摘 要：排爆機(jī)器人控制可分為小車(chē)的行走控制和機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)控制。小車(chē)的行走控制需要進(jìn)行“路程規(guī)劃”以實(shí)現(xiàn)小車(chē)避障和向目標(biāo)物（可疑爆炸物）靠近，而機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)控制需要進(jìn)行“軌跡規(guī)劃”以避開(kāi)障礙物實(shí)現(xiàn)避碰，順利抓取、搬運(yùn)目標(biāo)物。此機(jī)器人控制系統(tǒng)是開(kāi)放式系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了智能化和網(wǎng)絡(luò)化。遠(yuǎn)程管理機(jī)房電腦可以顯示現(xiàn)場(chǎng)機(jī)器人手爪、目標(biāo)物、障礙物。 關(guān)鍵詞：排爆機(jī)器人 控制系統(tǒng) 網(wǎng)絡(luò)化 Abstract: A robot which is used to eliminate explosive objects needs to control its walking and the motion of its hand. Walking control needs so-called “making track out” to make robot shun obstacles and catch and remove the explosive object . The control system is an open system and connected in network and is intelligent .In CRT of the computer in the remote administration room, the hand of robot ,explosive object, and obstacles can be seen. Key word: Explosive–removal robot; control system ; network 引言 　　排爆機(jī)器人屬于搬運(yùn)機(jī)器人的一種類(lèi)型，很多搬運(yùn)機(jī)器人是模仿人類(lèi)的動(dòng)作，用來(lái)幫助或部分代替人來(lái)進(jìn)行繁重、危險(xiǎn)、重復(fù)等工作。排爆機(jī)器人模仿人類(lèi)的行走、抓取物體的動(dòng)作，可以被用來(lái)排除現(xiàn)場(chǎng)的爆炸物。排爆機(jī)器人機(jī)械部分包含行走小車(chē)和機(jī)械手臂。 1 排爆機(jī)器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 　　排爆機(jī)器人控制系統(tǒng)不再采用原來(lái)機(jī)器人所采用的PLC控制方式，而是基于嵌入式工控機(jī)的基礎(chǔ)上，采用基于Linux平臺(tái)的開(kāi)放式構(gòu)件庫(kù)，運(yùn)算速度極快，可以達(dá)到微秒級(jí)。排爆機(jī)器人控制系統(tǒng)由三部分組成，即傳感器部分、機(jī)器人本體、操作控制臺(tái)組成。傳感器部分包含寬接入、多信息融合器。寬接入、多信息融合基于ARM9系統(tǒng)，由12位精度以上A/D、32路I/O、RS232通訊接口組成，能融合多種傳感器信號(hào);機(jī)器人本體包含嵌入式控制計(jì)算機(jī)和各關(guān)節(jié)伺服電機(jī)，能驅(qū)動(dòng)各軸（帶補(bǔ)償），分配各軸運(yùn)動(dòng)，處理和控制各種狀態(tài)量;操作控制臺(tái)部分包含主控PC機(jī)、指令解碼器、圖像解碼器、無(wú)線(xiàn)接收發(fā)射器等。CCD攝像機(jī)和超聲波傳感器所獲得的圖像信息、障礙物信息，經(jīng)無(wú)線(xiàn)傳輸至主控PC機(jī)。主控PC機(jī)使用圖像識(shí)別和分析技術(shù)獲得對(duì)象物體的形狀和位置信息，同時(shí)將目標(biāo)物、障礙物等三維圖像信息顯示在計(jì)算機(jī)屏幕上。在人工指明目標(biāo)物后，主控PC機(jī)經(jīng)人工智能（模式識(shí)別、路徑規(guī)劃、軌跡避碰等）計(jì)算;將控制指令通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳輸給機(jī)器人本體嵌入式控制計(jì)算機(jī)，自動(dòng)控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。基本結(jié)構(gòu)如圖1所示： [align=center] 圖1排爆機(jī)器人控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)[/align] 2 小車(chē)的行走控制 　　人工通過(guò)控制桿（或按鈕），在小車(chē)引導(dǎo)圖像（可視信號(hào)）的指示下，完成前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)和原地旋轉(zhuǎn)的功能直至達(dá)到機(jī)械手的手爪能抓取可疑爆炸物的位置為止。