反恐排爆机器人(两型)

完成单位: 四川文理学院智能制造学院
参与研发人员: 沈荣、黄晨、涂扑
评价机构: 达州市科兴技术转移中心
专家组成员: 冯学龙、孙波、刘冰、张元华、古建国
评价完成时间: 2020年11月11日
成果类别: 应用技术
所属区县: 达州市达川区
成果简介:
一、任务来源及项目简介(计划项目应写明计划名称及编号,计划外的应说明是横向委托或自选项目,简要说明项目立项背景(研究背景)、总体思路、主要研究内容、关键技术及技术路线)
(一)任务来源
四川文理学院达州产业技术研究院重点项目“反恐排爆机器人(两型)(2017ZNZZ003Z)”。
(二)立项背景
机器人可替代人在恶劣、危险的环境下进行工作。近年来,随着恐怖主义威胁的加剧,机器人在警用、军事和公共安全领域的作用日益凸显,机器人装备陆续出现在反恐、排爆、侦察、监控、消防、救援等重要领域,为维护公共安全发挥了重要作用。 但是,国内反恐排爆机器人研制工作起步较晚。经过调研发现,国内反恐排爆机器人还存在诸多问题,在智能化程度等方面有待提高,对此,应把握科技前沿、立足实战、着眼未来,加大创新研究力度,做好功能与实战需求的对接,提高其稳定性和可靠性,切实推进反恐排爆装备的应用和发展。
(三)总体研究思路
根据项目需求分析,反恐排爆机器人研究工作主要包括控制系统和机械系统等方面。一是控制系统研究工作。控制系统负责完成用户与机器人之间的信息交流以及数据处理。主要包括布置操作系统、搭建视频服务器、制定通信协议、编写运动控制程序、开发人机交互软件等内容,主要涉及计算机科学技术、计算机应用、软件工程、网络通信,自动控制等技术。二是机械系统研究工作。机械系统负责执行用户下达的控制指令,主要包括反恐排爆机器人运动行走系统、机械臂、机械爪、云台等部件的设计与制作,主要涉及机械自动化领域的机械设计与制造等技术。三是系统整合、测试工作。将控制系统与机械系统进行整合,完成机器人各实物部件的组装,结合实战环境进行实地功能测试,开展后期修改完善工作。
(四)主要研究内容
(1)反恐排爆机器人研发技术和方法。
(2)反恐排爆机器人整体系统架构。
(3)反恐排爆机器人控制(通信)系统。
(4)反恐排爆机器人机械系统。
(5)反恐排爆机器人人机交互系统。
(五)关键技术及技术路线
(1)搭建数据处理能力强、扩展性好的机器人系统架构。突出系统架构的通用性特点,使之具备较高的可推广性和可复制性。
(2)规避和改进市场现有产品的设计和功能缺陷。扩展反恐排爆机器人的实战功能,为市场提供性价比更高的产品。
首先,需要将系统软硬件相结合,形成各个功能模块。其次,将各个子模块进行整合,搭建完善系统框架。最后,对A、B两型机器人的控制系统和机械部分进行物理整合,并开展功能测试。
二、应用领域和技术原理
由于反恐排爆机器人研发技术门槛较高等原因,目前反恐排爆机器人的研究工作主要集中在少数高等级研究所和重点高校,我市在该领域存在空白,省内在该领域的研究也较少见。机器人技术作为战略性高技术, 未来产业链长并带动性强。因此,通过开展反恐排爆机器人核心技术与产品的攻关,不仅可以弥补省内、市内在该领域的技术空白,而且对于战略性新兴产业发展具有重要的推动作用。
本成果属于机器人技术领域,该成果可广泛应用于反恐、排爆、侦察、监控、消防等领域,实现提高公共安全工作效率,减少一线警务人员伤亡的目的。
主要技术原理:根据反恐排爆机器人两型功能需求和系统整体设计,针对现有产品技术缺陷问题,结合反恐排爆实战需求,综合运用嵌入式系统、视频图像处理、自动控制理论等技术方法,研发具有运动功能、视频采集、传输、实时通信、人机交互等多种功能的反恐排爆机器人。
三、性能指标(检测报告中数据为准)
该项目制造了两台具有运动功能、视频图像处理、实时通信等多种功能的反恐排爆机器人。其中,“反恐排爆机器人—A型”主要功能定位为“小型反恐排爆机器人”,该型机器人主要用于代替排爆人员转移可疑物品;“反恐排爆机器人—B型”主要功能定位为“小型排爆侦察机器人”,该型机器人主要用于对车辆底部、管道等低矮、阴暗的复杂环境进行勘察,协助排查、搜索可疑物品。该两型机器人性能指标如下:
