系統(tǒng)設(shè)計的基本部分，是整個硬件平臺的基礎(chǔ)，能有效實現(xiàn)機器人功能的發(fā)揮。本研究設(shè)計的多方位驅(qū)動機器人體積小、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，確認位置等。其機械結(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?，可爬行于狹窄空間；各面展開后，其繞轉(zhuǎn)換機構(gòu)最大旋轉(zhuǎn)角度可達135°。將獨立的面支撐起來。并且面與面之間有機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)計為獨立控制形式。機器人可通過履帶間速度差或者旋轉(zhuǎn)單位的運動來改變行進方向。

救援機器人用于礦難救援，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)動機器人建立基于PC104單板計算機為主要處理器的硬件系統(tǒng)，設(shè)置監(jiān)控、運動控制、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程監(jiān)控PC機、無線數(shù)據(jù)傳輸模板控制。多方位驅(qū)動機器人的硬件平臺的搭建始終堅持全局出發(fā)，減少不必要的機械結(jié)構(gòu)和硬件電路，控制機器人的重量，從而提升性能。

2 救援機器人運動控制系統(tǒng)設(shè)計

運動控制是多方位驅(qū)動機器人最基本的功能之一，其目的是為了對移動機構(gòu)全體運動進行有效控制，使得機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，形成多電機協(xié)調(diào)。本研究機器人的運動系統(tǒng)采用24V直流電源設(shè)計，對于開合電機和旋轉(zhuǎn)電機采用伺服電機，以實現(xiàn)控制精度，履帶電機采用伺服電機控制。直流伺服電機選取啟動轉(zhuǎn)矩大、成本低、控制容易的直流有刷伺服電機，其控制方式為脈沖+方向?；趯ξ恢镁珳识鹊母咭螅捎弥绷饔兴⑺欧姍C進行驅(qū)動，開合電機、履帶電機、旋轉(zhuǎn)電機應(yīng)在充分考慮力矩和速度輸出的基礎(chǔ)上進行設(shè)計。

可以說，整個運動控制系統(tǒng)包括爬行單位及轉(zhuǎn)換機構(gòu)電機的控制和履帶電機的控制兩部分。主控制器為PC104單板微機，接口卡核心器件控制方式為CPLD，基于PC104與CPLD運動控制系統(tǒng)能實現(xiàn)機器人的直線行走、轉(zhuǎn)彎、各面展開及折疊、爬斜坡、樓梯等功能、并對各個功能進行模塊化設(shè)計。其中，旋轉(zhuǎn)單元和轉(zhuǎn)換機構(gòu)所用電機是MAXON公司的伺服電機，由PC104計算機發(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 救援機器人數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計

數(shù)據(jù)采集能為機器人運動控制系統(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，考慮到救援機器人工作環(huán)境的特殊性，在機器人的每個面上安裝了一個加速度傳感器，對機器人每個面的姿態(tài)和角度進行測量，從而做出適時調(diào)整，保證機器人運動的合理性和有效性。救援機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)動機器人安裝智能云臺攝像機以采集模擬圖像，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)信號的傳輸進行控制，無線遙控模塊運用的是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)將收集進來的模擬信號進行濾波，AD轉(zhuǎn)換，通過485總線與上位機通訊。

4 救援機器人上層軟件系統(tǒng)設(shè)計

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

綜上所述，本研究多方位驅(qū)動機器人具有體積小、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：容錯控制機器人。