無人機(jī)排爆機(jī)械臂的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

高軍 鄔江

摘 要 在日常排爆工作中，當(dāng)排爆隊(duì)員發(fā)現(xiàn)可疑爆炸物，通常選擇轉(zhuǎn)移拆除的處理方式。而在轉(zhuǎn)移過程中，排爆隊(duì)員需要借助繩鉤組等設(shè)備進(jìn)行轉(zhuǎn)移。在操作過程中，由于鉤掛繩索的需要以及繩索質(zhì)地柔軟這一特性，使得排爆隊(duì)員在爆炸物轉(zhuǎn)移過程中不得不近距離操作。這難免威脅到排爆隊(duì)員的人身安全。筆者在長期工作中，結(jié)合當(dāng)今先進(jìn)科技手段設(shè)計(jì)了一套安裝在無人機(jī)的爆炸物轉(zhuǎn)移機(jī)械臂系統(tǒng)。此機(jī)械臂系統(tǒng)可遠(yuǎn)距離無線操作，排爆隊(duì)員可遠(yuǎn)距離操控即可完成對爆炸物的轉(zhuǎn)移。由于載體為無人機(jī)，操作范圍小，抓取后可迅速投放到排爆罐，相比傳統(tǒng)繩鉤組時間更短，安全系數(shù)更高。

關(guān)鍵詞 無人機(jī)；無線圖傳技術(shù)；無線遙控機(jī)械臂；體感數(shù)據(jù)手套

中圖分類號 TN92 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1674-6708（2018）223-0164-02

1 背景

隨著社會的不斷發(fā)展，各種矛盾不斷凸顯，世界反恐形勢日趨嚴(yán)峻。由于爆炸對社會造成的危害巨大，成為恐怖分子首選的手段。排爆隊(duì)員作為反恐處突的中堅(jiān)力量，肩負(fù)著及時排除爆炸物，保衛(wèi)人民生命財(cái)產(chǎn)的重任。而由于科技的不斷進(jìn)步，恐怖分子制造爆炸物的水平也不斷提高，爆炸物威力不斷增強(qiáng)。這對排爆隊(duì)員的人身安全造成了巨大危害。

無人機(jī)與機(jī)械臂的有效結(jié)合，是當(dāng)前較為先進(jìn)的應(yīng)用理念，有效地?cái)U(kuò)展了其自身的應(yīng)用領(lǐng)域范圍，尤其是在當(dāng)前的排爆過程中，可以有效保證排爆人員自身的安全性，提升排爆效率。

近年來，全世界恐怖主義猖獗，全球每年都會發(fā)生數(shù)千起恐怖主義活動，對人們的生命財(cái)產(chǎn)安全造成嚴(yán)重的威脅，例如，2001年美國的世貿(mào)中心雙塔與五角大樓撞毀、2004年西班牙馬德里地鐵爆炸、2013年俄羅斯伏爾加格勒市無軌電車爆炸，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，并造成大量的人員傷亡。由于爆炸物品波及范圍較廣，傷害較大，逐漸成為當(dāng)前恐怖分子的重要手段，并成為當(dāng)前各國政府首要解決的問題。積極進(jìn)行排爆理念創(chuàng)新，可以有效地促使當(dāng)前的排爆方式逐漸多樣化，在不斷的發(fā)展過程中，排除爆炸危險品，并保證排爆人員的安全。

無人機(jī)機(jī)械手臂排爆理念是近年來提出的先進(jìn)理念，并逐漸被廣泛的應(yīng)用，靈活利用其自身的優(yōu)勢，促使機(jī)械臂自身的靈活性提升，改變了傳統(tǒng)的機(jī)械手臂只能在固定的位置進(jìn)行迆的局限性，促使其實(shí)現(xiàn)智能化應(yīng)用，提升應(yīng)用范圍與應(yīng)用效果，有效地替代排爆人員進(jìn)行工作，從根本上保證其自身的安全，并高效對爆炸危險品進(jìn)行處理，保證社會穩(wěn)定。

