一种爆炸物拆解机器人的机械手及控制方法与流程

本发明涉及机器人领域，特别是涉及一种爆炸物拆解机器人的机械手及控制方法。

背景技术

在发达国家，排爆机器人产品进过几十年的发展和实践，其功能及技术对于现有需求已经达到了较为完善的程度。排爆机器人已经可以确切划分的产品有三代，第一代产品为基于人工完全控制和协助的排爆机器人，第二代为具有视觉和感知系统，可进行信息处理的半自主排爆机器人。随着全球科技的发展，发展中国家也参与到了这类机器人的研发中。在科技和军事强国经过多年的基础研究和实战经验已经发展出系列化、规模化、模块化、通用性、互换性的排爆机器人。使得排爆机器人拓展出适合不同任务的类别。大大缩短了研发时间并且减少了投资额度。相对于国外的研究成果和实战经验国内由于发展较晚相应的技术较国外较为落后但是通过近些年的科研攻关已经初具规模。一些科研院所与生产厂家的积极合作已经相继研制出了一些产品系列并投入国内市场。

技术实现要素：

针对背景技术中的问题，本发明的目的在于提供一种爆炸物拆解机器人的机械手及控制方法。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种爆炸物拆解机器人的机械手，其特征在于：所述机械手包括依次连接的大臂、中臂、小臂一、小臂二和手爪；所述机器人大臂通过腰转盘设置在机器人底盘上；小臂一通过变速器与中臂连接，实现手臂垂直水平面摆动；小臂二与小臂一轴连接，实现小臂二水平面摆动；手爪与小臂二轴连接，实现手爪360°旋转；

机械手的各个关节处都连接着电动机、电流传感器及控制器；所述电动机通过联轴器与编码器旋转轴连接，电动机转动带动编码器同步转动；所述控制器采集编码器旋转数值；所述电流传感器与电动机连接，用于回传电流值。

进一步地，依次相连接的小臂一、小臂二和手爪分别包括两组，两组小臂一、小臂二对称的设置在机器人中臂的顶端。

进一步地，小臂一、小臂二的机械长度以1:1的真人手臂比例设计。

进一步地，所述编码器的单圈分辨率为1024。

一种控制爆炸物拆解机器人的机械手运动的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

(1)机器人主体通过无线传输装置接收远程控制端发送的各机械关节旋转角度值；

(2)机器人主体控制器分析处理数据，并驱动对应关节处电动机转动；同时通过联轴器连接在电动机上的编码器随动，控制器采集编码器数值获取电动机实时旋转角度；

(3)电动机转动，控制器通过电流传感器获取电动机实时电流值，分析处理得出各关节旋转时臂力；

(4)机器人主体控制器采集电动机旋转角度和电流值，通过特定的无线传输装置将数值回传到远程操控箱，便于操作人员更好的掌控机器人运动状态。

进一步地，在步骤(2)中，控制器采集编码器数值获取电动机实时旋转角度的具体过程如下：

(2.1)基于如下公式计算发送数据；

(2.2)通过pid精密计算获取分辨率为1024编码器对应的旋转值；

(2.3)通过数据转换模块，实现控制器与编码器的信息通讯。

本发明的有益效果在于：

现有的排爆机器人能实现侦察、转移爆炸物的功能，实际使用中存在一定局限。有些爆炸物引爆条件复杂且环环相扣，使可疑爆炸物不能移动只能派遣排爆人员现场拆解。这就大大增加了排爆人员的人身伤害率。发明拆弹机器人代替人类靠近、拆解爆炸物，降低安保人员的人身伤害率。

机器人底盘上加大臂腰转，中臂伸缩，在中臂顶端对称安装两组机械手臂。小臂1通过变速器与中臂连接实现手臂垂直水平面摆动，小臂2与小臂1轴连接实现小臂2水平面摆动，手爪与小臂2轴连接实现手爪360°旋转。技术上在各个电动机上安装对应编码器，连接电流传感器。控制器读取编码器数值和电流传感器数值，通过回传的数值判断机体各个关节的旋转角度和电动机电流值。