機(jī)器人的平衡是利用整機(jī)的動(dòng)力學(xué)算法求得，將求得多種數(shù)據(jù)去控制機(jī)器人手臂的空間姿態(tài)從而達(dá)到整機(jī)平衡而不至于倒覆。例如當(dāng)小車(chē)在斜坡作上升運(yùn)動(dòng)時(shí)，機(jī)器人手臂往前靠以保持整機(jī)的平衡。小車(chē)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中需要避開(kāi)可能遇到的障礙物。通過(guò)環(huán)境傳感器如CCD攝像、超聲波傳感器等取得障礙物大小及環(huán)境信息，實(shí)現(xiàn)小車(chē)避障，即所謂的路徑規(guī)劃（如圖2所示） [align=center] 圖2 排爆機(jī)器人路徑規(guī)劃示意圖[/align] 3 機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)控制 　　機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)控制（如圖3）是多級(jí)控制系統(tǒng)：位于最上層的AI級(jí)是人工智能層。它是利用CCD攝像機(jī)和超聲波等傳感器獲得障礙物輪廓與距離以避開(kāi)障礙物實(shí)現(xiàn)避碰，這就是“軌跡規(guī)劃”（如圖4）。 [align=center] 圖3 機(jī)械手多級(jí)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng) 圖4 機(jī)械手軌跡規(guī)劃示意圖[/align] 　　位于中間層的控制是機(jī)械手抓取運(yùn)動(dòng)控制中最關(guān)鍵的部分。它實(shí)際上是一個(gè)補(bǔ)間器。機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)控制可分為姿態(tài)控制與手位置控制。腰、大臂、小臂、手爪的控制，是由主控計(jì)算機(jī)通過(guò)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)位移問(wèn)題進(jìn)行反向運(yùn)動(dòng)求解，得出腰、大臂、小臂、手爪的位置，然后給出各關(guān)節(jié)位置指令傳至上述關(guān)節(jié)的嵌入式系統(tǒng)控制計(jì)算機(jī)，完成帶有速度反饋環(huán)的位置控制。四個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)速度通過(guò)機(jī)械手的軌跡規(guī)劃來(lái)決定，從而避免機(jī)械手的蛇形運(yùn)動(dòng)。由于有觸覺(jué)傳感器，手爪可以自動(dòng)控制，也可以是在圖像信號(hào)的指引下作精細(xì)“柔軟控制”。抓取可疑爆炸物時(shí)，控制手爪夾持力約大于可疑爆炸物脫落重力，不至用力過(guò)大而夾壞可疑爆炸物，從而完成專(zhuān)家指定的動(dòng)作。 　　位于最下層是控制級(jí)位置控制器與速度調(diào)節(jié)器均采用成熟的PID（包括P、PI、PD）控制。當(dāng)PID控制其選擇合適的參數(shù)時(shí)，具有一定魯棒性，簡(jiǎn)單、實(shí)用。當(dāng)PID無(wú)法實(shí)現(xiàn)有效控制時(shí)，可改進(jìn)之或結(jié)合其它方法，如前饋控制。運(yùn)動(dòng)控制包括機(jī)械手各個(gè)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)控制和行走運(yùn)動(dòng)，初步統(tǒng)計(jì)控制回路有13路，如圖5所示。 [align=center] 圖5 自動(dòng)控制原理圖[/align] 　　嵌入式控制計(jì)算機(jī)根據(jù)上位計(jì)算機(jī)傳來(lái)的位置與速度信號(hào)，對(duì)各個(gè)伺服機(jī)構(gòu)進(jìn)行位置與速度設(shè)定，按控制規(guī)律（如PID）對(duì)伺服電機(jī)進(jìn)行控制，使實(shí)際位置按預(yù)計(jì)的速度跟蹤或運(yùn)動(dòng)到目標(biāo)位置。 　　機(jī)器人的手眼協(xié)調(diào)系統(tǒng)：機(jī)器人的手眼協(xié)調(diào)系統(tǒng)是本系統(tǒng)最大亮點(diǎn)之一。由于于補(bǔ)間器算法需要知道目標(biāo)物與機(jī)器人基坐標(biāo)（一般是機(jī)械人的腰關(guān)節(jié)底座），相對(duì)空間座標(biāo)才能求解。而本系統(tǒng)目標(biāo)物是在未知環(huán)境里。這相對(duì)坐標(biāo)必須由于手眼協(xié)調(diào)系統(tǒng)來(lái)求解。排爆機(jī)器人機(jī)械手上裝有雙目系統(tǒng)，利用雙目系統(tǒng)和目標(biāo)物可構(gòu)成“測(cè)矩三角型”，原理示意如圖6。測(cè)矩三角型求得距離誤差較大，需要利用激光測(cè)距的“光斑”輔助測(cè)矩，從而獲得坐標(biāo)物的空間座標(biāo)。