例如，當(dāng)前全球知名的機(jī)器人公司Enerigid將當(dāng)前的無人機(jī)與機(jī)械手臂進(jìn)行有效的融合，積極進(jìn)行與探索，逐漸躋身于行業(yè)的前列。并且其現(xiàn)階段已經(jīng)在探索國際空間站（ISS），靈活使用移動機(jī)器人平臺，以實(shí)現(xiàn)科技的突破。日本在發(fā)展過程中也積極對當(dāng)前的無人機(jī)與機(jī)械臂結(jié)合領(lǐng)域進(jìn)行探索，例如，日本著名的無人機(jī)制造商PRODRONE研究出擁有機(jī)械臂的無人機(jī)，并將其命名為PD6B-AW-ARM，其無人機(jī)自身具有一對完整的機(jī)械臂，靈活度較高，最大可抓起10kg重物體，并具有較強(qiáng)的續(xù)航能力，被廣泛的應(yīng)用在各行各業(yè)中。

在實(shí)際的應(yīng)用過程中，該型號的無人機(jī)機(jī)械臂還可以利用自身的機(jī)械臂對整體無人機(jī)機(jī)身進(jìn)行固定，甚至可以實(shí)現(xiàn)間歇性休息，保證無人機(jī)可以像小鳥一樣“站在”樹干上休息，實(shí)現(xiàn)其智能化。無人機(jī)與機(jī)械臂的有效結(jié)合，代表著當(dāng)前科學(xué)技術(shù)的創(chuàng)新與智能理念的合理應(yīng)用，為各行各業(yè)的發(fā)展提供全新的理念，尤其是對當(dāng)前的較為危險的行業(yè)來說，在進(jìn)行維修、檢測、施工、危險排除等方面具有良好的應(yīng)用效果，改變?nèi)藗兊纳睢?/p>

筆者針對傳統(tǒng)繩鉤組在轉(zhuǎn)移爆炸物時，排爆隊(duì)員距離爆炸物較近這一缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一款以無人機(jī)為平臺的無人機(jī)爆炸物轉(zhuǎn)移機(jī)械臂系統(tǒng)。此款無人機(jī)爆炸物轉(zhuǎn)移機(jī)械臂系統(tǒng)可遠(yuǎn)距離操控，使用數(shù)據(jù)手套操控機(jī)械臂抓取物體，具有操作簡單、抓取效率高等特點(diǎn)。為排爆隊(duì)員的日常排爆工作提供了又一利器。

文章所述的無人機(jī)爆炸物轉(zhuǎn)移機(jī)械臂系統(tǒng)由無人機(jī)機(jī)械臂和仿生控制系統(tǒng)兩部分組成?？刂菩盘柌捎?.4g無線傳輸。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)械臂端

機(jī)械臂端由3部分構(gòu)成：無線視頻傳輸系統(tǒng)、機(jī)械臂、機(jī)械臂控制板。機(jī)械臂采用開源三舵機(jī)機(jī)械臂，可完成下降、抬升、抓取等動作。視頻傳輸系統(tǒng)可將機(jī)械臂圖像通過無線傳輸模塊實(shí)時傳輸?shù)讲僮鞫朔奖阌^察機(jī)械臂狀態(tài)。無線傳輸模塊采用基于5.8g無線傳輸協(xié)議的無線傳輸套件（RC832+TS832S），由于使用該頻段無線設(shè)備較少，有效避免了其他無線電帶來的干擾，實(shí)現(xiàn)了圖像數(shù)據(jù)的有效傳輸。

