大型排爆机械手机械系统设计与操纵算法研究.pdf

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1、上海交通大学 硕士学位论文 大型排爆机械手机械系统设计与操作算法研究 姓名：陶俊 申请学位级别：硕士 专业：机械电子工程 指导教师：张伟军 20080101 上海交通大学硕士学位论文 摘要 I 大型排爆机械手机械系统设计与操作算法研究 摘要 反恐机器人系统主要用于代替人工，直接在案发现场进行侦察，排除和 处理爆炸物以及其他危险品，也可以对持枪的恐怖分子及犯罪分子实施有效 攻击，是反恐部队中必不可少的重要装备，同时也广泛应用于救援以及作战 平台领域。本论文针对目前排爆机器人承载能力低、工作空间有限、不能适 应复杂环境等不足展开研究，研制了可适应车底、车厢等复杂环境作业的大 型排爆机械手， 主要包

2、括机械手的机械设计、 运动学分析及操作算法等方面。 本文先从整体上对机器人机械设计的特点和局部结构相关元件的选择进 行研究，根据作业环境的要求、负载能力，利用现代机械设计方法，如CAD 设计、模块化设计等，通过比较各种传动方式的优缺点，由抓取爆炸物的手 爪入手，按从前向后的顺序相对独立地利用Pro/E设计了排爆机械手的各个 关节结构。接着对其进行了运动干涉分析和改进，最终设计了一种具有平面 冗余度的六自由度机械手。 随后采用D-H坐标变换法建立了该机械手的运动 学模型，推导了坐标变换矩阵T和雅可比矩阵J，并进行算例验证。最后利 用传感器技术和冗余度机器人的特性提出了一种简单实用的机械手操作法，

3、 并用Matlab开发了运动仿真程序。 关键词：排爆机器人，机械手，机械设计及优化，操作算法，传感器 上海交通大学硕士学位论文 ABSTRACT II MECHANICAL DESIGN AND RESEARCH ON ALGORITHM FOR OPERATION OF LARGE EOD ROBOT MANIPULATOR ABSTRACT Anti-terrorism robot system is mainly used to detect, eliminate and dispose bomb or other dangerous exploder. In additon, it c

4、an be used for lauching attack to rodman and terrorist. It is not only the essential equipment in anti-terrorist army, but also widely used in succor and battle. Because of the low payload, finite work space and bad adaptability in complex envi- ronment, the thesis puts more emphasis on the issue an

5、d researches a series of problems including the whole design of robot manipulator, analysis of kinematics and algorithm for operation and so on, developed a large EOD robot manipulator which can be used in complex environmen such as bottom of motor and carriage. First, the thesis researched the char

6、acteristric of mechanical design as a whole and selection of partial structure units. According to the related requirement, with modern methods of mechanical design such as CAD, module design and so on, the thesis designed the joint structure dependently one by one from the grip to the waist after c

7、omparison of advantages and 上海交通大学硕士学位论文 ABSTRACT III disadvantages of each transmmision mechanism. Then the thesis researched the simulation of motion inference and finally accomplished a 6-DOF robot manipulator. Secondly, I established kinematic model of the EOD robot manipulator with D-H coorcina

8、tes transformation and calculated the matrix T and matrix Jocobian. Then I specified two different positon and orientation to validate the conclusion. At last, I developed an simple but practical algorithm for operation with the technology of sensor and traits of redundant manipulator. Then I pro- g

9、ramed the motion simulation by Matlab sofeware. KEY WORDS: EOD robot, manipulator, mechanical design and optimiza- tion, algorithm for operation, sensor 上海交通大学上海交通大学 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明

10、确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 上海交通大学上海交通大学 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。 本人授权上海交通大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密保密，在 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年

11、月 日 日期： 年 月 日 上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪论 1 第一章第一章 绪论绪论 1.1 课题来源课题来源 本课题来源于上海交通大学机器人所和上海市科委的合作项目：“大型排爆遥控 机械手集成系统” ，课题编号为 051111015。本课题主要完成面向排爆作业的大型冗 余机械手的结构设计和操作算法研究。 1.2 课题的研究背景课题的研究背景 机器人是人类创造的一种特殊的机器，尤其是近几十年来，机器人的发展已达 到了前所未有的程度。机器人正发展成为一个日益庞大的家族，代替人类从事各种 各样的工作，在生产生活方面，特别是在危险环境和极限环境作业中，它更是有着 广泛的应用前景。 现代人所

