多功能模块化排爆机器人设计说明

1、 多功能模块化排爆机器人摘要：地面无人作战平台已开始在现代战争中发挥重要作用，国内外都在开展相关研究。本文在自主设计生产的多功能模块化排爆机器人（样机）及相关战场适应性试验的基础上，主要研究模块化设计理念在我军未来无人作战装备中的具体实施方案以及采用模块化理念设计的无人作战平台适应战场和战争环境。为我军未来无人装备的设计和生产提供有益的参考。关键词：模块化、多功能、排爆、机器人、无人一、设计背景当前，恐怖主义在国内外猖獗，活动种类繁多，许多地区仍有大量恐怖分子遗留爆炸物。由于人工排爆的巨大危险性，排爆机器人已成为反恐行动中的重要装备之一。在国外，美军提出并实施了“联合机器人计划”（JRP），国

2、防高级研究计划局提出“战术移动机器人”（TMR）、“未来作战系统”（FCS）、无人地面战车和其他项目。目前机器人可以承担的作战任务有100多项，如机器人装弹机、机器人扫雷车、火力支援机器人等。美、英、德、法、日等国已研制出各类地面无人作战平台，其中一些已用于波斯尼亚战争和伊拉克战争。除上述国家外，其他国家也在发展地面无人作战平台，如加拿大的“改进探雷计划”，意大利、法国和西班牙联合开展的“先进移动机器人”项目，瑞士的Pemex轮式地面无人平台项目、比利时HUDEM项目、西班牙“罗德”轮式地面无人平台和俄罗斯“越野车”-M3超轻型移动机器人。排爆机器人是目前比较具有研究价值的机器人产品。在反恐斗

3、争领域可用于执行反恐排爆等任务，战场上的排爆机器人用于执行拆除爆炸物、收集战场信息等任务；多一点修改后，可以增加单兵武器，用于武装巡逻、战斗执勤等高风险任务。基于军用机器人产品系列化、通用化的需要，在小型移动平台的基础上，提出并生产了一种多功能模块化排爆机器人，包括履带底盘、机械臂、控制系统、侦察系统等，多功能，自控于一体，可用于各种复杂危险情况下可疑危险品的清扫作业，也可代替现场安保人员进行现场巡查，实现场图像的时间传输。二、主要设计研究内容本设计主要解决机器人在不同环境条件下的运动和操作。该机器人由四部分组成：履带底盘、机械臂、侦察系统和控制系统。通过无线遥控，可以准确把握和排除可疑物品。

4、模块化设计理念的具体体现模块化多功能无人作战平台的模块化设计思想主要体现在两个方面：机械部分由模块化底盘、排爆作业装置等功能模块组成；电控部分由底盘控制电路和排爆作业装置控制电路组成。 、无线遥控电路等多种模块化电子控制电路。(1) 机械部分设计模块化底盘设计有履带式差速转向。模块化底盘主要包括车架、轨道子模块、减震装置的设计、云台装置的安装面积、控制电路的安装面积等五个主要部分（块）。在保持模块间功能尽可能独立的同时，接口设计也应标准化，可以根据需要进行模块化维修和更换，从而保证机箱的适应性和良好的可维护性。图 2.1 整体结构排爆作业装置的设计主要包括排爆机械手和排爆机械手。排爆机械臂结构

5、仿照挖掘机工作臂，液压缸换成电动推杆。排爆机械手采用两指式四连杆机构，螺杆电机提供动力。 图 2.2 轨道子模块 图 2.3 轨道底盘履带采用两个侧板将履带的驱动电机和驱动轮封装起来，这样就可以简单地与底盘连接，完成车身组装。底盘主要包括四个区域：连接轨道的减震器、电池安装区、回转平台安装区、控制电路安装区。接口设计标准化，便于维护更换，保证了机箱的适应性和良好的可维护性。双履带独立驱动，通过控制系统差动驱动两条履带，实现底盘的转向。 图 2.4 机械手指臂 图 2.5 机械爪设计排爆机械臂采用20 20mm方管材料，动力装置为电动推杆，铰点采用标准支架和连接销，可满足更高精度的控制要求。排爆

6、机械爪采用四连杆机构，动力系统采用47型混合式步进丝杠电机，从而保证排爆作业过程的准确性和效率。电控部分设计模块化底盘的控制系统主要包括两个底盘驱动电机的驱动控制和回转操作头的驱动控制。由于机箱驱动电机功率为250W，用普通L298N很难完成驱动，所以选用工业上使用的大功率控制器AQMD3610NS直流电机驱动器。该驱动器支持9V-36V宽电压输入，最大10A电流输出，支持电位器、0-5V模拟信号、差分信号、RS485多种控制方式。本次选择电位器控制，以满足初始状态调试和控制的需要。步进电机的驱动器是根恒H5700步进电机驱动器。该驱动器采用分立元件结构，具有自动半流、过压、过流保护等功能。微

