基于触屏控制的遥操作排爆机器人设计

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(上海交通大学机械与动力工程学院，上海 200240)

0 引言

随着国际上恐怖主义活动日益猖獗，排爆机器人已成为保障社会安全，减少公安人员伤亡的必备装备。排爆机器人主要用于代替人工，直接在案发现场排除和处理爆炸物以及其他危险品，是排爆专业队伍中必不可少的重要装备[1]。排爆机器人的研制始于20世纪60年代，英国Morfax公司生产的“小推车”举世闻名，采用橡胶履带，有一整套的无线电控制系统及彩色电视摄像机，已向多个国家军警部门出售[2]。美国Wolstenholme机器公司生产的MR5和MR7排爆机器人备有6个车轮、1套活动履带，必要时将履带装上，能够适应多种地形活动[3]，缺点是外形尺寸大，更换履带费时费力。国内多家机构也积极开展相应的研究。中国科学院沈阳自动化研究所研究的“灵蜥”多功能排爆机器人采用轮腿履复合型运动机构，具有很好的越障能力，手臂具有4自由度，配备了多功能工具包[4]，手臂可作业范围有限。中国航天科工集团公司自主研制了第二代排爆机器人“雪豹- 10”，在操控性能、运动性能和机械臂控制精度上高于其他同类产品，且具有一定自主能力，可在有限的人工参与下半自动地完成搜爆排爆任务。上海交通大学的陈曦等人研究了一种八轮式排爆机器人，该机器人用平板电脑控制，移动机构采用独特的八轮结构，越障能力强，但是体型较大，使用场合受限[5]。

综上所述，排爆机器人普遍存在体型较大，作业范围有限的问题。结合实际应用需求，设计的排爆机器人运动机构采用了轮摆履复合的结构，有很好的越障能力，机器人车体宽40.5 cm,能够应用于行走空间较窄的场合；机械臂共6自由度，伸展可达2 m，作业范围大；控制方式采用触摸屏遥控或者线控的方式，获取的图像清晰稳定，并且具有虚拟机器人交互的功能，提高了操作效率。

1 机器人机械结构设计

摆臂式排爆机器人的车体结构如图1所示。整个移动平台共有4组轮系和摆臂的组合结构，分别分布在底盘的四角，每组结构包含1个车轮和1只摆臂，并且利用履带将两者耦合在一起，车轮和摆臂分别由1个电机驱动。在行走前进和后退过程中，左右2组车轮等速自转实现正常的行驶功能；在转弯过程中，左右2组车轮差速转动从而实现大半径转弯和原地转弯；在越障过程中，通过调整单个摆臂或者分组调整摆臂从而跨越障碍物。这种独特的轮摆结构具有很好的移动性和越障能力。

该排爆机器人的机械臂结构如图2所示。机械臂共6个自由度，包括腰回转、大臂俯仰、中臂俯仰、小臂俯仰、腕回转和手爪开合，各关节都采用直流伺服电机驱动。手爪开合属于独立自由度，剩下的5个自由度形成了空间冗余结构，从而可以实现机械臂末端联动的功能。

图1 机器人车体结构 图2 机器人机械臂结构

该机器人车体窄，机械臂较长，且可以站立行走，如图3所示，大大增加了工作空间，可以广泛应用到汽车、高铁和飞机的反恐排爆活动中。

图3 机器人站立姿态

2 机器人运动控制系统设计

该排爆机器人的运动控制系统架构如图4所示。机器人共14个自由度，皆由同一个控制器控制。

图4 机器人运动控制架构

车体的控制包含4个车轮电机的控制和4个摆臂电机的控制。手臂的控制包含6个电机，其中包括了2个回转关节的控制、3个俯仰关节的控制和手爪的开合控制。手臂的控制方式有单轴点动和末端联动2种控制方式，所有的控制都是通过EtherCAT总线来控制的。运动控制系统的功能结构如图5所示。

图5 运动控制系统的功能结构

排爆机器人采用了Beckhoff控制器，其底层系统软件主要为TwinCAT3,主要使用PLC ST语言和C++，PLC ST在软件底层可以很好地支持浮点运算；控制器支持EtherCAT总线协议、EtherNet通信和RS232通信。该控制器利用EtherCAT总线，传输速率快，只需30 μs就可以更新1 000个I/O口，131 μs就可以传输64个开关量，且可靠性高，具有很好的实时性和同步性，可以很好地满足控制需求。

