多功能模块化排爆机器人设计说明书

第一届xxx机械创新设计大赛作品说明书

多功能模块化排爆机器人

参赛学校xxxx

参赛学员 xxxx

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摘要：地面无人作战平台在现代战争中已经开始扮演着重要的角色，国内外都在对此进行研究。本文依据自主设计并制作的多功能模块化排爆机器人（样机）和相关的战场适应性能试验，主要研究了模块化设计理念在我军未来无人作战装备中的具体实现方案和采用模块化理念设计的无人作战平台对战场、战争环境的适应性。为未来我军无人化装备的设计和生产提供了有益的借鉴。

关键词：模块化、多功能、排爆、机器人、无人化

一、设计背景

目前国内外恐怖主义猖獗，活动类型多样，在很多地区还存在着大量恐怖分子遗留的爆炸物。由于人工排爆存在巨大危险性，排爆机器人已成为反恐作战的重要装备之一。

在国外，美军提出并实施了“联合机器人计划”(JRP)，国防高级研究计划局提出了“战术移动机器人”(TMR)、“未来战斗系统”（FCS）、无人地面战车等项目，目前有100多项战斗任务可由机器人承担，如机器人弹药装填手、机器人排雷车、火力支援机器人等。美、英、德、法及日本等国均已经研制出多种型号的地面无人作战平台，有的已在波黑战争和伊拉克战争中使用。除上述国家外，其他国家也在开展地面无人作战平台的研制工作，如加拿大的“改进型地雷探测计划”，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，比利时的HUDEM项目，西班牙的“罗德”轮式地面无人平台以及俄罗斯的“越野车”-M3超轻型移动式机器人等。

排爆机器人是目前较具研究价值的机器人产品，在反恐怖斗争领域可用来执行诸如反恐排爆的任务，战场上排爆机器人则用以执行诸如排除爆炸物，战场信息收集的任务；稍加改造，即可加装单兵武器用于武装巡逻、战斗值勤等高危险任务。基于军用机器人产品系列化、通用化的需要，在小型移动平台基础上，提出并制作了多功能模块化排爆机器人，其包括履带式底盘、机械手臂、控制系统、侦察系统等，集模块化、多功能、自动控制于一体，可用于各种复杂、危险情况下的可疑危险物品的清理作业，以及代替现场安检人员实地勘察，实时传输现场图像。

二、主要设计研究内容

本设计主要解决的是该机器人在不同环境条件下的行进与作业。该机器人由履带式底盘、机械手臂、侦察系统、控制系统等四部分组成，通过无线遥控的方式，从而实现对可疑物品的准确抓取与排除。

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；电子控制部分由底盘控制电路、排爆作业装置控制电路、无线遥控控制电路等多项模块化电子控制电路组成。

（1）机械部分设计

模块化底盘的设计采用履带式，差速转向。模块化底盘主要包括车架、履带子模块、减震装置设计、云台装置安装区、控制电路安装区等五大部分（块）。块与块之间要保持功能尽量独立的同时，接口设计还要标准化，以便按照需求模块化维修、更换，从而保证底盘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臂和排爆机械手。排爆机械臂结构形式仿照挖掘机作业臂，液压缸由电动推杆代替。排爆机械手采用两指式，四连杆机构，丝杆电机提供动力。

图2.2 履带子模块图2.3 履带式底盘履带是采用两个侧板将履带的驱动电机与驱动轮封装在一起，使其与底盘之间可简单地连接来完成车体组装。底盘主要包括与履带连接的减震装置、电池安装区、回转平台安装区、控制电路安装区等四大区域。接口设计标准化以便维修、更换，保证了底盘的适应性和良好的可维护性。采用双履带独立驱动，通

过控制系统使两边履带差速，实现底盘的转向，两边履带分别正转和反转可实现原地转向。

图2.4 机械手指臂图2.5 机械爪设计图排爆机器人手臂采用的是20×20mm方管材料，动力装置为电动推杆，铰接点采用标准支座和连接销，能满足较高精度的控制需求。排爆机械爪采用四连杆机构，动力系统采用47式混合动力步进丝杆电机，从而保证了排爆作业过程的精准高效。

（2）电子控制部分设计

模块化底盘的控制系统主要包括对两个底盘驱动电机的驱动控制和对回转作业云台的驱动控制。由于底盘驱动电机功率为250W，采用普通L298N难以完成驱动，选用工业上使用的大功率控制器AQMD3610NS直流电机驱动器。本驱动器支持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。本次选用电位器控制，以适应初期状态调试与控制的需要。步进电机的驱动器选用亘恒H5700步进电机驱动器，本驱动采用分立元件结构，具有自动半流，过压、过流保护等功能，微步细分数有14种，最大步数51200Pulse/rev；电流分档可调，二相4线，6线，8线均可使用。适合42、57系列4A以下（含4A）两相四线、六线、八线步进电机。完全能够满足回转作业云台的驱动控制。

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 电路总图

图2.9 驱动电路PCB板图2.10 通信原理图无线遥控控制电路需要包括一个无线遥控操作手柄，需要相应的多点通信模块，以完成对各个机械部分功能模块的无线控制。

（3）侦察系统

图像的采集采用基于无线局域网的P2P 网络摄像头，使用上位机软件XXCAMERA ，可完成对摄像头采集到的图像进行实时存储和显示。操作人员经过一定练习可在非视距条件下，面对屏幕完成对可疑爆炸物的准确排除。