此外，該無線傳輸套件傳輸信號穩(wěn)定，信號傳輸距離遠(yuǎn)，可保證控制信號、視頻信號的可靠傳輸。機(jī)械臂控制板主要用于接收控制信號控制機(jī)械臂舵機(jī)的轉(zhuǎn)動從而帶動機(jī)械臂運(yùn)動。機(jī)械臂由3部舵機(jī)構(gòu)成，可實(shí)現(xiàn)抓取、釋放、抬升、降低等動作。它可滿足對物體的抓取及釋放的要求。此外，機(jī)械爪整體采用鋁合金加銅柱制成，有效在降低整體重量的同時，保證機(jī)械爪的強(qiáng)度。機(jī)械爪內(nèi)部采用波浪設(shè)計(jì)，防止抓取可疑爆炸物時發(fā)生打滑，使抓取更加穩(wěn)固，保證可疑爆炸物轉(zhuǎn)移時的安全。

機(jī)械臂端結(jié)構(gòu)圖如圖2。

2.2 操作端

操作端主要由FPV顯示器、體感數(shù)據(jù)手套兩部分組成。其中FPV顯示器內(nèi)置無線視頻接收模塊，采用5.8g無線信號傳輸視頻信號，可接收來自無人機(jī)機(jī)械臂的實(shí)時圖像，便于操作人員觀察機(jī)械臂的實(shí)時狀態(tài)，控制機(jī)械臂準(zhǔn)確抓取物體。顯示器屏幕采用LCD高清屏幕，屏幕分辨率為1080P，可高質(zhì)量的顯示機(jī)械臂端攝像頭拍攝的高清圖像，為機(jī)械臂的控制提供可靠保障。

體感數(shù)據(jù)手套能捕捉左、右手各5只手指的彎曲程度，同時能捕捉手掌運(yùn)動姿態(tài)，包括：加速度、角速度、角度。手指彎曲程度傳感器以阻值形式反映。

非彎曲狀態(tài)電阻：～9000Ω

90度彎曲電阻：～14000Ω

180度彎曲電阻：～22000Ω

內(nèi)部電路將阻值轉(zhuǎn)化為電壓值，通過32位處理器打包后輸出。輸出的數(shù)字信息即為機(jī)械臂的控制信息。該信息經(jīng)無線傳輸模塊傳輸?shù)綑C(jī)械臂端，通過解析為對機(jī)械臂上、中、下三部舵機(jī)的控制電流。通過電流的控制，三個舵機(jī)發(fā)生不同的轉(zhuǎn)動，協(xié)同完成機(jī)械臂的抬升、抓取、釋放等動作。

2.3 供電設(shè)計(jì)

為了提高設(shè)備的通用性及適配性，本系統(tǒng)采用10400mA，5V/12V雙輸出UPS移動電源。電源內(nèi)部采用18650-3.7V鋰電池電芯。內(nèi)部裝有鋰電池保護(hù)板，防止電池過充過放，有效確保電源使用安全。電源集成化程度高，體積小重量輕，電流輸出穩(wěn)定，為系統(tǒng)提供了可靠的供電。

3 結(jié)論

文章所述的無人機(jī)排爆機(jī)械臂系統(tǒng)，采用先進(jìn)的體感數(shù)據(jù)手套對機(jī)械臂進(jìn)行精確控制，抓取釋放操作更加直觀，同時配有3舵機(jī)機(jī)械臂，可輕易完成抓取、釋放、抬升、降低等操作。5.8g無線圖傳設(shè)備，提供了高清實(shí)時的視頻圖像，使操作員能夠?qū)C(jī)械臂的操作狀態(tài)及時調(diào)整。本系統(tǒng)不但可用于可疑爆炸物轉(zhuǎn)移，稍加改造還可用于災(zāi)害發(fā)生時，物品的投遞及危險地區(qū)物品的采樣。

參考文獻(xiàn)

[1]方龍，陳丹，肖獻(xiàn)保.基于單片機(jī)的機(jī)械手臂控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].廣西輕工業(yè)，2008（8）：89-90.

[2]李輝，鄧遵義.基于CAN總線分布式機(jī)械臂控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2011（2）：155-157.

[3]張默晗，張北，王天亮.無線信號傳輸裝置[Z].CN2015 14694U：，2010.

[4]曾省吾，吳春發(fā).一種無線信號傳輸與接收系統(tǒng)[Z]. CN1662062：，2005.