本發(fā)明涉及一種基于fpv頭戴顯示的機(jī)械外骨骼式排爆機(jī)器人,屬于機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

當(dāng)前，無(wú)論在國(guó)外還是在國(guó)內(nèi)反恐排爆機(jī)器人系統(tǒng)的研究都是處在一個(gè)上升階段而且也取得了很多成果。其中以美、英、德、法、以色列等國(guó)家較為成熟，并相繼有排爆機(jī)器人產(chǎn)品投入實(shí)際應(yīng)用。英國(guó)是公認(rèn)的研究排爆機(jī)器人較早的國(guó)家，其研制的“手推車(chē)”(wheelbarrow)排爆機(jī)器人是世界上最有名的排除爆炸物機(jī)器人。美國(guó)remote公司的安德魯斯(andros)系列排爆機(jī)器人是產(chǎn)品系列和型號(hào)較多的排爆機(jī)器人系列產(chǎn)品。主要型號(hào)有androsⅱ、androsva、androsvia、f6a等。其中“魔爪”(talon)機(jī)器人是第一代小型遙控?zé)o人地面車(chē)輛，由美國(guó)fostermiller公司生產(chǎn)，自重45kg，具有重量輕、堅(jiān)固、快速、承載能力強(qiáng)和操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。它參與了伊拉克行動(dòng)和阿富汗戰(zhàn)爭(zhēng)，共執(zhí)行任務(wù)兩萬(wàn)余次，被《時(shí)代》雜志評(píng)選為2004年最令人驚異的發(fā)明之一。除此之外，國(guó)外較具有代表性的排爆機(jī)器人產(chǎn)品還有拿大pedsco公司生產(chǎn)的robhaz排爆機(jī)器人和rmi-9wt大型排爆機(jī)器人、法國(guó)alsetex公司的mc800小型排爆機(jī)器人、法國(guó)dm公司研制的rm35機(jī)器人、德國(guó)telerob公司的mv4爆炸物處理機(jī)器人、英國(guó)p.w.allen公司的defender排爆機(jī)器人等。其中部分機(jī)器人已經(jīng)過(guò)實(shí)戰(zhàn)考驗(yàn)，馳騁于反恐排爆的第一線。國(guó)外的排爆機(jī)器人產(chǎn)品經(jīng)過(guò)幾十年的研究已經(jīng)得到大量的應(yīng)用功能完善、技術(shù)先進(jìn)是其主要的特點(diǎn)。目前，國(guó)外的排爆機(jī)器人研究正在從第一代的完全依賴(lài)人工控制的遙控排爆機(jī)器人以及第二代的具有視覺(jué)、感知、和信息處理技術(shù)的排爆機(jī)器人向著具有高度智能化、網(wǎng)絡(luò)化控制、全自主能力的排爆機(jī)器人方向發(fā)展。同時(shí)，基于多年的基礎(chǔ)性研究以及相對(duì)成熟的技術(shù)，國(guó)外的排爆機(jī)器人產(chǎn)品已經(jīng)系列化、規(guī)?；?，其產(chǎn)品不僅種類(lèi)齊全而且具有很好的互換性和通用性。模塊化的設(shè)計(jì)思想使得一種機(jī)器人經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的改裝就可以應(yīng)用與其它不同的場(chǎng)合。相對(duì)于西方發(fā)達(dá)國(guó)家，我國(guó)的排爆機(jī)器人研究起步較晚。目前我國(guó)大約有30家左右的高等院校和科研院所在從事各類(lèi)排爆機(jī)器人的研究工作并相繼有一些產(chǎn)品問(wèn)世并投入使用。其中有廣東省駿達(dá)經(jīng)濟(jì)實(shí)業(yè)有限公司研制的jd-pd-06a特種機(jī)器人、上海廣茂達(dá)伙伴機(jī)器人有限公司研制的龍衛(wèi)士dg-x3b型反恐排爆機(jī)器人。除此之外，中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化所研制的“靈蜥-a”型、“靈蜥-b”型排爆機(jī)器人、北京金吾高科技有限公司研制的jw-901b型排爆機(jī)器人和上海交通大學(xué)研制的super-dⅱ排爆機(jī)器人都因其各自的優(yōu)點(diǎn)應(yīng)用于各種特殊的場(chǎng)合。由中國(guó)航天科工集團(tuán)公司自主研制、某些技術(shù)已處于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平的第二代排爆機(jī)器人“雪豹—10”已進(jìn)入調(diào)試及實(shí)驗(yàn)階段。華南理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院蔣梁中教授主持研制的“智能排爆機(jī)器人”基于多級(jí)控制結(jié)構(gòu)，性能先進(jìn)，取得多項(xiàng)技術(shù)創(chuàng)新。與國(guó)外相比，雖然我國(guó)的排爆機(jī)器人取得了科技含量較高的可喜成果。但是總體來(lái)說(shuō)排爆機(jī)器人研究還處于發(fā)展階段，基礎(chǔ)性研究還較薄弱，機(jī)器人功能單一，尚未形成沒(méi)有系列化發(fā)展。國(guó)內(nèi)對(duì)于排爆機(jī)器人的研究應(yīng)該借鑒國(guó)外的成功經(jīng)驗(yàn)，積極開(kāi)展具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的排爆機(jī)器人及其相關(guān)技術(shù)的研究，尤其基于小型化的多用途的排爆機(jī)器人的研究。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是隨著打擊恐怖主義的浪潮席卷全球，恐怖組織雖然失去大部分武裝力量，但是恐怖活動(dòng)卻仍然存在。由于具備危害大、易發(fā)動(dòng)、難防范的特點(diǎn)，爆炸襲擊成為恐怖襲擊最主要的方式。而靠排爆人員人體排爆的話效率不高，且危險(xiǎn)性太大，稍有差池便會(huì)付出生命，針對(duì)以上情況和現(xiàn)有技術(shù)不足提供一種基于fpv頭戴顯示的機(jī)械外骨骼式排爆機(jī)器人。