12、理解的机器人是一种通过远程遥控或程序控制，并能代替人类从事某 种作业的高度灵活的自动化机械系统。从广义上来说，它还包括机械手等外形上不 具备与人类相类似的自动化机械装置。美国机器人协会给“ROBOT”下的定义是： “机器人是一种可编写程序的具有多种功能的操作器， 它可以设计成具有搬运物体、 零件和工具等功能的特殊装置。通过改变它的编程动作，可完成不同的作业任务” 1。这个定义说明机器人有两个明显的特征：一是在编程条件下能自动工作；二是 具有高度的灵活性，可按编程完成多种任务。尽管这一定义比较实用，但并不全面， 因为定义中指的是工业机器人。 近十年来，机器人技术已成为具有代表性的高科技研究领域。

13、随着生产和科学 技术的发展，机器人技术的研究和应用领域也不断拓宽。为了适应工业自动化越来 越高的要求，机器人向更高的智能化方向发展。机器人智能化的实现依赖于良好的 机械结构特性和智能控制系统，二者相辅相成，完成复杂而精细的操作任务。机器 人种类繁多复杂，国际上根据其技术特点和规模大小的不同，对它们进行了大致的 分类。1990 年在工业机器人国际标准大会上把机器人分为四类：(1)顺序型。大多数 固定作业的装配机械手都属于此类。 (2)沿轨道作业型。 这类机器人能执行受控过程。 (3)远距离作业型。此类机器人可通过遥控，对操作者的行为反应可通过编程实现， 应用于核工业、真空、宇宙、海洋开发等领域。

14、(4)适应型或智能型。它们都具有感 知、适应和学习功能。智能机器人极大地扩展了机器人的应用领域。可以预见，这 种智能化机器人，必将普遍应用于生产领域中，更好地为人类服务。 特种机器人作为机器人中特殊的一类，是指专为某种特殊应用场合而设计的非 制造业中的各种机器人。特种机器人可以在危险、无法进入或对人体有害的环境中 上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪论 2 代替人类去完成复杂的操作。 而自美国“9/11”事件后，全球掀起了反恐高潮。随着全球化的发展和反恐工作 的深入，与恐怖分子的矛盾进一步的激化，反恐形势也发生着巨大的变化。在我国， 反恐形势也日趋严峻，如在我国新疆自治区及其周边地区的“东突”

15、恐怖组织等。通 过放置炸弹来制造爆炸恐怖活动，是恐怖主义组织进行恐怖主义活动的惯常手段。 除此之外，在世界上的很多国家，散布着许多未爆炸的弹药，例如，伊拉克战争结 束后，伊拉克境内和边境仍有大量的地雷、炮弹以及多国部队投下的布雷弹及子母 弹，其中至少有 20没有爆炸2。所以如何有效地排除爆炸物已经成为一个世界性 的问题。在这个背景下，排爆机器人作为一种安全有效的排除爆炸物的工具日益受 到各国的重视，并有着越来越广阔的市场前景。世界上有许多国家例如美国、英国、 以色列等发达国家都在加紧研制先进高效的排爆机器人。随着我国经济的高速发展 和综合国力的不断提高，一些国际间的军事合作和国内的恐怖活动的日

16、益猖獗，提 高反恐装备水平，进行新型反恐排爆机器人的研究开发成为摆在科技工作者面前的 一个难题。 1.3 排爆机器人的国内外发展现状排爆机器人的国内外发展现状 目前的排爆机器人的移动载体主要有履带式、轮式两种，或者是二者的组合3。 如比较典型的英国 MK8 手推车遥控车（Wheelbarrow MK8 Remote Controlled Vehicle） ，该机器人采用两根橡胶履带，最大速度为 55 米/分，通过车上齿轮和齿条 驱动装置能前后移动整车重心，从而改变车辆姿态。在改变车辆姿态时用凸轮装置 张紧履带。在前进方向时履带表面与地面之间保持一定角度，当车辆改变成后向位 置、吊起重物、下楼或