1.反恐排爆机器人—A型的性能指标:
(1)机器人控制系统硬件平台。主频580MHz,内存64MB,Flash16MB,射频特性802.11b/g/n:2.4GHz,传输速率300Mbps。
(2)机器人下位机硬件平台。时钟频率16MHz,内存256KB,SRAM 8KB。
(3)运动。接受指令后机器人可以前进、后退、左转、右转。行驶速度约0.3米/秒。具有加速和减速调节功能。最大攀爬斜坡约25度。
(4)抓取物体。配备机械臂和机械爪,共有关节电机5个,每个关节电机可以进行正反2个方向转动。机械臂弯曲(收缩)状态下,最大可以抓取重量约1.5KG的物体。机器人底座最大载重约5KG。
(5)视频采集。在机器人底座和机器人机械臂上,分别装配1个摄像头用以拍摄现场视频。其中,机器人底座上的摄像头配备升降台,可在一定垂直距离内调整摄像头水平高度。
(6)视频传输。可实时传输1-2路现场视频到用户终端。视频图像分辨率为640*480。
(7)通信。支持WIFI方式与机器人建立通信连接。同时支持有线方式与机器人建立通信连接。
(8)人机交互。用户连接机器人后,可通过可视化界面查看机器人回传的视频图像;同时,用户可通过可视化界面向机器人下达用户指令。
(9)照明。在底座和机械臂关节上配备3个LED照明,并可实施开关控制。
(10)其他主要参数。电源:24V,容量20AH,工作电压24V,可充电电池;铝合金车身;抗滑橡胶履带;整车自重约40-60KG;车体收缩状态:715*606*293mm;伸展状态:1430*606*293mm;履带底盘:715*606*213mm;机械臂:第一节:365mm;第二节360mm;升降云台:300-500mm。
计划任务书与实际达到的性能指标一致。
2.反恐排爆机器人—B型的性能指标:
(1)机器人控制系统硬件平台。主频580MHz,内存64MB,Flash16MB,射频特性802.11b/g/n:2.4GHz,传输速率300Mbps。
(2)机器人下位机硬件平台。时钟频率16MHz,内存256KB,SRAM 8KB。
(3)运动。接受指令后机器人可以前进、后退、左转、右转。行驶速度约0.3米/秒。最大攀爬斜坡约20度。
(4)视频采集。在底座上装配摄像头2个,可以采集不同方向的现场视频。
(5)视频传输。可实时传输1-2路现场视频到用户终端。视频图像分辨率为640*480。
(6)通信。支持WIFI方式与机器人建立通信连接。同时支持有线方式与机器人建立通信连接。
(7)人机交互。用户连接机器人后,可通过可视化界面查看机器人回传的视频图像;同时,用户可通过可视化界面向机器人下达用户指令。
(8)照明。配备LED照明灯3个,并可实施开关控制。
(9)其他参数。电源:12V 20AH,工作电压12V;铝合金车身;整车自重约9KG;车体收缩状态:500*300*105mm。
计划任务书与实际达到的性能指标一致。
四、与国内外同类技术比较
为明确本成果的技术水平,分别选取国内同类产品进行对比。将反恐排爆机器人A型和B型分别与中科院光电研究所研制的超小型车底机器人和北京某公司研制的小型排爆机器人进行对比。通过对比,发现本成果的主要技术性能达到国内先进产品水平,同时具有一定的创新性。
1. 反恐排爆机器人B型与中科院光电研究所研制的超小型车底排爆机器人对比。中科院光电研究所研制的超小型车底排爆机器人主要适用于多种危险环境(特别是轿车底盘等低矮条件)的现场检查和爆炸物转移,还兼顾在多种危险活动中代替人完成小型物品的搬运任务。该机器人集光学、机械、电控、图像处理和计算机技术于一体,采用模块化设计,降低了维护复杂性,提高了系统可靠性。省内某市公安局特警支队应用超小型车底排爆机器人完成了多起排爆侦察、处置任务。
反恐排爆机器人B型与中科院光电研究所研制的超小型车底排爆机器人相比,相同之处在于:
