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摘要：如何处理战场上散落的未爆炸的弹药、战争中遗留的弹药以及恐怖分子放置的遥控炸弹和实验靶场上的未爆炮弹，一直是非常棘手的问题。排爆机器人的研制与开发可以使人员在安全距离内不直接接触爆炸物，从而安全排除炸弹隐患。基于此，本文主要对排爆机器人机械臂控制系统设计进行分析探讨。
关键词：排爆机器人；机械臂；控制系统设计
1、前言
排爆机器人是指能代替人到不能去或不适宜去的有爆炸危险的环境中，直接在事发现场进行侦察、搬运和处理爆炸物及其他危险品的机器人。当排爆机器人移动到距离爆炸物较近距离时，后方操作人员控制机械臂接近爆炸物。当排爆机器人进入最佳工作位置时，用机械臂接近爆炸物，根据现场情况决定是利用水炮枪将爆炸物击毁，还是利用机械臂手爪将爆炸物搬离现场后再处理。
2、排爆机器人机械臂控制系统硬件设计
依据图1设计方案，机械臂控制系统包含三大模块：电源模块、主控制器模块、协处理器模块。
图 1排爆机器人机械臂控制系统原理图
2．1电源模块设计
电源模块在整个控制系统中的作用非常重要，它直接决定整个系统的可靠性。在整个控制系统中，CPU板、接插件板、协处理板、电机驱动器、数传及视频无线台等的供电都来自锂电池+40V直流电压输入，经稳压递减得到24V、12V、5V、3．3V等所需电压。笔者在第一级稳压电路输入插座后增加了1个稳压管进行过压保护，1个瞬态抑制二极管用以防止外部电源串扰。24V电压一路供机械臂驱动器、底盘驱动器、云台驱动器等需要24V的电路，另一路经DCDC稳压模块转换为12V电压。12V电压一路供传感器接口电路、视频接口电路、视频无线台、数传无线台等电路，另一路经DC-DC稳压模块转换输出5V电压供需要的芯片。主控制器与协处理器绝大部分的芯片需要3．3V电压，该电压由相关DC-DC稳压模块转换获得。
由于电源系统是采用递减稳压，前级工作时产生的干扰信号很有可能通过电源对下级产生干扰。为保证各级电源可靠工作，必须强化各级的前后滤波，使干扰降到最小。特别是3．3V电压，它是提供CPU、AD、DA等重要芯片工作电压的电源，稍有波动会对控制精度造成很大影响，因此本研究采用多个0．01μF、0．1μF、10μF等电容并接在输入与输出端，用以旁路不同频段的干扰信号。各级电压通过高可靠接插件向主控制器、协处理器等提供所需电压。
2．2主控制器模块设计
主控制器控制芯片采用PHILIPS公司生产的LPC2378芯片，它是一款基于AＲM架构的微处理器，内含10/100EthernetMAC、USB2．0全速接口、4个UAＲT、2路CAN通道、1个SPI接口、2个同步串行端口（SSP）、3个I2C接口等。片内高达512KB的Flash程序存储器，具有在系统编程（ISP）和在应用程序编程（IAP）功能；先进的向量中断控制器，支持32个向量中断；多达70个（LPC2368）或104个（LPC2378）的通用I/O管脚；10位A/D、D/A转换器等功能。芯片的这些硬件配置完全能满足主控制器的设计要求。主控制器由LPC2378微处理器最小系统及其周围的电源、以太网、SD卡、视频、CAN总线、UAＲT等电路组成，是整个系统的核心，也是系统中最复杂的电路板。主控制器通过外部总线与协处理器等进行通讯，需要用到LPC2378微处理器信号线：16根数据线、16根地址线、读、写、片选、中断等。由于信号从主控制器板到协处理器板需要通过接插件连通，为提高信号质量和驱动能力，本研究在系统中使用了两片74LVC16245芯片对各信号进行缓冲、整形。所有跟主控制器相关的芯片设计成一组模块，集成在一块6层PCB板上，通过接插件与协处理器PCB板连接。
2．3协处理器模块设计
协处理器控制芯片采用LPC2368，包括A/D、I/O、D/A、PWM等输入输出功能，可用于控制各类机器人常用传感器与执行器，如测距传感器、力敏传感器、伺服电机、编码器等。LPC2368内含10位A/D、D/A转换器，在使用采集功能时，需要向微处理器提供外部参考基准电压，该系统中将外部5V电源经滤波处理后，作为参考电压的基准。