17、下陡坡时则通过改变车辆姿态保证车辆的稳定性。 1.3.1 排爆机器人的国外发展情况排爆机器人的国外发展情况 目前美国、英国、以色列、法国、德国等国都在积极研制各种反恐防暴、排爆 和军用机器人，现已有许多机器人装备部队和警察部门4。 如图 1-1 所示的由英国皇家武器装备研究与发展院（Royal Armment Research and Development Establishment, GB ）研制，科努尔发展有限公司 AB 电子产品分公 司 （AB Electronic Products Company, Kenure Development Ltd, GB） 生产的 “手推车” （Whe

18、elbarrow）是世界上有名的排爆机器人，其中 MK7 型于 70 年代装备英国陆 军，现已为 MK8 型代替8。MK8 型与 MK7 相比，改进了控制台等设备，完成排除 未爆炸物的能力由 6570%提高到 9095%。 MK8 型的一种称为红火(Redfire)的 变型车已于 1982 年用于马尔维纳斯群岛战争进行扫雷。该机器人移动载体装有 4 个电动机。电动机由蓄电池供电，间断使用蓄电池时可工作 2h。变速箱能在两个档 次下从 0 无级加速到最大速度，低速时操纵更加精确。高效变速箱使该车连续执行 上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪论 3 任务时间延长了 50%，运输行驶速度可达 8km

19、/h。通过车上齿轮和齿条驱动装置能 前后移动整车重心，从而改变车辆姿态。车体密封，可越过矮墙、壕沟等障碍物， 涉水深 200mm。 图 1-1 英国 Wheelbarrow（手推车）排爆机器人 Fig 1-1 EOD robot of Wheelbarrow in UK 其控制系统上下位机通过 100m 长的电线或用无线电通信线路进行通讯。操纵 台上装有控制车辆各种操作的开关。为进行观察控制，在车上模块武器支架系统和 伸缩管上安装了代替电子摄像机的彩色电荷耦合器件的电视摄像机。使用电机调节 焦距， 摄像机能检查最低高度为 50mm 的细小痕迹或单个螺钉。 车上还装有录像机、 扩音机等，可用于人

20、员培训。 美国对排爆机器人的研究也十分重视， 把它作为下一代战斗力的重要组成部分， 并投入大量资金和人力物力。 由美国 Remotec 公司的 Andros 系列机器人受到各国军 警部门的欢迎，白宫及国会大厦的警察局都购买了这种机器人5-6。Andros 机器人 可用于小型随机爆炸物的处理，它是美国空军客机及客车上使用的唯一的机器人。 海湾战争后，美国海军也曾用这种机器人在沙特阿拉伯和科威特的空军基地清理地 雷及未爆炸的弹药。 Andros 系列包括了多种型号的机器人， 如 Andros F6-A、 Andros Wolverine、Andros Mini II、Andros VA1 等。以

21、Andros F6A 为例，该机器人也 由一个移动载体和一个机械手组成。移动载体是关节式行走底盘，可以适合各种复 杂地形，如沙地、泥地、草地等，还可以跨越障碍、壕沟，爬楼梯。并且最小化的 设计可以使机器人在狭小的空间中自由操作。机器人还配备了多个摄像头（红外摄 像头，彩色摄像头） ，方便远程操作人员观察机器人的周边环境。同时，机器人还配 备各种排爆装备，可以做到当场销毁炸弹或者拆除炸弹的功能。图 1-2 为 Andros F6-A 的外形。 图 1-3 为法国 Cybernetix 开发的 TSR 200 型排爆机器人7，法国空军、陆军和 警察署都购买了这种机器人。该机器人移动底盘安装有橡胶履

22、带，能越过 40斜坡 和 30的侧坡，还可跨越 1.2 米的坑，也可通过多石的地面。机器人采用无线控制 时最远可到 300 米， 采用有线控制时最远可到 200 米。 机械手为 6 自由度的液压臂， 上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪论 4 全展开可举起 12 公斤的重物。机器人还可以加装 6 台摄像头和一台 X 射线仪，可 以方便的观察爆炸物及其周边环境。 图 1-2 美国 Andros 排爆机器人 Fig1-2 EOD robot Andros in America 图 1-3 法国 TSR 200 型排爆机器人 Fig1-3 EOD robot TSR 200 of France 德国