(1)在功能定位方面,都是针对危险环境(特别是轿车底盘等低矮条件)的现场检查和爆炸物转移。
(2)在运动控制方面,都是采用差速模型控制底盘运动,都可进行前后、左右手控运动。
(3)在视频采集方面,都提供视频采集、传输等功能;
(4)在实时通信方面,都提供无线通信控制方式;
(5)在外形设计方面,都采用扁平化的车身设计,尽可能地控制车身尺寸。
本成果与中科院光电研究所研制的超小型车底排爆机器人相比较,不同之处在于:
(1)本成果的机器人控制系统性能更强。据了解,中科院产品以集成电路芯片作为机器人的核心控制器,并在此基础上搭建机器人的控制系统、数据采集系统以及通信系统等,从而实现对机器人的控制。此种技术路线存在的缺陷包括:数据处理能力较弱,可扩展性较差。如,由于该类控制系统缺少上位机运算能力的支撑,受硬件、软件两方面共同制约,难以在其平台上增加网络通信、人机交互等功能。而本成果搭建了基于嵌入式系统的机器人控制系统,具有较好的运算能力和扩展能力,并搭建了视频图像服务器和WEB服务器等支撑体系,提升了系统整体功能。
(2)本成果的视频传输系统更具优势。在视频无线传输的类别上,中科院产品采取的是模拟微波传输。这种方式的其弱点是:抗干扰能力较差,易受天气、周围环境的影响,传输距离有限。而本成果采取的是数字传输,有更高的的分辨率可供选择。同时,中科院产品仅支持无线方式传输视频,在微波干扰情况下,无法采集传输视频。本成果在提供无线传输方式的同时,还支持视频的有线采集、传输,组网更加灵活,可扩展性好,即插即用,适用性更强。
(3)本成果的人机交互系统更具优势。中科院产品仅支持使用专用控制箱操控机器人,由于控制箱体积庞大,携带不便,灵活性较差。同时,该控制箱无法向其他操作系统平台进行迁移,人机交互方式不友好;而本成果的人机交互系统可以在平板、笔记本电脑等多种设备上运行,支持WINDOWS、IOS等多种平台,多数终端均可操控机器人,人机交互方式更加友好便捷。
(4)本成果的通信系统适应性更强。中科院产品仅支持无线方式连接机器人,无法在微波干扰环境下使用。本成果在提供无线传输方式的同时,还支持有线连接控制,适用性更强。同时,本成果通过网关IP地址映射方式,还将可以拓展为互联网远程控制。
(5)本成果的外形设计更加灵活、轻便。中科院产品外形尺寸长×宽×高710*400*140mm(收缩状态);爬坡能力30度;自重约20kg;本成果外形尺寸:500*300*105mm;自重约9.5Kg
(6)中科院产品的机械装置部分能动性更强。中科院产品机械装置部分的的可操作性、能动性较为突出。其装配有小型折叠机械手,共有三个自由度,可以实现大臂、小臂的组合折叠运动,运动范围均为±900,抓取手指可以小臂作±900转动,操作方便;手指最大张开宽度130mm;可夹取/搬运物体;同时,当机器人遇到障碍时,车体可控制向上提升,其底部最大提升高度(15-40)mm;而本成果没有配备机械手,不具有抓取物体的功能,同时,车身外形已经固定,不能进行底部提升。
综上,反恐排爆机器人B型与中科院光电研究所研制的超小型车底排爆机器人相比,两者在功能定位、运动控制、外形设计等方面较为接近,具有基本一致的功能特性。相对而言,本成果的优势主要体现在:机器人控制系统性能更强;视频无线传输系统方面更具优势;人机交互系统方面更具优势;通信系统适应性更强;外形更加小巧、灵活。本成果的劣势主要体现在:机械装置部分能动性不足,没有配备机械手,不具有抓取物体的功能。
 2. 反恐排爆机器人A型与与北京某公司研制的小型排爆机器人进行比较。该公司主要从事反恐怖仪器设备和防爆、安检器材的研发与生产,目前已发展为国内一流的品牌,至今已为第29届北京奥运会、第十届全运会、第七届全国残运会等大型活动及会议,提供了系列安检排爆设备。该公司生产的RQXT-CR 型小型排爆机器人,其主要构建方式是以单片机控制器为核心。该型机器人在实际使用中暴露出的不足包括:(1)仅支持无线(微波)连接机器人,无法进入无线屏蔽地带作业。(2)仅支持1 路视频传输,无法多视角观察现场环境。(3)仅支持使用专用手持设备操控机器人,人机交互方式不友好。(4)性价比不高。对比情况如表1所示。
