無人機排爆機械臂的設計與實現

高軍 鄔江

摘 要 在日常排爆工作中，當排爆隊員發現可疑爆炸物，通常選擇轉移拆除的處理方式。而在轉移過程中，排爆隊員需要借助繩鉤組等設備進行轉移。在操作過程中，由于鉤掛繩索的需要以及繩索質地柔軟這一特性，使得排爆隊員在爆炸物轉移過程中不得不近距離操作。這難免威脅到排爆隊員的人身安全。筆者在長期工作中，結合當今先進科技手段設計了一套安裝在無人機的爆炸物轉移機械臂系統。此機械臂系統可遠距離無線操作，排爆隊員可遠距離操控即可完成對爆炸物的轉移。由于載體為無人機，操作范圍小，抓取后可迅速投放到排爆罐，相比傳統繩鉤組時間更短，安全系數更高。

關鍵詞 無人機；無線圖傳技術；無線遙控機械臂；體感數據手套

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

1 背景

隨著社會的不斷發展，各種矛盾不斷凸顯，世界反恐形勢日趨嚴峻。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。排爆隊員作為反恐處突的中堅力量，肩負著及時排除爆炸物，保衛人民生命財產的重任。而由于科技的不斷進步，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。這對排爆隊員的人身安全造成了巨大危害。

無人機與機械臂的有效結合，是當前較為先進的應用理念，有效地擴展了其自身的應用領域范圍，尤其是在當前的排爆過程中，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，全球每年都會發生數千起恐怖主義活動，對人們的生命財產安全造成嚴重的威脅，例如，2001年美國的世貿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，造成嚴重的經濟損失，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，逐漸成為當前恐怖分子的重要手段，并成為當前各國政府首要解決的問題。積極進行排爆理念創新，可以有效地促使當前的排爆方式逐漸多樣化，在不斷的發展過程中，排除爆炸危險品，并保證排爆人員的安全。

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

例如，當前全球知名的機器人公司Enerigid將當前的無人機與機械手臂進行有效的融合，積極進行與探索，逐漸躋身于行業的前列。并且其現階段已經在探索國際空間站（ISS），靈活使用移動機器人平臺，以實現科技的突破。日本在發展過程中也積極對當前的無人機與機械臂結合領域進行探索，例如，日本著名的無人機制造商PRODRONE研究出擁有機械臂的無人機，并將其命名為PD6B-AW-ARM，其無人機自身具有一對完整的機械臂，靈活度較高，最大可抓起10kg重物體，并具有較強的續航能力，被廣泛的應用在各行各業中。

在實際的應用過程中，該型號的無人機機械臂還可以利用自身的機械臂對整體無人機機身進行固定，甚至可以實現間歇性休息，保證無人機可以像小鳥一樣“站在”樹干上休息，實現其智能化。無人機與機械臂的有效結合，代表著當前科學技術的創新與智能理念的合理應用，為各行各業的發展提供全新的理念，尤其是對當前的較為危險的行業來說，在進行維修、檢測、施工、危險排除等方面具有良好的應用效果，改變人們的生活。

筆者針對傳統繩鉤組在轉移爆炸物時，排爆隊員距離爆炸物較近這一缺點，設計了一款以無人機為平臺的無人機爆炸物轉移機械臂系統。此款無人機爆炸物轉移機械臂系統可遠距離操控，使用數據手套操控機械臂抓取物體，具有操作簡單、抓取效率高等特點。為排爆隊員的日常排爆工作提供了又一利器。

文章所述的無人機爆炸物轉移機械臂系統由無人機機械臂和仿生控制系統兩部分組成?？刂菩盘柌捎?.4g無線傳輸。系統結構圖如圖1所示。

2 硬件設計

2.1 機械臂端

機械臂端由3部分構成：無線視頻傳輸系統、機械臂、機械臂控制板。機械臂采用開源三舵機機械臂，可完成下降、抬升、抓取等動作。視頻傳輸系統可將機械臂圖像通過無線傳輸模塊實時傳輸到操作端方便觀察機械臂狀態。無線傳輸模塊采用基于5.8g無線傳輸協議的無線傳輸套件（RC832+TS832S），由于使用該頻段無線設備較少，有效避免了其他無線電帶來的干擾，實現了圖像數據的有效傳輸。

此外，該無線傳輸套件傳輸信號穩定，信號傳輸距離遠，可保證控制信號、視頻信號的可靠傳輸。機械臂控制板主要用于接收控制信號控制機械臂舵機的轉動從而帶動機械臂運動。機械臂由3部舵機構成，可實現抓取、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，保證機械爪的強度。機械爪內部采用波浪設計，防止抓取可疑爆炸物時發生打滑，使抓取更加穩固，保證可疑爆炸物轉移時的安全。

機械臂端結構圖如圖2。

2.2 操作端

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

體感數據手套能捕捉左、右手各5只手指的彎曲程度，同時能捕捉手掌運動姿態，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。

非彎曲狀態電阻：～9000Ω

90度彎曲電阻：～14000Ω

180度彎曲電阻：～22000Ω

內部電路將阻值轉化為電壓值，通過32位處理器打包后輸出。輸出的數字信息即為機械臂的控制信息。該信息經無線傳輸模塊傳輸到機械臂端，通過解析為對機械臂上、中、下三部舵機的控制電流。通過電流的控制，三個舵機發生不同的轉動，協同完成機械臂的抬升、抓取、釋放等動作。

2.3 供電設計

為了提高設備的通用性及適配性，本系統采用10400mA，5V/12V雙輸出UPS移動電源。電源內部采用18650-3.7V鋰電池電芯。內部裝有鋰電池保護板，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，電流輸出穩定，為系統提供了可靠的供電。

3 結論

文章所述的無人機排爆機械臂系統，采用先進的體感數據手套對機械臂進行精確控制，抓取釋放操作更加直觀，同時配有3舵機機械臂，可輕易完成抓取、釋放、抬升、降低等操作。5.8g無線圖傳設備，提供了高清實時的視頻圖像，使操作員能夠對機械臂的操作狀態及時調整。本系統不但可用于可疑爆炸物轉移，稍加改造還可用于災害發生時，物品的投遞及危險地區物品的采樣。

參考文獻

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