多功能探查機器人研制

周業峰 王冬梅 上海電機學院 200240

多功能探查機器人研制

周業峰 王冬梅 上海電機學院 200240

多功能探查機器人是根據特殊環境對無人機器人的要求而設計的。本文介紹了其總體結構和工作原理，著重分析視頻、控制、驅動系統關鍵技術和解決方案。多功能探查機器人靈活且易組合，具廣闊的應用價值。

多功能；機器人設計；探查

Multi functional exploration robot is based on the special environment of the unmanned robot requirements and design.This paper introduces the general structure and working principle, focuses on the analysis of video, driving system, control of key technologies and solutions.Multi functional exploration of robot flexible and easy assembly, has a broad application value.

1.設計背景

對于如核輻射、生化污染等人類不宜工作的危險地域或者用于地域狹小地理環境，需要無線遠距離遙控的機器人使危險區域有較遠的緩沖防護距離，從而可以保護人員免受危險。相比于大型的車式機器人而言，小型機器人因其尺寸、開發成本和性價比的優勢，并在狹小地域里實現靈活機動的目的，小型機器人的研究日益廣泛。多功能探查機器人就是一種適宜在危險環境中遠距傳輸信息的小型機器人。[1]

2.多功能探查機器人的結構和工作原理

2.1 總體結構

多用途探查機器人它包括機械部分、控制部分以及視頻部分如圖1。

機械部分包括一只機械手臂及抓手、一個能旋轉的攝像頭機架、機器人的驅動系統等組成。在機械部分中，由若干機械手臂支架、第一舵機、第二舵機、第三舵機、第四舵機以及第五舵機組成，其中第一舵機控制機械抓手的開合動作，第二舵機控制機械手的軸向轉動動作，第三舵機、第四舵機控制機械手臂的上下擺動和先后伸縮的運動，第五舵機控制機械手臂的垂直方向的轉動，即左右轉動的自由度運動。攝像頭機架能旋轉的設置在主平臺上，攝像頭機架由第六舵機和若干安裝支架組成。攝像頭機架的最大旋轉角度為220度。

在控制部分，使用的是無線電控制發射機來控制機器人。而接收器是機器人內的天線和電路板組成，用于接收發射機發出的信號，并按發射機的命令觸發機器人內的舵機工作。發射機向接收器發送無線電波。使用頻率為27MHz～45MHz波段，設有兩塊芯片分別控制機器人驅動和機械手臂與攝像機架的動作，包括用于控制機器人驅動的第一驅動芯片、用于控制機械手臂與攝像機架動作的第二驅動芯片以及控制器，第一芯片安裝于底盤上，第二芯片安裝于主平臺的后端部。[2]

視頻部分采用的是無線視頻傳輸系統，由一臺視頻發射器和兩組攝像頭組成。其中第一個攝像頭安裝于前部，第二攝像頭安裝于后端機架之上，前部攝像頭可以探查前方廣闊的視野，而后部攝像頭置于攝像頭機架上可以觀察后部和兩旁的盲區。用于將第一攝像頭和第二攝像頭產生的視頻信號發出的視頻發射器和用于接收視頻發射器信號的視頻接收器位于主平臺的后端部。

圖1 機器人的機構說明示意圖

2.2 工作原理

在操作過程中，攝像頭1和攝像頭2所采集的前方和后方圖像通過視頻發射器發射，操作人員在遠距離利用視頻接收器接受信號，通過計算機顯示屏顯示實時圖像來對機器人進行操作。當前方顯示障礙物時，操作人員即可操縱遙控裝置使機器人繞開前方障礙。而當到達制定地域，則可利用機械抓手、舵機1、2、3、4、5等實現3自由度的運動對指定目標實現抓取。同時，裝載在后方攝像頭機架上舵機6的水平轉動可讓攝像頭2獲得機器人后方較寬的視野。

3.關鍵技術及解決方案

3.1 無線視頻傳輸

視頻部分較原無線視頻系統功率較小容易受到建筑物的屏蔽和外部電磁環境的干擾，增大了功率以提高抗干擾了能力。一組視頻系統由一發射器、一接收器和一組12v電池組成。整機共有兩組視頻系統，根據不同的任務要求可以增加和減少視頻系統數目。而攝像頭則采用微型紅外攝像頭同時能滿足減輕自身重量和在夜間午光源的情況下來完成圖像采集的要求，而視頻部分具有若干個傳輸通道，工作頻率為1.2G～1.3G，傳輸距離為500至1000米，在建筑物和干擾源較多的城市中，實現的傳輸距離可能會受到影響，所以在選擇發射器和接收器之時選取了民用設備可用的最大發射頻率來增強機器人的此項功能。