23、开发的排爆机器人对爆炸物的处理方面具有强大的功能8。该机器人装备 了 6 台摄像机和一台 X 光射线仪，用以检查物体的内部。人可以用遥控或者通过导 上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪论 5 线传送指令控制这个机器人，它有武器系统和水炮，还有一个特殊的冷冻装置，利 用冷冻方法使可疑爆炸物失去作用。机器人外形如图 1-4 所示。 图 1-4 德国的排爆机器人 Fig1-4 EOD robot of Germany 此外，以色列长期受到恐怖活动的威胁，对反恐工作更是重视，为了对付自杀 性爆炸袭击，研制和购买了多种型号的排爆机器人。另外，加拿大、澳大利亚、日 本、韩国等国都相继投入相当的人力物力来研

24、制排爆机器人。 1.3.2 排爆机器人的国内发展情况排爆机器人的国内发展情况 在国内， 排爆机器人的研制明显的落后于国外的产品。 但由于反恐形势的严峻， 国内也逐渐重视起排爆机器人的研制工作。已有多家研究所、高校科研单位以及企 业投入资金和人力进行排爆机器人的研制，并且有些已经投入了实际应用9-11。 由中国科学院沈阳自动化研究所自行研制的反恐防暴机器人 “灵蜥A” 型，“灵 蜥B”型也先后获得成功，如图 1-5 所示。 “灵蜥B”型属于遥控移动式作业机 器人，是一种具有抓取、销毁爆炸物等功能的新型机器人产品。它由本体、控制台、 电动收缆装置和附件箱四个部分组成，体形“矫健” ，自重仅 180

25、kg；由电池电力驱 动；最大直线运动速度为 40 米分钟；三段履带的设计可以让机器人平稳上下楼 梯，可以通过小于 45 度的斜坡和楼梯、跨越 0.45 米高的障碍，实现全方位行走， 具备较强的地面适应能力。同时可以根据要求装备爆炸物销毁器、连发霰弹枪、催 泪弹等武器，完成相应的各种功能。机器人外形如图 1-5 所示。 如图 1-6 所示的 Dragon III 型排爆机器人是北京瑞琦时代技术开发有限责任公 司最新研制开发的第三代 “排爆机器人” ， 是排爆人员用于处置或销毁爆炸可疑物的 专用器材， 避免不必要的人员伤亡。 它为关节型折叠四履带移动机器人， 装备有 3+1 自由度机械手(包括大、

26、小臂及旋转抓爪)和其他操作装置，其大、小臂完全展开时 能举起 10 公斤的重物。配备有两台 CCD 摄像机、照明设备、一台监视器和扬声器、 上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪论 6 话筒等，同时还有可选装置：爆炸物销毁器、霰弹枪及双钳式抓爪。Dragon III 型机 器人可以在 40 度的楼梯和斜坡行走，跨越 300mm 高障碍和 300mm 宽的壕沟，并 且能在 1.5m 宽的走廊回转。遥控距离为有缆 100 米。 图 1-5 灵蜥B 机器人 图 1-6 北京瑞琦 Dragon III 型机器人 Fig1-5 EOD robot of lingxi-B Fig1-6 Dragon III

27、 robot of ruiqi Beijing 由以上的介绍可以看出，国内外的排爆机器人在机械结构上都是履带式或者轮 式的移动载体加上一个多自由度机械手组成。由于机器人工作在非结构环境下，各 种地面情况复杂，因此移动载体应适合各种复杂地面情况，不仅能在沙石、斜坡等 路面行驶， 还要求能够爬楼梯跨越障碍等。 而机械手的设计则尽量以灵巧易控为主。 在检查炸弹、拆除炸弹以及销毁炸弹的过程中，都需要通过机械手的配合完成，因 此机械手的多自由度设计也非常的关键。目前我国的排爆机器人和国外的排爆机器 人还有较大差距，许多方面都有待于提高。 1.4 排爆机器人的组件和作业程序排爆机器人的组件和作业程序 1.