排爆机器人所用的驱动器为ELMO公司的G- MOLWHI系列，可以实现速度环控制、位置环控制和电流环控制，并支持EtherCAT通信和RS232通信，此外还留有少量的I/O口，可以作为扩展功能使用。

3 机器人遥操作的设计与实现

遥操作控制在移动机器人平台上的应用是现阶段遥操作主要研究点之一[6]。复杂环境遥操作排爆机器人可在复杂且危险的环境下，由人在远端遥操作，代替人去现场执行勘测、采样等多种任务[7]。

在此，排爆机器人遥操作的实现，主要基于可靠的通信系统、图像实时传输系统和虚拟机器人交互系统。通信系统负责遥操作控制中控制信息和图像的传递；图像系统是观察现场的眼睛；虚拟机器人可以反馈机器人实时姿态。

3.1 通信系统的设计与实现

本文主要讨论上位机控制软件和下位机机器人控制器之间的通信系统。排爆机器人上、下位机之间的通信分为无线和线控2种方式，且2种通信方式之间可以切换。线控通信方式通过RJ45接口实现。对于无线通讯方式，采用2部AirMesh900电台来实现，一部设置为AccessPoint模式与上位机通过RJ45接口连接，另一部设置为Station模式与下位机机器人控制器通过RJ45接口连接。将2部电台IP地址设置为同一网段，在通电后就会自动握手连接，该型号电台，传输速率可达20 Mbit/s，非视距可以达到100～500 m，且工作稳定，能够很好地满足通信需求。通信系统结构如图6所示。

图6 通信系统结构

上、下位机数据传输协议使用ADS通信协议，即自动化设备规范，该协议描述了一种与设备和现场总线无关的接口，管理ADS 设备的通讯渠道。ADS 是在Beckhoff控制器TwinCAT 系统中读取和写入数据，以及进行指令传输的独立于介质的协议，底层基于TCP/IP协议，是一种专有协议。

3.2 多路图像实时传输系统实现

图像模块借助于C#的Winform框架实现，编译环境为Win10系统。排爆机器人共安装了5路海康数字摄像头。其中，车前和车后各安装了1路摄像头，用于在车行驶过程中观察车前后状况；在腰部也安装了1路广角摄像头，可以随着腰的回转而回转，用于观察全局环境；在中臂安装了1路针孔摄像头，用于观察中臂后面关节的姿态；在手爪处也安装了1路针孔摄像头，用于观察手爪抓取情况。

选用的摄像头支持多种获取视频流的方式，如TCP，UDP，RTP等方式。考虑到图像系统实施的稳定性和方便性，机器人图像系统采用了TCP的方式通过摄像头的RJ45接口来获取视频流。该摄像头还支持多种参数的修改，这些参数主要包括码流类型、分辨率、图像质量、视频码率、视频帧率和视频编码类型。当设置好参数后，摄像头按照所设参数自动对视频流编码和解码。考虑到实际应用场合的要求，包括视频流畅度、视频质量和通信带宽等因素，再结合摄像头实验的结果，参数确定如表1所示。图像实时显示系统支持5路视频流同时实时显示和录像，也支持单路图像放大或者缩小显示。

表1 摄像头参数

3.3 虚拟机器人交互功能实现

利用摄像头可以观察周围环境和手爪抓取情况，但是很难了解到机器人本体的位姿信息，为了改善此情况，为排爆机器人设计了虚拟机器人，使之能够反馈机器人机械臂本体的位姿，这显著提高了操作者的作业效率。

建立虚拟交互机器人的前提是需要机器人三维模型。本文用Pro/E对排爆机器人建模，考虑到交互实时性需求，故在建模时忽略掉了一些小零部件，这样会有效地减轻计算负担，只对机械臂各关节、车体和摆臂9个部件三维建模。

利用Unity3D作为虚拟交互软件平台，在该平台建立虚拟机器人实现交互功能。为了使三维模型适应Unity3D，将Pro/E中的三维模型导出为Unity3D支持的obj格式，再添加入Unity3D中，然后为模型添加材质，增强显示效果。为了实现虚拟机器人各部件之间的随动，在Unity3D中采用树状节点的方式对各关节分类，父节点包含子节点，子节点又作为父节点包含另外的子节点，这样实现了子节点跟随父节点随动。