本發(fā)明采取的技術(shù)方案是:

1、為使機(jī)器人可在復(fù)雜地形上保持較好的機(jī)動(dòng)性，機(jī)器人的移動(dòng)單元采用履帶式底盤(pán)。

2、為解決傳統(tǒng)機(jī)械臂控制繁瑣的問(wèn)題，本作品機(jī)器人的機(jī)械臂為6自由度，采用穿戴式外骨骼控制機(jī)械臂。

3、為實(shí)現(xiàn)操作人員身臨其境的感覺(jué)，通過(guò)仿人眼雙目攝像頭采集現(xiàn)場(chǎng)圖像傳輸?shù)絝pv頭戴顯示設(shè)備合成3d圖像，頭戴顯示設(shè)備上加裝三軸數(shù)字陀螺儀采集頭部姿態(tài)數(shù)據(jù)，通過(guò)無(wú)線射頻發(fā)送至機(jī)器人上控制雙目攝像頭的二自由度數(shù)字云臺(tái)跟蹤操作人員頭部姿態(tài)，使操作人員能更好的融入到當(dāng)前的環(huán)境中。

本發(fā)明所述排爆機(jī)器人由機(jī)械外骨骼部分、傳感器部分、無(wú)線通訊部分、fpv頭戴視頻傳輸部分、單片機(jī)控制部分、運(yùn)動(dòng)底盤(pán)部分、機(jī)器人機(jī)械臂部分組成，其結(jié)構(gòu)包括角度傳感器、a/d轉(zhuǎn)換器、步進(jìn)電機(jī)、按鍵、k60單片機(jī)、外骨骼連桿機(jī)構(gòu)；

所述機(jī)械外骨骼部分，為保證輕量化以及整體舒適性，連接件使用碳纖維材料，關(guān)節(jié)部位使用鈑金件，仿真人體手臂。骨骼機(jī)械臂總共有6個(gè)自由度，為滿足長(zhǎng)時(shí)間使用需求，設(shè)計(jì)一個(gè)背部連接件把重量傳遞到腰部，增加使用者的使用時(shí)間；考慮到選用的角度傳感器的軸無(wú)法承受過(guò)大力矩，因此不直接用其作為軸，而采用一個(gè)1:1的直齒圓柱齒輪來(lái)傳遞角度給角度傳感器。