28、4.1 排爆机器人的主要组成排爆机器人的主要组成 1行走部分 排爆机器人的行走部分可以有多种形式的机构，主要有轮式、履带式、或履带 与轮式相结合的履带轮式等结构3。 轮式行走机构：常见的轮式有三轮、四轮、六轮等形式，结构简单，重量轻， 滚动摩擦阻力小，机械效率高，适合在较平坦的地面上行走，但由于轮子与地面的 附着力不如履带式机器人，因而越野性能也不如履带式，特别是爬楼梯、过台阶时 就比较困难。 履带式行走机构：有双履带、四履带等形式。履带式优点是越野能力强，可以 上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪论 7 爬楼梯、越过壕沟、跨门槛等各种障碍物 履带轮式行走机构：这种机构是在轮胎的外面装上履带，

29、当机器人在较平坦的 环境移动时，可将履带取下，以获得较快的移动速度。当机器人需要爬楼梯等障碍 物时，就可以将履带装上，以提高其越障能力。美国 Wolstenholme 机器公司生产的 MR5 排爆机器人及加拿大的 Pedsco 机器人公司都采用这种行走机构。 2控制方式 早期研制的排爆机器人大多是遥控机器人，移动机器人的研究主要集中在无人 驾驶车辆和遥控机器人方面。 移动平台和操作手都是由操作员来进行操作和控制的。 80 年代后期，由于新的控制方法、控制结构和控制思想的出现，研究人员开始研究 具有自主能力的移动机器人半自主移动机器人12，它可在人的监视下自主行 驶，在遇到困难时操作人员可以进行

30、遥控干预。 到了 90 年代，移动机器人已经发展到了具有自主能力的自主型移动机器人12 水平还难以实现全自主的排爆机器人，因为机器人在复杂的环境移动时，必须对地 面环境进行建模和处理，才能决定如何行动，计算机视觉技术对复杂环境的快速响 应仍然十分困难，需要高速图象处理技术、高精度的 GPS 、电子罗盘、激光雷达、 超声避撞、环境识别等技术。而地面复杂的环境如壕沟、台阶、水塘、沙地、沼泽 等也使机器人难以实现完全的自主。 3机械手 排爆机器人一般具有排除爆炸物、解救人质、消防、搬运、摧毁、射击、爬楼 梯等功能。机器人车上一般装有多台彩色 CCD 像机用来对爆炸物进行观察；一个 多自由度机械手，

31、利用手爪或夹钳可将爆炸物的引信或雷管拧下， 并把爆炸物运走。 机械手一般由多个转动和伸缩关节组成，一般为多个自由度。 4武器装备 有的排爆机器人上还配备武器系统，把爆炸物的定时装置及引爆装置击毁13。 机器人还装有高压水枪，可以切割爆炸物。排爆机器人不仅可以排除炸弹，而且利 用它的侦察传感器还可以监视犯罪分子的活动等。有的需要对爆炸物进行抓持、操 作、搬运等动作，还装有霰弹枪或高压水炮对爆炸物进行射击， 甚至可以将障碍物 切开，然后将摄像机伸到室内、车底、车箱、飞机等内部进行观察，将室内的情况 发送给操作人员。 1.4.2 排爆机器人作业程序排爆机器人作业程序 排爆工作涉及的装备主要有排爆车、

32、排爆机器人、爆炸物销毁器、频率干扰仪、 X 射线透视成像仪（如图 1-7 所示）排爆服、排爆工具组等13。 上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪论 8 图 1-7 便携式 X 线成像仪（左）和实际使用效果图（右） Fig.1-7 Portal imaging equipment of X-ray(left)&photo in practice(right） 当发现爆炸物时，排爆车（一般采用中型面包车）将排爆整套系统装备及排爆 人员快速运到案发现场。到达现场后，迅速将排爆机器人从排爆车上开下来，并将 其他排爆装备搬下来13：首先打开无线电频率干扰仪，置放在离爆炸物一定的距离 范围之内。随着无线电