兩組攝像頭可以360度的觀察四周的所有動向，加之無線遙控距離較遠就可以實現遠距離的時時的探查工作，而操作者可以根據視頻接收器接收到的視頻圖像進行下一步操作，如利用機械手臂抓取或排除障礙物等情況。[3]

3.2 控制系統傳輸原理

遙控器是一個手持式裝置，其中包含控制器和無線電發射器。發射器通過27MHz向機器人內的接收器發送信號。發射器有一個電源，為9伏電池，為信號的控制和傳輸提供動力。

操作遙控器即對觸發器發出指令使一對電觸點接觸，連接到集成電路 (IC) 的特定管腳，將電路閉合。電路閉合使發射器發射固定序列的電脈沖。每個序列包含一小組同步脈沖，后面緊跟脈沖序列。 對于機器人而言，同步段提醒接收器有信息到達是四個時段為2.1毫秒（一千分之一秒）的脈沖，之間有700微秒（一百萬分之一秒）的間隔。脈沖段用于向天線傳達新信息的內容，使用的是間隔為700微秒的700微秒脈沖。[4]

3.3 驅動系統設計

機器人整機采用的是四驅動的運動操作，具有六種控制操作：前進、倒退、向左前進、向右前進、向左倒退、向右倒退。四組獨立的電機使得機器人擁有優越的操控性。即機器人的四個輪子分別有一個電機控制其的轉向，與單純的前驅或后驅相比，機器人在的機動性能上可以實現極限位置的瞬時變換，運動相當靈活。驅動電機又采用的是多級降速，可以提供較大的傳動力矩和扭矩。

控制機器人運動的芯片板也獨立于控制機械手臂的芯片板，相互之間沒有干擾，避免了一個控制系統故障導致全系統的癱瘓。由于采用的是電池驅動，在由驅動造成的噪聲影響方面較小。同樣，機械臂采用的是六組舵機來實現六個關節的驅動，即六通道來分別控制六個舵機，每組舵機都可以實現兩通道的運動。通過調整脈沖的頻率可以實現舵機移動點位的精確控制，使得整個機械手完成控制者操作指令。[5]

3.4 機器人材料特點

機器人的整體機械部分的材質為鋁合金，采用的模塊化的組裝，可以盡可能地減輕機器人本身的自重減小自身的電能損耗，延長工作時間。整個機器人的尺寸規可以設計成250×180×250mm，所以整個機器人的機身較小，加之機械部分采用高強度鋁合金材料（杜絕厚亞克力材料沉重，薄亞克力材料易碎的弊端），保證了機器人自身的剛度和強度，可以滿足高強度、惡劣的地理環境下的操作。

4.結語

多功能探查機器人是模塊化組裝，制造成本較大型同類的機器人來得性價比更高，尤其可以根據不同的任務特點安裝不同的儀器設備來實現任務要求。同時，由于機器人機身可利用空間較小、外形結構較為開發，所以易受到自身空間和外部環境的影響。然而，配置專用的儀器設備則可以滿足機器人應用領域已日益廣泛，功能也日趨多樣化的趨勢，提升多功能探查機器人的應用能力，具有相當的再開發潛能。

[1]肖南峰.智能機器人的研究與開發[A]見：2005全國先進制造單裝備與機器人技術高峰論壇論文集[C].中國自動化協會.中國機械工程學會,2005.42～48

[2]周遠清，張再興.智能機器人系統.北京：清華大學出版社，198 9

[3]王灝, 毛宗源.機器人的智能控制方法.北京：國防工業出版社，2002

[4]席裕庚，陳衛東.機器人向自能化的發展及其關鍵技術[A].見：2005中國自動化產業高峰會議暨中國企業自動化和信息化建設論壇論文集[C].上海：中國自動化協會.上海市科協，2005.17～20

[5]朱慧玲.教學機器人的開發與設計[J].機電產品開發與創新，2007（2）:17～19.

[6]張文強，薛向陽，張睿，等.智能機器人.中國，CN200730081396.8[P].2008-11-05

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.24.070

2010年上海市大學生創新計劃項目，專利申請號：201110126237.0

周業峰，男，上海電機學院機械設計制造及其自動化專業。

王冬梅，女，工學博士，上海電機學院機械學院副教授。