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无人机排爆机械臂的设计和实现
摘 要 在日常排爆工作中,当排爆队员发现可疑爆炸物,通常选择转移拆除的处理方式.而在转移过程中,排爆队员需要借助绳钩组等设备进行转移.在操作过程中,由于钩挂绳索的需要以及绳索质地柔软这一特性,使得排爆队员在爆炸物转移过程中不得不近距离操作.这难免威胁到排爆队员的人身安全.笔者在长期工作中,结合当今先进科技手段设计了一套安装在无人机的爆炸物转移机械臂系统.此机械臂系统可远距离无线操作,排爆队员可远距离操控即可完成对爆炸物的转移.由于载体为无人机,操作范围小,抓取后可迅速投放到排爆罐,相比传统绳钩组时间更短,安全系数更高.
关键词 无人机；无线图传技术；无线遥控机械臂；体感数据手套
中图分类号 TN92 文献标识码 A 文章编号 1674-6708（2018）223-0164-02
1 背景
随着社会的不断发展,各种矛盾不断凸显,世界反恐形势日趋严峻.由于爆炸对社会造成的危害巨大,成为恐怖分子首选的手段.排爆队员作为反恐处突的中坚力量,肩负着及时排除爆炸物,保卫人民生命财产的重任.而由于科技的不断进步,恐怖分子制造爆炸物的水平也不断提高,爆炸物威力不断增强.这对排爆队员的人身安全造成了巨大危害.
无人机与机械臂的有效结合,是当前较为先进的应用理念,有效地扩展了其自身的应用领域范围,尤其是在当前的排爆过程中,可以有效保证排爆人员自身的安全性,提升排爆效率.
近年来,全世界恐怖主义猖獗,全球每年都会发生数千起恐怖主义活动,对人们的生命财产安全造成严重的威胁,例如,2001 年美国的世贸中心双塔与五角大楼撞毁、2004 年西班牙马德里地铁爆炸、2013 年俄罗斯伏尔加格勒市无轨电车爆炸,造成严重的经济损失,并造成大量的人员伤亡.由于爆炸物品波及范围较广,伤害较大,逐渐成为当前恐怖分子的重要手段,并成为当前各国政府首要解决的问题.积极进行排爆理念创新,可以有效地促使当前的排爆方式逐渐多样化,在不断的发展过程中,排除爆炸危险品,并保证排爆人员的安全.
无人机机械手臂排爆理念是近年来提出的先进理念,并逐渐被广泛的应用,灵活利用其自身的优势,促使机械臂自身的灵活性提升,改变了传统的机械手臂只能在固定的位置进行迆的局限性,促使其实现智能化应用,提升应用范围与应用效果,有效地替代排爆人员进行工作,从根本上保证其自身的安全,并高效对爆炸危险品进行处理,保证社会稳定.
例如,当前全球知名的机器人公司Enerigid将当前的无人机与机械手臂进行有效的融合,积极进行与探索,逐渐跻身于行业的前列.并且其现阶段已经在探索国际空间站（ISS）,灵活使用移动机器人平台,以实现科技的突破.日本在发展过程中也积极对当前的无人机与机械臂结合领域进行探索,例如,日本著名的无人机制造商PRODRONE 研究出拥有机械臂的无人机,并将其命名为PD6B-AW-ARM,其无人机自身具有一对完整的机械臂,灵活度较高,最大可抓起10kg 重物体,并具有较强的续航能力,被广泛的应用在各行各业中.
在实际的应用过程中,该型号的无人机机械臂还可以利用自身的机械臂对整体无人机机身进行固定,甚至可以实现间歇性休息,保证无人机可以像小鸟一样“站在”树干上休息,实现其智能化.无人机与机械臂的有效结合,代表着当前科学技术的创新与智能理念的合理应用,为各行各业的发展提供全新的理念,尤其是对当前的较为危险的行业来说,在进行维修、检测、施工、危险排除等方面具有良好的应用效果,改变人们的生活.