33、通讯设备的高速发展和普及，犯罪分子大都采用各种无线电 遥控装置制造的遥控炸弹进行恐怖爆炸活动。而无线电频率干扰仪能有效地干扰各 类遥控系统多种频率的无线电通讯信号，使利用上述现代通讯手段制造的遥控爆炸 物引爆装置的无线电指令信号失效，排除遥控爆炸物引爆的可能性，从而保障排爆 工作的顺利进行。无线电频率干扰仪有两种类型，一种为手提便携式，一种为车载 式。 手提便携式由排爆人员手提放在离爆炸物合适的位置； 车载式安装在排爆车上， 功率大，干扰信号覆盖面积大，应用更加机动方便。 图 1-8 便携式（左）和车载式（右）无线电频率干扰仪 Fig.1-8 Portal(left) & car(right)

34、 radio-frequency interfering equipment 手提便携式和车载式无线电频率干扰仪如图 1-8 所示，其主要技术参数如下， 手提便携式干扰仪： 干扰频率范围全频覆盖， 输出功率 500W ， 有效干扰半径 50 米； 车载式干扰仪： 干扰频率范围全频覆盖， 输出功率 1000W， 有效干扰半径 50200 米。 上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪论 9 1.5 本课题研究内容及结构本课题研究内容及结构 1.5.1 课题研究内容课题研究内容 目前的排爆机器人为了适应复杂的地形需求，移动载体设计往往比较复杂，如 采用轮式（2 轮10 轮）和履带（26 条）及其组合完

35、成越障、爬楼梯等任务，典 型的例子有英国皇家武器装备研究与发展院研制的手推车 MK8、 美国 Remotec 公司 的 AndrosIV 系列等，在越障、爬楼梯等功能设计上用了很大功夫。而国内的设计主 要仿制国外成熟产品，主要设计思路与国外基本类似。 然而，由于爬楼梯时排爆机器人移动速度很慢，遥控操作困难，事实上目前的 反恐排爆机器人系统很难适应反恐作业快速响应、快速处理的要求；而且由于爬楼 梯等工作耗电很大，对能源系统也提高了要求；机械手是作业系统中最常用最重要 的模块之一， 承载能力和灵活程度是主要的衡量指标14-15。 在目前的排爆机器人上， 由于能源、重量限制，机械手往往负重能力不能做

36、的太大，国内普遍小于 10kg，国 外也大多小于 20kg，因此很难配置安装体积、重量较大的 X 光检查仪，也无法处理 较大的爆炸物；同时，一般自由度往往也在 45 个左右，操作范围有限。 为克服目前排爆机器人系统存在的弊端，国外正在发展另一种排爆机器人，即 面向空旷地作业环境，可同时对体积较大的不明物体进行检查和处理的大型反恐机 器人4。如美国 Sandia 国家实验室设计的事故处理移动机械手系统是在军用悍马的 基础上改建成的。它有两支钛材料制成的机械手，可抓重 250 磅，伸展开约 2 米。 而对于楼道内的作业，则采用小型反恐作业机器人，这类机器人体积较小，重量通 常在 60Kg 以下，两

37、个人即可将其搬运，因此不设计爬楼梯结构，其设计目的则以 侦察为主，也可以在一定程度上毁伤目标物。 由于反恐、排爆任务复杂多样，目前的排爆机器人只是其中一种设备。反恐部 队还需装备防爆筒、无线干扰仪、爆炸物检查仪（X 光检查仪） ，爆炸物销毁器、防 爆服和通讯、指挥系统等等一系列装备。随着反恐形势深入发展，为了适应长期反 恐需要，美国正在研发一种反恐防爆设备专用集成平台。它主要由专用卡车和一只 功能齐全的大型多自由度机械手组成，卡车上合理配置了多种反恐、防爆设备，用 户可以根据自己需要增减和挑选设备。这种概念得到了政府和用户的支持，代表了 反恐、防爆设备发展的新趋向。 根据国际有关发展趋势和现状

38、，经过比较长期深入的分析和研究，针对目前国 外采用的方案对驾驶员保护不够安全、国内的负重能力低及运动不灵活等问题，本 课题提出了一种具有自行能力的挂车式排爆机械手集成平台设计方案。其主要内容 如下： 大型排爆机械手放置在一辆特制的移动载体（挂车）上，平时由机动车辆拖动。 该挂车采用专门设计，平时不需动力，作为普通挂车用，可以高速运动；当到达爆 上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪论 10 炸物附件后，该挂车具有自行能力，由操作员遥控接近爆炸物。该挂车具备灵活转 向，直行和斜行等功能，运动性能优于普通汽车，很适合反恐排爆需要。挂车上装 有一多自由度大型排爆机械手，负重在 2030Kg，可适应绝大