7、步细分有14种，最大步数为51200Pulse/rev。 ;电流分级可调，可采用两相4线、6线、8线。适用于42、57系列4A及以下（含4A）两相四线、六线、八线步进电机。完全可以满足旋转操作头的驱动控制。图 2.6 步进电机驱动电路图图 2.7 直流电机驱动电路图排爆机器人的控制电路设计，其动力主要由直流电动推杆和丝杆步进电机提供，控制电路主要负责完成对直流电机和步进电机的控制。图 2.8 总则电路图 图 2.9 驱动电路 PCB 板 图 2.10 通讯原理图无线遥控电路需要包括无线遥控操作手柄，并且需要相应的多点通讯模块来完成对各个机械部分功能模块的无线控制。(3) 侦察系统图像采集采用基

8、于无线局域网的P2P网络摄像头，可通过上位机软件XXCAMERA完成摄像头采集图像的实时存储和显示。经过一些练习，操作人员可以在非视距条件下完成对屏幕的可疑爆炸物的准确排除。侦查摄像头 远程电脑监控系统无线路由器图 2.11 侦探监控系统示意图此外，要实现战场上的无人探测和可疑爆炸物的远距离无线引爆，还需要机载摄像头的辅助与配合。为此，图像的无线实时传输也是本次设计的重点和难点。(4) 无线遥控电路的设计与实现无线控制采用基于串行通讯的射频模块APC220-43。 图 2.12 通讯模块 图 2.13 终端设备与通讯模块接线图APC220-43模块是一款高度集成的半双工微功率无线数据传输模块，

9、嵌入高速单片机和高性能射频芯片。创新使用高效循环交织纠错和检错编码，大大提高了抗干扰和灵敏度，可纠正高达24bits的连续突发错误，达到行业领先水平。 APC220-43模块提供多通道选择，可在线修改串口速率、发射功率、射频速率等多种参数。 APC220-43模块可以透传任意大小的数据，用户无需编写复杂的设置和传输程序。同时，体积小，宽电压运行，传输距离远，软件编程设置功能丰富方便，适用范围广。场地。无线遥控手柄采用PlayStation 2，简称PS2，是索尼在日本的子公司索尼电脑娱乐公司（Sony Computer Entertainment Inc.）于2000年3月4日推出的家用128

10、位游戏系统。包括 PS2 游戏控制器。 图 2.14 射频接收器和 UNO 控制器接线图 图 2.15 PS2 手柄和接收器电路图2.15中基于PS2控制器的遥控器由SONY PS2游戏机控制器、控制器接收器、Arduino UNO控制器、APC220无线数传模块、8.4V锂聚合物电池组成。该遥控器经过两次无线数据传输，才将手柄上的操作指令传送到平台各模块电路的Arduino MEGA328P控制器。一是SONY手柄通过射频信号将信息传递给自己的射频接收器，二是与射频接收器相连的Arduino UNO控制器通过APC220无线数据将信息传递给车上的Arduino MEGA328P控制器传输模块

11、。 SONY手柄射频接收器之所以不直接连接Arduino MEGA328P控制器，主要是为了实现多点通信，延长无线控制距离，提高通信稳定性。调试过程使用上位机调试软件Open Jumper。本软件具有调试方便、功能强大、稳定性好、兼容各种Windows系列系统的特点。图 2.16 上位机调试软件界面3.立体效果展示UG是Unigraphics的缩写，是一种交互式 HYPERLINK /view/4176.htm t _blank CAD /CAM（ HYPERLINK /view/76137.htm t _blank 计算机辅助设计和计算机辅助制造）系统，功能强大，可以轻松实现各种复杂实体和形

12、状的构建。通过UG立体建模，可以更清楚地看到排爆机器人的整体装配，各部件的形状尺寸及其装配关系。 图 3.1 夹块 图 3.2 夹块和指臂安装图 3.3 夹具的部分安装夹块的形状从图3.1可以清楚地看出，而图3.2为夹块与指臂的安装关系，图3.3为电机的转动带动指臂的摆动，从而控制两侧夹块的开合。实现裁剪对象。 图 3.4 履带底盘 图 3.5 机械手及回转平台安装图 3.6 整机安装图 3.4 是履带底盘的三维渲染图。从图 3.5 和图 3.6 可以看出，机械臂和回转平台在底盘上的安装是通过臂架和支架的连接，机械臂的臂架节距安装在支架上.实现了推杆的缩回。四、主要性能参数机箱相关参数整机重量

13、：P=40kg有效载荷：M30kg行驶速度：v=1-3m/s；耐力：t=2h；爬坡能力：30；越障高度：h15cm；机械臂自由度：F=5；最大工作半径：r=1.5m；夹子承载能力：m=2kg。电路部分相关参数电池存储容量：t=3h无线控制距离：R=500m图像无线传输网络：rw=50m网络节点数：3五、创新1）机器人采用模块化设计，采用系列化、标准化部件，便于维护和更换部件；2）机械臂自由度设计为5，随着旋转平台的运动，其工作半径可增加50%，有效增加了其工作范围和灵活性。避免碰撞；3）工作装置采用轻质高强度铝合金材料，机械手采用永磁直流电机控制，实现各种复杂情况下稳定可靠运行；4）无线通讯技术的应用，可以远程完成工作平台的运动控制，降低人工拆除爆炸的风险。摄像头完成的远程视频监控，可以辅助操作者更方便的完成平