前言

排爆机器人是指代替人到不能去或不适宜去的、有爆炸或有危险的环境中，直接在事发现场进行侦察、排除和处理爆炸物或其他危险品，也可以对一些持枪的恐怖分子及犯罪分子实施有效攻击的移动机器人。排爆机器人的关键在于能自主获取、处理和识别目标物信息，具有一定的自主分析能力，能够自主完成较为复杂的操作任务，比一般的工业机器人具有更大的灵活性。要求机器人具有对环境的感知能力，随着机器视觉理论研究的发展以及双目视觉系统本身的仿人优势，视觉传感器成为最重要的选择对象。机器人视觉系统最主要和最基本的功能就是三维空间的定位，即确定机器人观察目标的空间三维坐标。本书以智能排爆机器人的研制为背景，阐述了其双目立体视觉和抓取控制的若干关键技术。

本书主要介绍了如下内容：

双目立体视觉子系统——完成根据图像坐标计算三维坐标的功能。作者详细描述了双目立体视觉的原理、双目立体视觉的数学模型、利用“黑白方格模板”对双目立体视觉进行标定（数学模型参数的识别）的原理和算法步骤，以及对该机器人双目立体视觉子系统的软硬件实现。

运动学控制遥操作子系统——则完成按运动学控制方法对机械臂实施“遥操作”的功能。经过合理的简化处理，我们得到了该“3臂杆5自由度机械臂”的一种解析运动学描述方法。然后基于该解析的运动学模型，实现了该机械臂的遥操作系统，包括后台的遥操作系统软件以及现场的位置伺服控制系统。

针对目前排爆机器人手动控制方式的不足，研究和开发了一种基于双目视觉定位的半智能排爆机器人控制系统，用于实现排爆机器人的自动抓取。提出了排爆机器人的两种智能作业模式：基于视觉的目标物自动抓取模式和联动操作模式。在基于视觉的目标物自动抓取模式中，操作者只需在传回的现场图像中标示出目标物，机械手臂就能自动实施抓取；在联动操作模式中，操作者能对机械手臂进行“整体”的联动控制，控制机械手臂手爪的各个方向运动，从而能很方便地抓取目标物。

本书阐述了半智能排爆机器人控制系统软硬件结构的基本组成，重点介绍了机器人运动控制模型的实现。机器人车载PC/104计算机中的运动控制模型主要完成机器人软硬件的初始化功能、主控制机与目标机的通信功能及各机械臂关节的运动控制。采用Ziegler-Nichols方法，整定增益参数，并综合利用多种PID控制技术，从而设计出一种具有专家特性的PID控制器，机器人关节运动平稳且无静态误差，系统具有很好的鲁棒性和实时性。另外，本书简要介绍了机器人的组成和机械手臂的结构，详细介绍了用几何解法实现机械手的运动学反解的方法，并提出了一种解析的运动学描述，基于该解析的运动学简化模型实现了该机械臂运动学的遥操作系统。除此之外，还介绍了机器人车载PC/104与数据采集卡ADT652等硬件的性能和配置，以及直流电机伺服控制系统的实现过程。

采用双目立体视觉识别系统，给出了图像中可疑爆炸物的质量估计与夹持宽度估计；根据爆炸物预抓取部位图像矩阵的列单色灰度差分，给出了爆炸物表面粗糙度的估计方法。同时构建了完成排爆机器人手爪柔性控制策略所需的电流伺服控制系统。

最后本书介绍了排爆机器人自动控制系统以及遥操作系统的使用，并进行了排爆机器人自动抓取目标物的试验。通过该试验验证机器人控制系统的性能，试验中在X、Y、Z方向上选取多个测试点，测量机器人手臂定位到目标点的误差，获得在X、Y、Z方向的误差趋势，同时得出机械手的最佳抓取空间。

本书得到了合作导师华南理工大学姚锡凡教授，日本早稻田大学蒋梁中教授的指导，对此表示由衷的感谢。同时感谢同实验室的汪伟、范陆桥、杨进、曹杰等同事给予我的诸多帮助。

本书的出版得到了福建省教育厅JK类科研课题和厦门理工学院专著出版基金的资助。

著者

2009年12月