摘 要：排爆機器人控制可分為小車的行走控制和機械手的運動控制。小車的行走控制需要進行“路程規(guī)劃”以實現(xiàn)小車避障和向目標(biāo)物（可疑爆炸物）靠近，而機械手的運動控制需要進行“軌跡規(guī)劃”以避開障礙物實現(xiàn)避碰，順利抓取、搬運目標(biāo)物。此機器人控制系統(tǒng)是開放式系統(tǒng)，實現(xiàn)了智能化和網(wǎng)絡(luò)化。遠(yuǎn)程管理機房電腦可以顯示現(xiàn)場機器人手爪、目標(biāo)物、障礙物。 關(guān)鍵詞：排爆機器人 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 　　排爆機器人屬于搬運機器人的一種類型，很多搬運機器人是模仿人類的動作，用來幫助或部分代替人來進行繁重、危險、重復(fù)等工作。排爆機器人模仿人類的行走、抓取物體的動作，可以被用來排除現(xiàn)場的爆炸物。排爆機器人機械部分包含行走小車和機械手臂。 1 排爆機器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 　　排爆機器人控制系統(tǒng)不再采用原來機器人所采用的PLC控制方式，而是基于嵌入式工控機的基礎(chǔ)上，采用基于Linux平臺的開放式構(gòu)件庫，運算速度極快，可以達到微秒級。排爆機器人控制系統(tǒng)由三部分組成，即傳感器部分、機器人本體、操作控制臺組成。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;機器人本體包含嵌入式控制計算機和各關(guān)節(jié)伺服電機，能驅(qū)動各軸（帶補償），分配各軸運動，處理和控制各種狀態(tài)量;操作控制臺部分包含主控PC機、指令解碼器、圖像解碼器、無線接收發(fā)射器等。CCD攝像機和超聲波傳感器所獲得的圖像信息、障礙物信息，經(jīng)無線傳輸至主控PC機。主控PC機使用圖像識別和分析技術(shù)獲得對象物體的形狀和位置信息，同時將目標(biāo)物、障礙物等三維圖像信息顯示在計算機屏幕上。在人工指明目標(biāo)物后，主控PC機經(jīng)人工智能（模式識別、路徑規(guī)劃、軌跡避碰等）計算;將控制指令通過無線傳輸給機器人本體嵌入式控制計算機，自動控制機器人運動?；窘Y(jié)構(gòu)如圖1所示： [align=center] 圖1排爆機器人控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)[/align] 2 小車的行走控制 　　人工通過控制桿（或按鈕），在小車引導(dǎo)圖像（可視信號）的指示下，完成前進、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)和原地旋轉(zhuǎn)的功能直至達到機械手的手爪能抓取可疑爆炸物的位置為止。機器人的平衡是利用整機的動力學(xué)算法求得，將求得多種數(shù)據(jù)去控制機器人手臂的空間姿態(tài)從而達到整機平衡而不至于倒覆。例如當(dāng)小車在斜坡作上升運動時，機器人手臂往前靠以保持整機的平衡。小車在運動過程中需要避開可能遇到的障礙物。通過環(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，實現(xiàn)小車避障，即所謂的路徑規(guī)劃（如圖2所示） [align=center] 圖2 排爆機器人路徑規(guī)劃示意圖[/align] 3 機械手的運動控制 　　機械手的運動控制（如圖3）是多級控制系統(tǒng)：位于最上層的AI級是人工智能層。它是利用CCD攝像機和超聲波等傳感器獲得障礙物輪廓與距離以避開障礙物實現(xiàn)避碰，這就是“軌跡規(guī)劃”（如圖4）。 [align=center] 圖3 機械手多級運動控制系統(tǒng) 圖4 機械手軌跡規(guī)劃示意圖[/align] 　　位于中間層的控制是機械手抓取運動控制中最關(guān)鍵的部分。它實際上是一個補間器。機械手的運動控制可分為姿態(tài)控制與手位置控制。腰、大臂、小臂、手爪的控制，是由主控計算機通過機械手運動學(xué)位移問題進行反向運動求解，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)控制計算機，完成帶有速度反饋環(huán)的位置控制。四個關(guān)節(jié)的運動速度通過機械手的軌跡規(guī)劃來決定，從而避免機械手的蛇形運動。由于有觸覺傳感器，手爪可以自動控制，也可以是在圖像信號的指引下作精細(xì)“柔軟控制”。抓取可疑爆炸物時，控制手爪夾持力約大于可疑爆炸物脫落重力，不至用力過大而夾壞可疑爆炸物，從而完成專家指定的動作。 　　位于最下層是控制級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，具有一定魯棒性，簡單、實用。當(dāng)PID無法實現(xiàn)有效控制時，可改進之或結(jié)合其它方法，如前饋控制。運動控制包括機械手各個關(guān)節(jié)運動控制和行走運動，初步統(tǒng)計控制回路有13路，如圖5所示。 [align=center] 圖5 自動控制原理圖[/align] 　　嵌入式控制計算機根據(jù)上位計算機傳來的位置與速度信號，對各個伺服機構(gòu)進行位置與速度設(shè)定，按控制規(guī)律（如PID）對伺服電機進行控制，使實際位置按預(yù)計的速度跟蹤或運動到目標(biāo)位置。 　　機器人的手眼協(xié)調(diào)系統(tǒng)：機器人的手眼協(xié)調(diào)系統(tǒng)是本系統(tǒng)最大亮點之一。由于于補間器算法需要知道目標(biāo)物與機器人基坐標(biāo)（一般是機械人的腰關(guān)節(jié)底座），相對空間座標(biāo)才能求解。而本系統(tǒng)目標(biāo)物是在未知環(huán)境里。這相對坐標(biāo)必須由于手眼協(xié)調(diào)系統(tǒng)來求解。排爆機器人機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“測矩三角型”，原理示意如圖6。測矩三角型求得距離誤差較大，需要利用激光測距的“光斑”輔助測矩，從而獲得坐標(biāo)物的空間座標(biāo)。隨著機器人的雙目接近目標(biāo)物，目標(biāo)物與基坐標(biāo)的相對坐標(biāo)精度提高，經(jīng)過數(shù)次雙目逼近目標(biāo)物之后，最終實現(xiàn)機械手準(zhǔn)確地抓到目標(biāo)物。 [align=center] 圖6 測矩三角型原理圖[/align] 　　當(dāng)機器人自動抓取失敗之后，操縱者可利用手動系統(tǒng)完成抓取。這是任何一個產(chǎn)品在自動失靈之后必須具備的功能。機器人的雙目獲得的圖像信息，通過處理，在控制臺的顯示器上形成監(jiān)控圖像，以便操控者以鼠標(biāo)點取多個物體中的可疑物體。 4 控制系統(tǒng)的通信系統(tǒng) 　　機器人與現(xiàn)場操縱控制臺主控計算機之間采用串口無線通訊?，F(xiàn)場主控計算機與遠(yuǎn)程監(jiān)控中心采用CDMA通訊技術(shù)進行無線圖像傳輸。通訊系統(tǒng)中任何一點均可觀察到現(xiàn)場目標(biāo)物和機器人的狀態(tài)。 　　在實驗室和工業(yè)應(yīng)用中，受信道成本限制，串口常常作為計算機與外部串行設(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)備和計算機都可以通過串口對外設(shè)進行控制、檢測，串口通信日益成為計算機和外設(shè)進行通信、獲取由外設(shè)采集到的監(jiān)測數(shù)據(jù)的一個非常重要的手段。為了解決有線通信的局限性，考慮到機器人自規(guī)劃、自組織、自適應(yīng)能力強、所處環(huán)境不確定的特點，無線通信是實現(xiàn)機器人與計算機之間通信的理想方式。因此采用無線數(shù)傳模塊進行數(shù)據(jù)信號傳輸是排爆機器人中重要的一環(huán)。無線數(shù)傳模塊體積小、使用方便，能遠(yuǎn)距離地操控機器人從而有效保護操作人員安全。 　　所謂CDMA（碼分多址技術(shù)）是一種以擴展通訊系統(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，其中一部分是擴展系統(tǒng)所固有的，另一部分是由軟件切換和功率控制所帶來的，CDMA通訊網(wǎng)絡(luò)是由擴頻網(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、時域和碼域三維信號處理的一種協(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)新點在于此排爆機器人控制系統(tǒng)是一個開放式控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)成功的結(jié)合了雙目視覺測距、智能控制算法，實現(xiàn)了機器人的智能化和網(wǎng)絡(luò)化功能。該設(shè)計的適用性很廣，只要依據(jù)需求進行適當(dāng)修改即可設(shè)計出適用其他功能機器人的控制系統(tǒng)，具有較高的參考價值。 　　通過該系統(tǒng)的研究與開發(fā)，必將提高排爆機器人的自動控制水平，提高排爆機器人的操作性與可靠性，對于保障公共安全、提高排爆效率有很大幫助。 參考文獻： 　　[1] 許永錫,蔣梁中. 基于MatlabRTW的排爆機器人控制系統(tǒng)。微計算機信息，文章編號：1008-0570（2006）02-2-0218-03 　　[2] 周學(xué)才，李衛(wèi)平，李強.開放式機器人通用控制系統(tǒng)[J]. 機器人，1998（01）. 　　[3] 付京遜. 機器人學(xué)——控制·傳感器技術(shù)·視覺·智能.北京：中國科學(xué)技術(shù)出版社，2000（04）.人全氣動控制系統(tǒng)的設(shè)計[J]. 液壓與氣動，2000（04）. 　　[4] 張家梁，呂恬生，姚香根，曲以義. 纜索機器