笔者针对传统绳钩组在转移爆炸物时,排爆队员距离爆炸物较近这一缺点,设计了一款以无人机为平台的无人机爆炸物转移机械臂系统.此款无人机爆炸物转移机械臂系统可远距离操控,使用数据手套操控机械臂抓取物体,具有操作简单、抓取效率高等特点.为排爆队员的日常排爆工作提供了又一利器.
文章所述的无人机爆炸物转移机械臂系统由无人机机械臂和仿生控制系统两部分组成.控制信号采用2.4g 无线传输.系统结构图如图1 所示.
2 硬件设计
2.1 机械臂端
机械臂端由3 部分构成：无线视频传输系统、机械臂、机械臂控制板.机械臂采用开源三舵机机械臂,可完成下降、抬升、抓取等动作.视频传输系统可将机械臂图像通过无线传输模块实时传输到操作端方便观察机械臂状态.无线传输模块采用基于5.8g 无线传输协议的无线传输套件（RC832+TS832S）,由于使用该频段无线设备较少,有效避免了其他无线电带来的干扰,实现了图像数据的有效传输.
此外,该无线传输套件传输信号稳定,信号传输距离远,可保证控制信号、视频信号的可靠传输.机械臂控制板主要用于接收控制信号控制机械臂舵机的转动从而带动机械臂运动.机械臂由3 部舵机构成,可实现抓取、释放、抬升、降低等动作.它可满足对物体的抓取及释放的要求.此外,机械爪整体采用铝合金加铜柱制成,有效在降低整体重量的同时,保证机械爪的强度.机械爪内部采用波浪设计,防止抓取可疑爆炸物时发生打滑,使抓取更加稳固,保证可疑爆炸物转移时的安全.
机械臂端结构图如图2.
2.2 操作端
操作端主要由FPV 显示器、体感数据手套两部分组成.其中FPV 显示器内置无线视频接收模块,采用5.8g 无线信号传输视频信号,可接收来自无人机机械臂的实时图像,便于操作人员观察机械臂的实时状态,控制机械臂准确抓取物体.显示器屏幕采用LCD 高清屏幕,屏幕分辨率为1080P,可高质量的显示机械臂端摄像头拍摄的高清图像,为机械臂的控制提供可靠保障.
体感数据手套能捕捉左、右手各5 只手指的弯曲程度,同时能捕捉手掌运动姿态,包括：加速度、角速度、角度.手指弯曲程度传感器以阻值形式反映.
非弯曲状态电阻：～ 9000Ω
90 度弯曲电阻：～ 14000Ω
180 度弯曲电阻：～ 22000Ω
内部电路将阻值转化为电压值,通过32 位处理器打包后输出.输出的数字信息即为机械臂的控制信息.该信息经无线传输模块传输到机械臂端,通过解析为对机械臂上、中、下三部舵机的控制电流.通过电流的控制,三个舵机发生不同的转动,协同完成机械臂的抬升、抓取、释放等动作.
2.3 供电设计
为了提高设备的通用性及适配性,本系统采用10400mA,5V ／ 12V 双输出UPS 移动电源.电源内部采用18650-3.7V 锂电池电芯.内部装有锂电池保护板,防止电池过充过放,有效确保电源使用安全.电源集成化程度高,体积小重量轻,电流输出稳定,为系统提供了可靠的供电.
3 结论
文章所述的无人机排爆机械臂系统,采用先进的体感数据手套对机械臂进行精确控制,抓取释放操作更加直观,同时配有3 舵机机械臂,可轻易完成抓取、释放、抬升、降低等操作.5.8g 无线图传设备,提供了高清实时的视频图像,使操作员能够对机械臂的操作状态及时调整.本系统不但可用于可疑爆炸物转移,稍加改造还可用于灾害发生时,物品的投递及危险地区物品的采样.
参考文献
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机械臂论文范文结:
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2、机械类杂志
3、机械期刊
4、煤矿机械期刊
5、机械传动期刊