表1.本成果与RQXT-CR 小型排爆机器人功能对比
  反恐排爆机器人A型 RQXT-CR 小型排爆机器人
控制系统 嵌入式系统核心 无操作系统
操控方式 同时支持无线和有线连接 仅支持无线连接
操控设备 平板、笔记本电脑等设备均可 仅支持专用设备操控机器人
摄像方式 2组摄像头,同时传输 单个摄像头,单路传输
抓取重量 约1.5KG 约1.5KG
综上,反恐排爆机器人A型与北京某公司研制的RQXT-CR 小型排爆机器人相比,两者在功能定位等方面较为接近。相对而言,本成果的优势主要体现在:机器人控制系统性能更强;视频无线传输系统方面更具优势;人机交互系统方面更具优势;通信系统适应性更强。
五、成果的创造性、先进性
综上所述,由于采用了上述技术方案,与同类产品相比,本成果的创造性、先进性体现在:
(1)通用型多功能反恐排爆机器人开发平台。综合运用嵌入式系统、视频图像处理、自动控制理论等技术方法,研发具有运动功能、抓取物体、视频采集传输、实时通信、人机交互等多种功能的通用型反恐排爆机器人开发平台。该平台具有通用性强、构造灵活、功能丰富等特性,满足一般反恐排爆机器人开发和制造需要。
(2)基于嵌入式系统的机器人控制系统。基于嵌入式系统的机器人控制系统,配套研发视频图像服务器和WEB服务器等应用软件,整体具有较好的运算能力和扩展能力。
(3)双控式视频传输系统。提供无线、有线两种视频传输方式,组网更加灵活,适用性更强。
(4)跨系统、跨平台人机交互系统。针对现有产品使用专用控制箱操控机器人带来的携带不便,灵活性较差等问题,使用基于网页的人机交互系统,并可在多种设备、多种平台上运行,人机交互方式友好、便捷。
(5)双控式通信系统。提供WIFI无线控制和有线连接控制两种方式控制机器人,环境适用性更强。同时,本成果将来还可以通过网关IP地址映射、4G通信等方式拓展为互联网远程控制。
六、作用意义(直接经济效益和社会意义)
由于此项目尚未推广,正在积极想办法走向实用化,尚未产生经济效益

反恐排爆机器人产品应用成熟以后,可逐步向西南片区和全国推广,5年预期经济效益如表 3。
表2经济效益分析

序号 产品名称 市场规模 市场占比 市场估值 备注
1 反恐排爆机器人A型 150亿元/5年 1% 3000万元/年  
2 反恐排爆机器人B型 130亿元/5年 1% 2600万元/年  
共计 5600万元/年
 
 
2.社会效益:
反恐排爆机器人产品,通过在公安特巡警、治安、检查站等一线实战部门的实战运用,表现出了十分突出的实战能力,被广泛应用于反恐、排爆、侦察和安全检查等领域,参与反恐防爆及安全检查实战及演练,取得了突出的社会效益。反恐排爆机器人(两型)的使用,1)将降低安检、排爆人员的处置风险;2)节约伤残赔付成本;3)通过排除爆炸物品,降低社会财产损失;4)保障社会稳定和公共安全。
七、推广应用的范围、条件和前景
(一)推广应用范围:反恐、排爆、安全检查、有毒有害环境作业等领域。
(二)条件:政策支持,资金充足。
(三)前景分析
(1)市场需求
随着恐怖主义威胁的不断加剧,公共安全市场日益壮大,对反恐排爆类机器人的需求量不断增加。
(2)市场产品不足
目前市场上现有产品存在的不足包括:机器人控制系统处理能力较弱、可扩展性较差,通信系统适应性不强,人机交互系统不友好等。
(3)本产品的优势
本成果在机器人控制系统、视频传输系统、人机交互系统和通信系统等方面更具优势。
八、存在的问题和改进意见
(一)远程控制机器人
目前只能在本地控制机器人,不能实施远程控制。
解决思路:通过接入4G模块和云服务器等方式,实现远程控制机器人。
(二)政府支持
由于政策上推动力度不够,使其应用范围局限。
解决思路:政策推动+资金支持。