附图说明

图1是本发明的移动平台和机械臂的结构示意图；

图2是机器人机械手的各关节处电动机和编码器的连接方式的示意图。

图中，1-腰转盘，2-大臂，3-机器人底盘，4-中臂，5-小臂一，6-小臂二，7-手爪，8-电动机，9-联轴器，10-编码器。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方案作详细的阐述。

机器人包括本体和远程操控端。机器人本体结构主要由移动平台、机械手两部分组成。移动平台作为整个排爆机器人功能实现的载体，搭载机械手执行排爆物排爆任务。控制端部分由人工进行监控和执行相应的操作。对于机器人的人工遥控，除了能实现各关节的独立控制，还应能够联动控制，以实现排爆操作时的灵活控制性。机器人本体与控制端通过加密的无线数据链路通讯，实现可靠的双向数据交流。首先需要读取控制端各关节运动角度数值传输至机器人主体，机器人主体接收数据控制相应的关节做出对应的动作，关节旋转角度数值回传至控制端。

如图1所示，机器人底盘上加大臂腰转，中臂伸缩，在中臂顶端对称安装两组机械手臂。小臂1通过变速器与中臂连接实现手臂垂直水平面摆动，小臂2与小臂1轴连接实现小臂2水平面摆动，手爪与小臂2轴连接实现手爪360°旋转。小臂一、小臂二的机械长度以1:1的真人手臂比例设计。

如图2所示，机械手的各个关节处(大臂，中臂，小臂一，小臂二，手爪相互间的连接处)都连接着电动机及电流传感器。所述电动机通过联轴器与编码器旋转轴连接，电动机转动带动编码器同步转动，控制器采集编码器旋转数值；所述电动机连接电流传感器，用于回传电流值。

技术上在各个电动机上安装对应编码器，控制器读取编码器数值，通过回传的数值判断机体各个关节的旋转角度。使用编码器单圈分辨率是1024。

一种控制爆炸物拆解机器人的机械手运动的方法，所述方法包括如下步骤：

(1)机器人主体通过无线传输装置接收远程控制端发送的各机械关节旋转角度值。

(2)机器人主体控制器分析处理数据，并驱动对应关节处电动机转动。同时通过联轴器连接在电动机上的编码器随动，控制器采集编码器数值获取电动机实时旋转角度，具体过程如下：

(1.1)基于如下公式计算发送数据；

(1.2)通过pid等精密计算获取分辨率为1024编码器对应的旋转值；

pid计算p：比例系数i：积分时间d：微分时间比例(p)控制比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差(steady-stateerror)。积分(i)控制在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制器，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制器是有稳态误差的或简称有差系统(systemwithsteady-stateerror)。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分(pi)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。微分(d)控制在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分(即误差的变化率)成正比关系。自动控制器在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件(环节)或有滞后(delay)组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分(pd)控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。

(1.3)通过485数据转换模块，实现控制器与编码器的信息通讯。

485数据转换模块作用是将编码器发出的脉冲信号转换成能和控制器通讯的485通讯信号。实现原理是：stm32单片机采集、处理编码器输出的脉冲信号串口传送数据，然后利用ttl转485模块将数据类型转换成485通讯类型。

(3)电动机转动，控制器通过电流传感器获取电动机实时电流值，分析处理得出各关节旋转时臂力。

(4)机器人主体控制器采集电动机旋转角度和电流值，通过特定的无线传输装置将数值回传到远程操控箱，便于操作人员更好的掌控机器人运动状态。

爆炸物拆解机器人，在控制箱上拨动手臂任意关节，控制器采集编码器数值获取机械臂各关节转动角度数，传输至机器人主体。主体控制器接收数据控制机械臂相应关节以相应的转动速度转动，实现目标动作。主体各关节处编码器采集数值回传至控制箱。