所述角度傳感器模塊，采用p3022-v1-cw360霍爾角度傳感器，霍爾角度傳感器是一款阻尼極小且無(wú)機(jī)械觸點(diǎn)的角度傳感器，其可測(cè)角度為0到360°無(wú)死角全角度，輸出為0到5v，分辨率達(dá)到12位，傳感器表面采用鋁合金制成，堅(jiān)固耐用，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性與卓越的長(zhǎng)期穩(wěn)定，此外該產(chǎn)品具有品質(zhì)卓越、超快響應(yīng)、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比極高等優(yōu)點(diǎn)；

所述無(wú)線通訊部分，采用cc2530-zigbee無(wú)線通訊模塊，該無(wú)線通訊模塊采用zigbee通訊協(xié)議，其可靠性高，zigbee有很多方面進(jìn)行保證，物理層采用擴(kuò)頻技術(shù)，能夠抵抗干擾，mac應(yīng)用層即aps部分有應(yīng)答重傳功能；mac層的csma機(jī)制使節(jié)點(diǎn)發(fā)送前先監(jiān)聽(tīng)信道，可以起到避開(kāi)干擾的作用，且其能耗低，通常zigbee節(jié)點(diǎn)所承載的應(yīng)用數(shù)據(jù)速率都比較低。在不需要通信時(shí)，節(jié)點(diǎn)可以進(jìn)入低功耗的休眠狀態(tài)，此時(shí)能耗可能只有正常工作狀態(tài)下的千分之一；由于一般情況下，休眠時(shí)間占總運(yùn)行時(shí)間的大部分，有時(shí)正常工作的時(shí)間還不到百分之一，因此達(dá)到很高的節(jié)能效果。

所述fpv頭戴視頻傳輸部分，采用boscamgs909fpv，該套頭戴視頻傳輸系統(tǒng)采用仿人眼雙目攝像頭采集視頻數(shù)據(jù)，可通過(guò)頭戴視頻眼鏡實(shí)現(xiàn)3d效果，通訊可選4個(gè)頻道，防止干擾，在fpv模式下，視頻眼鏡內(nèi)置數(shù)字陀螺儀，結(jié)合二軸云臺(tái)可實(shí)現(xiàn)跟蹤頭部姿態(tài)功能。

所述k60單片機(jī)控制部分，最小系統(tǒng)使用k60144pin封裝，用到的接口為：pwm接口，外部中斷接口，若干普通i/o接口，其他部分還包括電源濾波電路、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、串行通訊接口、bdm接口和spi接口。

所述運(yùn)動(dòng)底盤(pán)部分，采用履帶式運(yùn)動(dòng)底盤(pán)，可適應(yīng)各種復(fù)雜地形，負(fù)重能力強(qiáng)，且履帶使用壽命長(zhǎng)，由k60型單片機(jī)的pwm引腳與電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片tps7971通訊，芯片tps7971將單片機(jī)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)通過(guò)輸出的四個(gè)引腳連接步進(jìn)電機(jī)，使得步進(jìn)電機(jī)要求的按步數(shù)和角度轉(zhuǎn)向。

所述機(jī)器人機(jī)械臂部分，采用仿真人手臂設(shè)計(jì)為6個(gè)自由度，且機(jī)械臂前端的功能部件可拆換。

本發(fā)明所述機(jī)器人工作過(guò)程為：

給裝置上電后，單片機(jī)開(kāi)始初始化，進(jìn)入循環(huán)：

由雙目攝像頭采集現(xiàn)場(chǎng)圖像通過(guò)圖傳模塊傳輸?shù)絝pv頭戴視頻顯示設(shè)備；

當(dāng)視野內(nèi)沒(méi)有發(fā)現(xiàn)爆炸物則需轉(zhuǎn)換攝像頭角度，此時(shí)只需轉(zhuǎn)動(dòng)頭部，三軸數(shù)字陀螺儀會(huì)采集頭部姿態(tài)數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線射頻模塊發(fā)送給機(jī)器人，從而控制兩軸云臺(tái)運(yùn)動(dòng)，改變攝像頭的角度；