39、多数爆炸物，并可将 较重的 X 光检查仪从车上取下， 放置到爆炸物处进行检测。 在挂车上放置有防爆筒， 机械手抓取爆炸物后可直接放在防爆筒里，同时在车上也可放置防爆服、小型反恐 机器人以及无线干扰仪等装备，形成反恐、排爆机器人集成平台。此外，该大型机 械手还要求能适应普通轿车的底盘低、活动空间有限的作业环境要求，能完成车底 可以爆炸物的抓取、排爆的任务。 1.5.2 本文的结构本文的结构 第二章从爆炸物的重量、外形和原理入手，确定了排爆机械手适合处理的爆炸 物类型，由此确定手爪的夹钳类型及手爪的设计。进而根据该大型排爆机械手要完 成的特殊任务，确立了排爆机械手所需要的基本功能，然后从机械手自由

40、度配置、 工作范围、工作速度、运动精度、负载能力、运动形式、驱动方式、材料选择、结 构的静动态刚度、控制系统等多方面综合分析了排爆机械手的设计方案，最终确定 了排爆机械手的设计方案。 第三章着重介绍了整个排爆机械手的具体设计过程，包括计算、选型、校核等， 是本文的重点所在。首先根据作业环境的要求、负载能力，通过比较各种传动方式 的优缺点，从手爪的设计入手到机械臂、腰关节为止，逐渐完成整个排爆机械手的 结构设计。 第四章首先运用 D-H 坐标变换法对大型排爆机械手的坐标系进行了标定， 并建 立了机械手的运动学方程，随之求得该排爆机械手的变换矩阵 T 和雅可比矩阵 J。 在此基础上，利用回避障碍的

41、基本公式提出了一种简单、实用性强的操作算法，并 用 Matlab 编写了程序进行运动仿真。 第五章介绍了机器人实时避障常用的传感器，并说明了选择传感器的原则和考 虑因素，最后以本文所采用的传感器为实验对象，对传感器的性能进行了测试和分 析。 第六章对本文所做的工作进行总结和展望。 上海交通大学硕士学位论文 第二章 大型排爆机械手的设计方案 11 第二章第二章 大型排爆机械手的设计方案大型排爆机械手的设计方案 2.1 作业环境和爆炸物类型分析及处理作业环境和爆炸物类型分析及处理 2.1.1 作业环境作业环境 一般的犯罪分子或恐怖分子为了制造恐慌、引起社会的动乱，他们会选择一些 比较复杂的警方难以

42、控制的公共场合。这种场合有人员密集、环境复杂、难以控制， 从而可以造成很大的人员伤亡。所以，很多公共场合成为犯罪分子或恐怖分子实施 爆炸的理想场所，比如车站、商场、公共交通车辆、各种娱乐场所等。 由于排爆的环境的不同，这就要求排爆机械手能适应不同的环境，所以排爆机 械手的设计也要从环境的角度考虑，根据各种复杂环境来设计机械手以进行排爆任 务的实施。 此外， 还要求排爆机械手在各种环境中能保持良好的稳定性能和可靠性。 2.1.2 爆炸物类型分析爆炸物类型分析 近些年来，各种爆炸案件呈不断上升的趋势，给人民群众的生命财产和社会安 全造成严重危害， 不仅使人民心理恐惧不安， 而且严重影响了社会政治和

43、治安稳定， 给我国的国际形象造成极大的影响。有关的公安机关一方面要加强爆炸方面的基础 知识，另一方面要装备性能优良的排爆设备，尽最大努力保证人民群众的生民财产 和维持社会的稳定和安宁。 因此， 我们有必要对常见爆炸物的类型进行细致的分析。 目前爆炸案件有如下的三个特点16：一、爆炸装置的智能化、高科技化；二、 爆炸装置伪装诡秘，难以发现；三、除了常见的军用和民用炸药外，硝酸铵炸药也 被用来制作爆炸装置。分析常见的爆炸物后我们可以知道，它们一般有如下几个特 征：形状大体规则、重量一般在 20Kg 以下、通常被放置于隐蔽的地方如车底、爆 炸物所处环境狭小。 2.1.3 爆炸物的处理爆炸物的处理 一

