基于FPV头戴显示的机械外骨骼式排爆机器人的制作方法

本发明涉及一种基于fpv头戴显示的机械外骨骼式排爆机器人,属于机器人技术领域。

背景技术：

当前，无论在国外还是在国内反恐排爆机器人系统的研究都是处在一个上升阶段而且也取得了很多成果。其中以美、英、德、法、以色列等国家较为成熟，并相继有排爆机器人产品投入实际应用。英国是公认的研究排爆机器人较早的国家，其研制的“手推车”(wheelbarrow)排爆机器人是世界上最有名的排除爆炸物机器人。美国remote公司的安德鲁斯(andros)系列排爆机器人是产品系列和型号较多的排爆机器人系列产品。主要型号有androsⅱ、androsva、androsvia、f6a等。其中“魔爪”(talon)机器人是第一代小型遥控无人地面车辆，由美国fostermiller公司生产，自重45kg，具有重量轻、坚固、快速、承载能力强和操作简单等优点。它参与了伊拉克行动和阿富汗战争，共执行任务两万余次，被《时代》杂志评选为2004年最令人惊异的发明之一。除此之外，国外较具有代表性的排爆机器人产品还有拿大pedsco公司生产的robhaz排爆机器人和rmi-9wt大型排爆机器人、法国alsetex公司的mc800小型排爆机器人、法国dm公司研制的rm35机器人、德国telerob公司的mv4爆炸物处理机器人、英国p.w.allen公司的defender排爆机器人等。其中部分机器人已经过实战考验，驰骋于反恐排爆的第一线。国外的排爆机器人产品经过几十年的研究已经得到大量的应用功能完善、技术先进是其主要的特点。目前，国外的排爆机器人研究正在从第一代的完全依赖人工控制的遥控排爆机器人以及第二代的具有视觉、感知、和信息处理技术的排爆机器人向着具有高度智能化、网络化控制、全自主能力的排爆机器人方向发展。同时，基于多年的基础性研究以及相对成熟的技术，国外的排爆机器人产品已经系列化、规模化，其产品不仅种类齐全而且具有很好的互换性和通用性。模块化的设计思想使得一种机器人经过简单的改装就可以应用与其它不同的场合。相对于西方发达国家，我国的排爆机器人研究起步较晚。目前我国大约有30家左右的高等院校和科研院所在从事各类排爆机器人的研究工作并相继有一些产品问世并投入使用。其中有广东省骏达经济实业有限公司研制的jd-pd-06a特种机器人、上海广茂达伙伴机器人有限公司研制的龙卫士dg-x3b型反恐排爆机器人。除此之外，中国科学院沈阳自动化所研制的“灵蜥-a”型、“灵蜥-b”型排爆机器人、北京金吾高科技有限公司研制的jw-901b型排爆机器人和上海交通大学研制的super-dⅱ排爆机器人都因其各自的优点应用于各种特殊的场合。由中国航天科工集团公司自主研制、某些技术已处于国内领先水平的第二代排爆机器人“雪豹—10”已进入调试及实验阶段。华南理工大学机械工程学院蒋梁中教授主持研制的“智能排爆机器人”基于多级控制结构，性能先进，取得多项技术创新。与国外相比，虽然我国的排爆机器人取得了科技含量较高的可喜成果。但是总体来说排爆机器人研究还处于发展阶段，基础性研究还较薄弱，机器人功能单一，尚未形成没有系列化发展。国内对于排爆机器人的研究应该借鉴国外的成功经验，积极开展具有自主知识产权的排爆机器人及其相关技术的研究，尤其基于小型化的多用途的排爆机器人的研究。

技术实现要素：

本发明的目的是随着打击恐怖主义的浪潮席卷全球，恐怖组织虽然失去大部分武装力量，但是恐怖活动却仍然存在。由于具备危害大、易发动、难防范的特点，爆炸袭击成为恐怖袭击最主要的方式。而靠排爆人员人体排爆的话效率不高，且危险性太大，稍有差池便会付出生命，针对以上情况和现有技术不足提供一种基于fpv头戴显示的机械外骨骼式排爆机器人。

本发明采取的技术方案是:

1、为使机器人可在复杂地形上保持较好的机动性，机器人的移动单元采用履带式底盘。

2、为解决传统机械臂控制繁琐的问题，本作品机器人的机械臂为6自由度，采用穿戴式外骨骼控制机械臂。

3、为实现操作人员身临其境的感觉，通过仿人眼双目摄像头采集现场图像传输到fpv头戴显示设备合成3d图像，头戴显示设备上加装三轴数字陀螺仪采集头部姿态数据，通过无线射频发送至机器人上控制双目摄像头的二自由度数字云台跟踪操作人员头部姿态，使操作人员能更好的融入到当前的环境中。