图2.11 侦查监控系统图

另外，为了实现对战场的无人侦查和对可疑爆炸物的远距离无线排爆，需要机载摄像机的辅助与配合，为此图像的无线实时传输也是本次设计的重点和难点。

（4）无线遥控控制电路的设计与实现

无线控制采用基于串口通信的射频模块APC220-43。

图2.12 通信模块 图2.13 终端设备与通信模块接线图 APC220-43模块是高度集成半双工微功率无线数据传输模块，其嵌入高速单片机和高性能射频芯片。创新的采用高效的循环交织纠正检错编码，抗干扰和灵敏度都大大提高，最大可以纠正24bits 连续突发错误，达到业内的领先水平。APC220-43模块提供了多个频道的选择，可在线修改串口速率，发射功率，射频速率等各种参数。APC220-43模块能够透明传输任何大小的数据，而用户无须编写复杂的设置与传输程序，同时小体积宽电压运行，较远传输距离，丰富便捷的软件编程设置功能，使之能够应用于非常广泛的领域。

无线遥控操作手柄采用PlayStation 2，简称PS2，是日本Sony 旗下的索尼电脑娱乐SCEI(Sony Computer Entertainment Inc.)，于2000年3月4日推出的家用型128位游戏系统，这套无线控制系统里就包含PS2电玩手柄。

侦查摄像头

无线路由器 远程电脑监控系统

图2.14 射频接收器与UNO控制器接线图图2.15 PS2手柄及接受器电路

图2.15中，基于PS2手柄的遥控器组成有SONY PS2电玩手柄，手柄接收器，Arduino UNO控制器，APC220无线数传模块，8.4V锂聚合物电池。这个遥控器经过了两次无线数传，才把手柄上的操作命令传递给平台各个模块电路的Arduino MEGA328P控制器。一次是SONY手柄通过射频信号把信息传递给它的自带射频接收器，二次是与射频接收器相连的Arduino UNO控制器通过APC220无线数传模块传递给小车上的Arduino MEGA328P控制器。之所以不把SONY手柄射频接收器直接连到Arduino MEGA328P控制器，主要是为了实现多点通信和延长无线控制距离，提高通信稳定性。

调试过程中用到了上位机调试软件Open Jumper，此软件具有调试方便，功能强大，稳定性好，兼容Windows系列各类系统的特点。

图2.16 上位机调试软件界面

三、三维效果展示

UG是Unigraphics的缩写，这是一个交互式CAD/CAM(计算机辅助设计与计算机辅助制造)系统，它功能强大，可以轻松实现各种复杂实体及造型的建构。通过UG三维建模可更加清楚地看到该排爆机器人的总体装配、各个零部件形状尺寸及其装配关系。

图3.1 夹块图3.2 夹块与手指臂安装

图3.3 机械爪部分安装

由图3.1可以清楚地看出夹块的形状，而图3.2则显示了夹块与手指臂的安装关系，图3.3表明了电机的转动带动手指臂的摆动，从而控制两边夹块的分合，实现夹放物体。

图3.4 履带式底盘图3.5 机械手与回转平台安装

图3.6 整机安装

图3.4是履带式底盘三维效果图，由图3.5和3.6可看出是机械臂与底盘上回转平台的安装是通过大臂与支架的连接，其中机械臂大臂的俯仰是通过安装在支架上的推杆的伸缩实现的。

四、主要性能参数

底盘相关参数

整机重量：P=40kg

有效载重：M≥30kg

行驶速度：v=1-3m/s；

续航能力：t=2h；

爬坡能力：γ≥30°；

越障高度：h≥15cm；

机械臂的自由度：F=5；

最大作业半径：r=1.5m；

夹子承载能力：m=2kg。

电路部分相关参数

电池储电能力：t=3h

无线控制距离：R=500m

图像无线传输网络：rw=50m

网络容纳节点数：3个

五、创新点

1）该机器人采用模块化设计，运用系列化、标准化的零部件，从而使其便于维修以及零部件的更换；

2）机械臂的自由度设计为5，配合回转平台的运动可将其作业半径提升50%，有效增加了其作业范围及灵活性，工作臂可以多段折叠，在非作业状态下，可以收起以免碰撞；

3）工作装置采用轻质高强度铝合金材料制成，用永磁直流电机对机械手进行控制，实现了各种复杂情况下稳定可靠地进行作业；

4）应用无线通信技术，可远程完成对作业平台的运动控制，减少人力排爆的危险性。摄像头完成的远程视频监控可以协助操控人员更加便捷地完成平台的作业。

六、推广应用价值

多功能模块化排爆机器人可代替现场安检人员实地勘察，实时传输现场图像；搬运、转移爆炸可疑物品及其他有害危险品；代替排爆人员使用爆炸物销毁器销毁炸弹；极大地避免了不必要的人员伤亡。排爆机器人不仅可以排除爆炸物，利用它的摄像头（或者加装其他传感器）还可以在不会暴露自己的情况下监视犯罪分子的活动，侦查周边环境的安全性，也为未来我军无人化装备的设计和生产提供了有力的借鉴。

参考文献：

[1]周建钊主编，底盘结构与原理，国防工业出版社，2012.08.

[2]濮良贵主编，机械设计，高等教育出版社，2001.06

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[9]程晨. Arduino开发实战指南：A VR篇[M].北京：机械工业出版社，2012.224~227