隨著機(jī)器人的雙目接近目標(biāo)物，目標(biāo)物與基坐標(biāo)的相對(duì)坐標(biāo)精度提高，經(jīng)過(guò)數(shù)次雙目逼近目標(biāo)物之后，最終實(shí)現(xiàn)機(jī)械手準(zhǔn)確地抓到目標(biāo)物。 [align=center] 圖6 測(cè)矩三角型原理圖[/align] 　　當(dāng)機(jī)器人自動(dòng)抓取失敗之后，操縱者可利用手動(dòng)系統(tǒng)完成抓取。這是任何一個(gè)產(chǎn)品在自動(dòng)失靈之后必須具備的功能。機(jī)器人的雙目獲得的圖像信息，通過(guò)處理，在控制臺(tái)的顯示器上形成監(jiān)控圖像，以便操控者以鼠標(biāo)點(diǎn)取多個(gè)物體中的可疑物體。 4 控制系統(tǒng)的通信系統(tǒng) 　　機(jī)器人與現(xiàn)場(chǎng)操縱控制臺(tái)主控計(jì)算機(jī)之間采用串口無(wú)線(xiàn)通訊。現(xiàn)場(chǎng)主控計(jì)算機(jī)與遠(yuǎn)程監(jiān)控中心采用CDMA通訊技術(shù)進(jìn)行無(wú)線(xiàn)圖像傳輸。通訊系統(tǒng)中任何一點(diǎn)均可觀察到現(xiàn)場(chǎng)目標(biāo)物和機(jī)器人的狀態(tài)。 　　在實(shí)驗(yàn)室和工業(yè)應(yīng)用中，受信道成本限制，串口常常作為計(jì)算機(jī)與外部串行設(shè)備之間的首選數(shù)據(jù)傳輸通道，而且由于串行通信方便易行，許多設(shè)備和計(jì)算機(jī)都可以通過(guò)串口對(duì)外設(shè)進(jìn)行控制、檢測(cè)，串口通信日益成為計(jì)算機(jī)和外設(shè)進(jìn)行通信、獲取由外設(shè)采集到的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的一個(gè)非常重要的手段。為了解決有線(xiàn)通信的局限性，考慮到機(jī)器人自規(guī)劃、自組織、自適應(yīng)能力強(qiáng)、所處環(huán)境不確定的特點(diǎn)，無(wú)線(xiàn)通信是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人與計(jì)算機(jī)之間通信的理想方式。因此采用無(wú)線(xiàn)數(shù)傳模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸是排爆機(jī)器人中重要的一環(huán)。無(wú)線(xiàn)數(shù)傳模塊體積小、使用方便，能遠(yuǎn)距離地操控機(jī)器人從而有效保護(hù)操作人員安全。 　　所謂CDMA（碼分多址技術(shù)）是一種以擴(kuò)展通訊系統(tǒng)為基礎(chǔ)的載波調(diào)制與多址連接技術(shù)。CDMA具有許多的優(yōu)點(diǎn)，其中一部分是擴(kuò)展系統(tǒng)所固有的，另一部分是由軟件切換和功率控制所帶來(lái)的，CDMA通訊網(wǎng)絡(luò)是由擴(kuò)頻網(wǎng)、多址接入、蜂窩網(wǎng)絡(luò)和頻率再用等技術(shù)結(jié)合而成，含有頻域、時(shí)域和碼域三維信號(hào)處理的一種協(xié)作，因此它具有抗干擾性能好、抗多徑衰落、保密安全性能高. 5 結(jié)論及展望 　　本文的創(chuàng)新點(diǎn)在于此排爆機(jī)器人控制系統(tǒng)是一個(gè)開(kāi)放式控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)成功的結(jié)合了雙目視覺(jué)測(cè)距、智能控制算法，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的智能化和網(wǎng)絡(luò)化功能。該設(shè)計(jì)的適用性很廣，只要依據(jù)需求進(jìn)行適當(dāng)修改即可設(shè)計(jì)出適用其他功能機(jī)器人的控制系統(tǒng)，具有較高的參考價(jià)值。 　　通過(guò)該系統(tǒng)的研究與開(kāi)發(fā)，必將提高排爆機(jī)器人的自動(dòng)控制水平，提高排爆機(jī)器人的操作性與可靠性，對(duì)于保障公共安全、提高排爆效率有很大幫助。 參考文獻(xiàn)： 　　[1] 許永錫,蔣梁中. 基于MatlabRTW的排爆機(jī)器人控制系統(tǒng)。微計(jì)算機(jī)信息，文章編號(hào)：1008-0570（2006）02-2-0218-03 　　[2] 周學(xué)才，李衛(wèi)平，李強(qiáng).開(kāi)放式機(jī)器人通用控制系統(tǒng)[J]. 機(jī)器人，1998（01）. 　　[3] 付京遜. 機(jī)器人學(xué)——控制·傳感器技術(shù)·視覺(jué)·智能.北京：中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社，2000（04）.人全氣動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]. 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