如果發(fā)現(xiàn)爆炸物，則操作人員移動(dòng)手臂，機(jī)械外骨骼會(huì)采集人體手臂姿態(tài)數(shù)據(jù)，通過(guò)無(wú)線射頻模塊把數(shù)據(jù)發(fā)送給機(jī)器人，控制機(jī)器人完成相應(yīng)任務(wù)。；

工作流程功能：

使用仿人眼雙目攝像頭采集視頻數(shù)據(jù)，使視頻具有3d效果；

使用陀螺儀追蹤頭部姿態(tài)，方便攝像頭的轉(zhuǎn)向；

采用機(jī)械外骨骼控制機(jī)械臂，符合人本身的運(yùn)動(dòng)習(xí)慣，簡(jiǎn)化操作。

本發(fā)明的有益效果：

在當(dāng)今反恐排爆形勢(shì)十分嚴(yán)峻的情形下，由排爆人員親身進(jìn)入排爆現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行作業(yè)有很大危險(xiǎn)性，即使身著全套的排爆服裝仍無(wú)法百分之百的保證排爆人員的人身安全，且排爆人員在穿著厚重的排爆服后行動(dòng)也不靈便，特別是手指不是特別靈活，無(wú)法有效進(jìn)行精細(xì)的操作，且排爆人員本身承受著極大的心理壓力，精神高度緊張，這種狀態(tài)下很容易出現(xiàn)人為失誤，增大爆炸危險(xiǎn)的可能性。介于此類(lèi)情況本發(fā)明所述機(jī)器人可代替排爆人員進(jìn)入危險(xiǎn)的排爆現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行偵查和搜尋任務(wù)，發(fā)現(xiàn)爆炸物后可對(duì)爆炸物進(jìn)行抓取，如有障礙物還可更換功能模塊進(jìn)行切割和鉆孔操作。最大限度的保障了排爆人員的人身安全，極大的降低了排爆人員的心理負(fù)擔(dān)，使排爆工作效率得到極大的提升。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明所述系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明機(jī)器人本體主要控制電路原理圖。

具體實(shí)施方式

結(jié)合附圖說(shuō)明如下：

一種新型排爆機(jī)器人系統(tǒng)，主要由機(jī)械外骨骼部分、傳感器部分、無(wú)線通訊部分、fpv頭戴視頻傳輸部分、單片機(jī)控制部分、運(yùn)動(dòng)底盤(pán)部分、機(jī)器人機(jī)械臂部分組成，其結(jié)構(gòu)包括角度傳感器、a/d轉(zhuǎn)換器、步進(jìn)電機(jī)、按鍵、k60單片機(jī)、外骨骼連桿機(jī)構(gòu)。

所述機(jī)械外骨骼部分，在材料選擇方面，為保證輕量化以及整體舒適性，在某些連接件上使用碳纖維材料，在關(guān)節(jié)部位使用鈑金件，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，仿真人體手臂此外骨骼機(jī)械臂總共有6個(gè)自由度，為滿足長(zhǎng)時(shí)間使用需求，我們發(fā)明一個(gè)背部連接件把重量傳遞到腰部，增加使用者的使用時(shí)間，考慮到我們選用的角度傳感器的軸無(wú)法承受過(guò)大力矩，因此不直接用其作為軸，而采用一個(gè)1:1的直齒圓柱齒輪來(lái)傳遞角度給角度傳感器。

所述角度傳感器模塊，采用p3022-v1-cw360霍爾角度傳感器。霍爾角度傳感器是一款阻尼極小且無(wú)機(jī)械觸點(diǎn)的角度傳感器，其可測(cè)角度為0到360°無(wú)死角全角度，輸出為0到5v，分辨率達(dá)到12位，傳感器表面采用鋁合金制成，堅(jiān)固耐用，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性與卓越的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，本發(fā)明具有品質(zhì)卓越、超快響應(yīng)、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比極高等優(yōu)點(diǎn)。每個(gè)霍爾角度傳感器出廠前都在極為精確的角度檢測(cè)儀器進(jìn)行校準(zhǔn)。