44、、爆炸物的处理原则17 爆炸物是具有较大杀伤力的装置，万一爆炸将引起严重后果。因此在处置爆炸 物时（包括可疑爆炸物）要十分慎重尽可能不让爆炸物在人员密集的地方爆炸，万 一爆炸也要尽可能最大限度地减少爆炸破坏的程度，要千方百计保障人员安全。发 现爆炸物（包括可疑爆炸物）后，应禁止任何无关人员触动，只有经过专门训练的 专职排爆人员才能进行。排除爆炸物是一项危险性极大的工作为保障排爆人员的生 命安全，应尽可能利用一些防护器材和排爆工具。防护器材主要有机械手、防爆毯、 上海交通大学硕士学位论文 第二章 大型排爆机械手的设计方案 12 防爆服、防爆头盔、防爆挡板、防爆筒、屏蔽干扰仪等。排爆工具主要有非磁

45、性工 具、高速水枪、液氮等。 二、处置爆炸物的方法17 准确的判断是排除爆炸物成败的关键。 排除前必须通过一定的方法和技术手段， 首先查明爆炸物的种类、性能、构造原理、危险程度和伪装方法，以及有无诡计装 置，然后再根据检查结果和现场情况采用不同的方法进行排除。 1失效法 失效法是对处于危险状态的延期和触发式爆炸物首先使其引信失去功能，然后 当对整个爆炸物进行失效性处理时，应根据不同的引信采取不同的失效方法。 (1) 对装有机械发火引信的爆炸物，首先在引信的保险孔内插上保险或夹上保 险夹，然后小心地将引信从爆炸物中取出，再将雷管或火帽与引信体分开。 (2) 对装有电发火引信地爆炸物可剪断电线切断

46、电源这种方法要确实弄清其内 部电路结喉才可进行，以防止剪错电路引起爆炸。 (3) 对装有化学引信地爆炸物，可先从爆炸物上卸下引信，再对引信进行失效 处理，采用这种方法要避免摩擦、挤压以防爆炸。 (4) 如不清楚一些电火花引信内部的线路结构的爆炸物，可小心地将电雷管从 弹体（炸药）中抽出，使其距离超过殉爆距离，或在中间加垫防护物，使引信不能 引爆主炸药。 2转移法 当爆炸物位于重要场所，其装有反拆卸装置而没有把握进行人工失效，但能移 动时，要将爆炸物转移到安全地方进行处理。选择转移路线应避开人员密集区、重 要设施、高压线、油管等，并派出警戒。最好是利用机械手抓起爆炸物移到室外， 然后再装入防爆筒

47、里进行销毁。 3销毁法 当确定爆炸物不可移动时， 就要就地采用引爆的方法进行销毁。 为了减少损失， 根据炸药量大小，转移和撤离周围的重要物品和人员，并用沙袋、钢板等物品进行 围护。 鉴于不同的爆炸物处理原则，排爆机械手也要有相应的功能，最起码要具有爆 炸物的转移功能，或具有在必要的情况下能对爆炸物进行就地销毁使其丧失爆炸的 可能的功能。 本文的排爆机械手采取的措施就是将 X 光检查仪从车上取下， 放置到爆炸物处 进行检测。 根据爆炸物的类型， 机械手抓取爆炸物后可直接放在防爆筒里进行销毁。 上海交通大学硕士学位论文 第二章 大型排爆机械手的设计方案 13 2.2 排爆机械手的总体方案设计排爆机械手的总体方案设计 2.2.1 移动车体大型排爆机械手的基本方案移动车体大型排爆机械手的基本方案 上述对作业环境、爆炸物类型及处理的分析，给排爆机械手的设计提供了指导 思想和方法。 对排爆机械手提出的基本要求是能在常见的各种路面环境中顺利行驶， 并且具备