然后，改变各部件中心坐标和旋转角度，完成虚拟机器人的装配。编写脚本，将脚本附到某一个GameObject对象，将程序中的各个GameObject对象指定到对应的部件，再在脚本中添加GUI设计，最后将Unity3D工程导出为交互窗体。在该窗体的GUI中添加了虚拟机器人正视、俯视、侧视视图的切换功能，以及各部件运动角度的显示。

对于虚拟机器人和机器人本体的交互，在上位机控制软件和虚拟机器人之间采用UDP通信来实现机器人位姿信息的传输，虚拟机器人接收到相应的位姿信息后更新各部件姿态并显示。

4 触控端软件整体架构设计

4.1 软件功能需求分析

本文设计的排爆机器人的触控端软件功能分为3部分:机器人运动控制、图像实时显示和虚拟机器人动态交互。

机器人运动控制功能主要分为摆臂的单轴点动、摆臂的分组控制和耦合控制、车体行驶控制、机械臂各关节的单轴点动、机械臂末端联动和抓取、机器人辅助功能。根据机器人运动控制功能需求，在机器人控制软件中增加了3种控制模式，各模式之间可以直接切换，3种模式如下：

a.一般模式下，主要实现摆臂的单轴点动和机械臂各关节的单轴点动。

b.车模式下，主要实现车体的前进、后退、行进中转弯和原地转弯。

c.手模式下，主要实现机械臂的末端联动和抓取。

考虑到机器人实际作业的要求，摆臂的分组控制和耦合控制以及机器人辅助功能在3种模式下都可以运行。摆臂分为前摆臂和后摆臂2组，可以对每组摆臂单独控制，当同时控制2组摆臂同时向上或者向下运动时实现了耦合控制。机器人辅助功能有速度调节、机器人运动暂停和急停、急停复位、各关节一键还原姿态、机械臂一键摆抓取姿态、机器人使能状态显示、通信状态显示、错误消息显示，以及运动信息显示等。

图像实时显示功能主要实现5路图像的同步实时显示、单路图像的放大显示和各路图像的录像功能。

虚拟机器人动态交互主要实现机械臂和摆臂的姿态动态更新、各关节运动角度显示。

4.2 软件整体架构设计与实现

车模式下车体的行驶控制与手模式下机械臂末端联动控制和抓取，借助于SMC3系列三轴霍尔操纵杆。该操纵杆为数字量摇杆，精度高，头部带有按钮，适用于RS232通信。车模式车体的控制用X轴来控制车体的前进和后退，Y轴来控制车体原地转弯，X轴和Y轴结合进行行驶中转弯；手模式机械臂的控制分别用X轴、Y轴和Z轴来控制机械臂末端在全局坐标系相应方向的平动，三轴结合来控制机械臂末端的复合运动。排爆机器人控制箱如图7所示。

图7 控制箱

本文采用C#的WPF框架来编写控制软件界面，编译环境为Win10系统。软件整体架构如图8所示，将软件整体功能以及各模块和软件之间的拓扑关系清晰展示出来。

图8 控制软件整体架构

对于图像实时显示系统，考虑到实际应用中可能出现控制软件崩溃问题，在设计时图像显示系统作为1个单独的模块来实现。这样的好处是当控制软件崩溃的时候图像显示模块还可以显示图像。图像的显示、放大和录像功能是通过2个软件，并通过消息传递机制通信来实现的。

虚拟机器交互窗口嵌入到控制软件界面预留好的区域，控制软件将数据发送到虚拟机器人窗口，完成数据交互。

最终的控制软件界面如图9所示。

图9 控制软件界面

5 结束语

设计了基于触屏控制的遥操作排爆机器人，经过多次实验，证明了该机器人很好地实现预期指标。该机器人可靠通信距离100 m以上;图像流畅清晰；虚拟机器人能够实时反馈机器人本体姿态，对操作者要求低，提高了作业效率;具有很好的越障能力，最大能够爬倾斜角45°的楼梯；行走速度最大可达3.6 km/h；在机械臂完全伸展的情况下最大抓取质量5 kg。该排爆机器人能够适用于多种场合，后续将在现有机器人基础上增加多种传感器，来增加机器人的自主性和交互性。