本发明所述排爆机器人由机械外骨骼部分、传感器部分、无线通讯部分、fpv头戴视频传输部分、单片机控制部分、运动底盘部分、机器人机械臂部分组成，其结构包括角度传感器、a/d转换器、步进电机、按键、k60单片机、外骨骼连杆机构；

所述机械外骨骼部分，为保证轻量化以及整体舒适性，连接件使用碳纤维材料，关节部位使用钣金件，仿真人体手臂。骨骼机械臂总共有6个自由度，为满足长时间使用需求，设计一个背部连接件把重量传递到腰部，增加使用者的使用时间；考虑到选用的角度传感器的轴无法承受过大力矩，因此不直接用其作为轴，而采用一个1:1的直齿圆柱齿轮来传递角度给角度传感器。

所述角度传感器模块，采用p3022-v1-cw360霍尔角度传感器，霍尔角度传感器是一款阻尼极小且无机械触点的角度传感器，其可测角度为0到360°无死角全角度，输出为0到5v，分辨率达到12位，传感器表面采用铝合金制成，坚固耐用，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定，此外该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点；

所述无线通讯部分，采用cc2530-zigbee无线通讯模块，该无线通讯模块采用zigbee通讯协议，其可靠性高，zigbee有很多方面进行保证，物理层采用扩频技术，能够抵抗干扰，mac应用层即aps部分有应答重传功能；mac层的csma机制使节点发送前先监听信道，可以起到避开干扰的作用，且其能耗低，通常zigbee节点所承载的应用数据速率都比较低。在不需要通信时，节点可以进入低功耗的休眠状态，此时能耗可能只有正常工作状态下的千分之一；由于一般情况下，休眠时间占总运行时间的大部分，有时正常工作的时间还不到百分之一，因此达到很高的节能效果。

所述fpv头戴视频传输部分，采用boscamgs909fpv，该套头戴视频传输系统采用仿人眼双目摄像头采集视频数据，可通过头戴视频眼镜实现3d效果，通讯可选4个频道，防止干扰，在fpv模式下，视频眼镜内置数字陀螺仪，结合二轴云台可实现跟踪头部姿态功能。

所述k60单片机控制部分，最小系统使用k60144pin封装，用到的接口为：pwm接口，外部中断接口，若干普通i/o接口，其他部分还包括电源滤波电路、时钟电路、复位电路、串行通讯接口、bdm接口和spi接口。

所述运动底盘部分，采用履带式运动底盘，可适应各种复杂地形，负重能力强，且履带使用寿命长，由k60型单片机的pwm引脚与电机驱动芯片tps7971通讯，芯片tps7971将单片机的驱动信号通过输出的四个引脚连接步进电机，使得步进电机要求的按步数和角度转向。

所述机器人机械臂部分，采用仿真人手臂设计为6个自由度，且机械臂前端的功能部件可拆换。

本发明所述机器人工作过程为：

给装置上电后，单片机开始初始化，进入循环：

由双目摄像头采集现场图像通过图传模块传输到fpv头戴视频显示设备；

当视野内没有发现爆炸物则需转换摄像头角度，此时只需转动头部，三轴数字陀螺仪会采集头部姿态数据通过无线射频模块发送给机器人，从而控制两轴云台运动，改变摄像头的角度；

如果发现爆炸物，则操作人员移动手臂，机械外骨骼会采集人体手臂姿态数据，通过无线射频模块把数据发送给机器人，控制机器人完成相应任务。；

工作流程功能：

使用仿人眼双目摄像头采集视频数据，使视频具有3d效果；

使用陀螺仪追踪头部姿态，方便摄像头的转向；

采用机械外骨骼控制机械臂，符合人本身的运动习惯，简化操作。

本发明的有益效果：

在当今反恐排爆形势十分严峻的情形下，由排爆人员亲身进入排爆现场进行作业有很大危险性，即使身着全套的排爆服装仍无法百分之百的保证排爆人员的人身安全，且排爆人员在穿着厚重的排爆服后行动也不灵便，特别是手指不是特别灵活，无法有效进行精细的操作，且排爆人员本身承受着极大的心理压力，精神高度紧张，这种状态下很容易出现人为失误，增大爆炸危险的可能性。介于此类情况本发明所述机器人可代替排爆人员进入危险的排爆现场进行侦查和搜寻任务，发现爆炸物后可对爆炸物进行抓取，如有障碍物还可更换功能模块进行切割和钻孔操作。最大限度的保障了排爆人员的人身安全，极大的降低了排爆人员的心理负担，使排爆工作效率得到极大的提升。