CPLD（EPM570T100C5）是协处理器的另一重要器件，主要用于实现机械臂各关节位姿状态的转换与计算功能，它与主控制器LPC2378微处理器之间通过并行接口进行通信，将LPC2378的地址总线、数据总线和控制总线连接到CPLD的相应管脚上，通过CPLD内部逻辑，利用宏单元在CPLD内部构造出相应的寄存器。主控制器就可以通过读写这些寄存器来完成对CPLD的控制（共256个16位的访问地址），实现机械臂各关节位姿的调整。
3、排爆机器人机械臂控制系统软件设计
LPC2378微处理器是整个系统的核心，通过使用操作系统控制微处理器的底层硬件，可以较好地解决机械臂运行过程中的实时性问题，综观目前主流的嵌入式操作系统，μCOS-II操作系统比较适合用于这一场合。构建一个适用于LPC23XX系列CPU的μCOSII系统需完成以下几步：①编写或获取启动代码；②挂接SWI软件中断；③中断及时钟节拍中断；④编写应用程序。对于本系统而言，工作的重点在于挂接SWI软件中断、中断及时钟节拍中断、编写应用程序。
4、排爆机器人机械臂控制系统仿真测试
排爆机器人完成整个系统设计装配调试工作后，首先对机械臂控制系统进行以下仿真测试工作：
（1）机器人运行，机械臂收拢状态测试。输入肩关节、大臂关节转角0°，肘关节转角15°，腕关节转角－30°；启动运行程序，机械臂收拢，如图1所示。测得机械臂安装中心与手爪中心的间距为779．58mm，视频显示数据768．32mm，相对误差1．4%；机械臂质心与安装中心重合，符合机器人运行时要求。
（2）最佳排爆距离测试。输入肩关节转角0°，大臂关节转角120°肘关节转角－15°，腕关节转角－40°；启动运行程序，测得机械臂安装中心与手爪中心的间距为1492．65mm，视频显示数据1482．92mm，相对误差0．65%。
（3）最大机械臂长度测试。输入肩关节转角0°，大臂关节转角150°肘关节转角－30°，腕关节转角－35°；启动运行程序，测得机械臂安装中心与手爪中心的间距为1626．85mm，视频显示数据1618．23mm，相对误差0．53%。
（4）机械臂的手爪抓举力测试。将长×宽×高为200mm×200mm×200mm正方体，重16kg的重物块放在离机械臂0．8m处，通过远程操控抓举成功，其大于设计重量。
（5）机械臂的手爪前端剪断导线功能测试。将几根2．5mm2单股与多股铜芯电线放在离机械臂0．8m处，通过远程操控手爪前端，成功剪断所放电线，能用于切断引爆器电源。
（6）机械臂手爪起螺钉功能测试。将螺钉固定的钢结构小架子放在离机械臂0．8m处，通过远程控制手爪夹持专用螺丝刀；调整各关节，使螺丝刀刀刃垂直螺丝凹槽面对中稍压紧，逆向转动腕关节，拧出螺钉。仿真难度较大，用时较长，有待进一步设计与改进。机械臂控制系统在（1～3）项仿真测试中，视频数显与实测数据存在0．53%～1．4%的相对误差，这是由于传感器模块非线性误差引起的。通过协处理器线性化处理后，误差降至0．45%左右，完全达到设计要求。机械臂控制系统通过仿真测试，进一步论证机械臂控制系统已具备排爆机器人远程定位控制、拆除剪断引爆器和搬运爆炸物的功能，完全达到设计目标。
参考文献
［1］陈孝根．基于AＲM的焊接机械臂控制系统的设计［J］．煤矿机械，2015，36（3）：251－252．
［2］陈朝大，杜启亮，秦传波．基于DSP平台的排爆机械臂控制系统设计［J］．机床与液压，2014，42（3）：58－61
论文作者:黄海
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2019年13期
论文发表时间:2019/10/10
标签：机械论文; 机器人论文; 控制系统论文; 电压论文; 爆炸物论文; 转角论文; 微处理器论文; 《建筑学研究前沿》2019年13期论文;