所述無(wú)線通訊部分，采用cc2530-zigbee無(wú)線通訊模塊，此無(wú)線模塊采用zigbee通訊協(xié)議，其可靠性高，zigbee有很多方面進(jìn)行保證。物理層采用了擴(kuò)頻技術(shù)，能夠在一定程度上抵抗干擾，mac應(yīng)用層(aps部分)有應(yīng)答重傳功能。mac層的csma機(jī)制使節(jié)點(diǎn)發(fā)送前先監(jiān)聽(tīng)信道，可以起到避開(kāi)干擾的作用，且其能耗低，通常zigbee節(jié)點(diǎn)所承載的應(yīng)用數(shù)據(jù)速率都比較低。在不需要通信時(shí)，節(jié)點(diǎn)可以進(jìn)入很低功耗的休眠狀態(tài)，此時(shí)能耗可能只有正常工作狀態(tài)下的千分之一。由于一般情況下，休眠時(shí)間占總運(yùn)行時(shí)間的大部分，有時(shí)正常工作的時(shí)間還不到百分之一，因此達(dá)到很高的節(jié)能效果。

所述fpv頭戴視頻傳輸部分，采用boscamgs909fpv，此套頭戴視頻傳輸系統(tǒng)采用仿人眼雙目攝像頭采集視頻數(shù)據(jù)，可通過(guò)頭戴視頻眼鏡實(shí)現(xiàn)3d效果，通訊可選4個(gè)頻道，防止干擾，在fpv模式下，視頻眼鏡內(nèi)置數(shù)字陀螺儀，結(jié)合二軸云臺(tái)可實(shí)現(xiàn)跟蹤頭部姿態(tài)功能。

所述k60單片機(jī)控制部分，最小系統(tǒng)使用k60144pin封裝。用到的接口為：pwm接口，外部中斷接口，若干普通i/o接口，其他部分還包括電源濾波電路、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、串行通訊接口、bdm接口和spi接口。

所述運(yùn)動(dòng)底盤(pán)部分，采用履帶式運(yùn)動(dòng)底盤(pán)，可適應(yīng)各種復(fù)雜地形，負(fù)重能力強(qiáng)，且履帶使用壽命長(zhǎng)，由k60型單片機(jī)的pwm引腳與電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片tps7971通訊，芯片tps7971將單片機(jī)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)通過(guò)輸出的四個(gè)引腳連接步進(jìn)電機(jī)，使得步進(jìn)電機(jī)要求的按步數(shù)和角度轉(zhuǎn)向。

所述機(jī)器人機(jī)械臂部分，采用仿真人手臂設(shè)計(jì)為6個(gè)自由度，且機(jī)械臂前端的功能部件可拆換。

本發(fā)明所述機(jī)器人工作過(guò)程為：

給裝置上電后，單片機(jī)開(kāi)始初始化，進(jìn)入循環(huán)：

由雙目攝像頭采集現(xiàn)場(chǎng)圖像通過(guò)圖傳模塊傳輸?shù)絝pv頭戴視頻顯示設(shè)備；

當(dāng)視野內(nèi)沒(méi)有發(fā)現(xiàn)爆炸物則需轉(zhuǎn)換攝像頭角度，此時(shí)只需轉(zhuǎn)動(dòng)頭部，三軸數(shù)字陀螺儀會(huì)采集頭部姿態(tài)數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線射頻模塊發(fā)送給機(jī)器人，從而控制兩軸云臺(tái)運(yùn)動(dòng)，改變攝像頭的角度；

如果發(fā)現(xiàn)爆炸物，則操作人員移動(dòng)手臂，機(jī)械外骨骼會(huì)采集人體手臂姿態(tài)數(shù)據(jù)，通過(guò)無(wú)線射頻模塊把數(shù)據(jù)發(fā)送給機(jī)器人，控制機(jī)器人完成相應(yīng)任務(wù)。；

工作流程功能：

使用仿人眼雙目攝像頭采集視頻數(shù)據(jù)，使視頻具有3d效果；

使用陀螺儀追蹤頭部姿態(tài)，方便攝像頭的轉(zhuǎn)向；

采用機(jī)械外骨骼控制機(jī)械臂，符合人本身的運(yùn)動(dòng)習(xí)慣，簡(jiǎn)化操作。