附图说明

图1为本发明所述系统结构示意图；

图2为本发明机器人本体主要控制电路原理图。

具体实施方式

结合附图说明如下：

一种新型排爆机器人系统，主要由机械外骨骼部分、传感器部分、无线通讯部分、fpv头戴视频传输部分、单片机控制部分、运动底盘部分、机器人机械臂部分组成，其结构包括角度传感器、a/d转换器、步进电机、按键、k60单片机、外骨骼连杆机构。

所述机械外骨骼部分，在材料选择方面，为保证轻量化以及整体舒适性，在某些连接件上使用碳纤维材料，在关节部位使用钣金件，在结构设计方面，仿真人体手臂此外骨骼机械臂总共有6个自由度，为满足长时间使用需求，我们发明一个背部连接件把重量传递到腰部，增加使用者的使用时间，考虑到我们选用的角度传感器的轴无法承受过大力矩，因此不直接用其作为轴，而采用一个1:1的直齿圆柱齿轮来传递角度给角度传感器。

所述角度传感器模块，采用p3022-v1-cw360霍尔角度传感器。霍尔角度传感器是一款阻尼极小且无机械触点的角度传感器，其可测角度为0到360°无死角全角度，输出为0到5v，分辨率达到12位，传感器表面采用铝合金制成，坚固耐用，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性，本发明具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。每个霍尔角度传感器出厂前都在极为精确的角度检测仪器进行校准。

所述无线通讯部分，采用cc2530-zigbee无线通讯模块，此无线模块采用zigbee通讯协议，其可靠性高，zigbee有很多方面进行保证。物理层采用了扩频技术，能够在一定程度上抵抗干扰，mac应用层(aps部分)有应答重传功能。mac层的csma机制使节点发送前先监听信道，可以起到避开干扰的作用，且其能耗低，通常zigbee节点所承载的应用数据速率都比较低。在不需要通信时，节点可以进入很低功耗的休眠状态，此时能耗可能只有正常工作状态下的千分之一。由于一般情况下，休眠时间占总运行时间的大部分，有时正常工作的时间还不到百分之一，因此达到很高的节能效果。

所述fpv头戴视频传输部分，采用boscamgs909fpv，此套头戴视频传输系统采用仿人眼双目摄像头采集视频数据，可通过头戴视频眼镜实现3d效果，通讯可选4个频道，防止干扰，在fpv模式下，视频眼镜内置数字陀螺仪，结合二轴云台可实现跟踪头部姿态功能。

所述k60单片机控制部分，最小系统使用k60144pin封装。用到的接口为：pwm接口，外部中断接口，若干普通i/o接口，其他部分还包括电源滤波电路、时钟电路、复位电路、串行通讯接口、bdm接口和spi接口。

所述运动底盘部分，采用履带式运动底盘，可适应各种复杂地形，负重能力强，且履带使用寿命长，由k60型单片机的pwm引脚与电机驱动芯片tps7971通讯，芯片tps7971将单片机的驱动信号通过输出的四个引脚连接步进电机，使得步进电机要求的按步数和角度转向。

所述机器人机械臂部分，采用仿真人手臂设计为6个自由度，且机械臂前端的功能部件可拆换。

本发明所述机器人工作过程为：

给装置上电后，单片机开始初始化，进入循环：

由双目摄像头采集现场图像通过图传模块传输到fpv头戴视频显示设备；

当视野内没有发现爆炸物则需转换摄像头角度，此时只需转动头部，三轴数字陀螺仪会采集头部姿态数据通过无线射频模块发送给机器人，从而控制两轴云台运动，改变摄像头的角度；

如果发现爆炸物，则操作人员移动手臂，机械外骨骼会采集人体手臂姿态数据，通过无线射频模块把数据发送给机器人，控制机器人完成相应任务。；

工作流程功能：

使用仿人眼双目摄像头采集视频数据，使视频具有3d效果；

使用陀螺仪追踪头部姿态，方便摄像头的转向；

采用机械外骨骼控制机械臂，符合人本身的运动习惯，简化操作。