沉浸式双臂排爆机器人

本成果配备有七自由度力控拟人机械臂、末端快换装置及多种专业工具（电动剪刀和开多型号阀门的变距销）、便携式X射线检查仪、荧光拉曼复合探测仪、无后坐力爆炸物销毁器等排爆专用装备，具有专业友好易用的UI及安全操控的半自主辅助软件系统，可实现人在回路沉浸式操作和局促空间内软件自主辅助安全灵巧排爆作业，具备直观、安全灵巧和易用的操作能力，可在危险复杂环境下替代战士进行无人安全灵巧搜排爆作业。

图1.沉浸式双臂排爆机器人

排爆作业模式

双臂排爆机器人可通过人在回路沉浸式和半自主软件辅助操作系统进行协同远程操作（图2)，能够实现沉浸式安全灵巧搜排爆作业。

图2.沉浸式双臂排爆机器人作业模式

其中，半自主软件辅助操作系统具有运动路径自主规划和目标选择与自主接近功能，可以实现局限空间内的安全灵巧排爆作业控制，能够支持双臂排爆机器人进行多任务、全流程、一体化搜排爆作业。

1. 精准探测

沉浸式双臂排爆机器人采用了四摆臂履带移动底盘，具有姿态可调摆臂，移动速度5km/h，具备越过30cm障碍、跨越25cm沟壑、爬坡40°以及爬楼梯等能力，并可以通过半自主操作系统实现自适应门尺寸参数的开门通行，满足城市场景中复杂路面通过及小区楼宇等狭小空间作业的要求，快速到达可疑爆炸物目标附近。面对可能藏身隐蔽的爆炸物，双臂排爆机器人携带有专业便携式X光机和荧光拉曼复合检测仪。采用的X光机可以检测出包裹内的刀具、枪支、雷管等危险物品，荧光拉曼复合毒爆检测仪可实现毒品、有毒有害物质、炸药等的快速探测和精准定性检测（图3）。

图3.双臂排爆机器人精准探测危险物品作业

2. 安全转移

图4.双臂排爆机器人安全转移爆炸物作业

成功探测到危险物品后，采用手端RGBD相机扫描目标周围区域，采用三维场景智能感知模块完成安全作业场景准确建模，并利用端到端监督学习智能算法，自主生成形状未知目标物体的最佳抓取位姿策略。在目标精准操作阶段，可采用沉浸式遥操作系统与半自主操控系统相结合的方式实现灵巧抓取、力控开包、自主协调搬运等多任务排爆场景作业。

3. 处置销毁

操作人员根据沉浸式的反馈视觉信息，对处置方式进行研判，依据实际情况采用转运、现场拆除和摧毁等方式进行处置。当需进行转运时，操作人员可通过遥操作的方式将爆炸物抓取，并采用半自主作业模式操控运动，保证爆炸物在被移动的过程中不会受到过量冲击，最后放置于防爆桶内；当需进行现场排爆时，排爆人员可通过沉浸式遥操作系统实现手眼协调操作精准排爆，完成爆炸物拆线操作；当需要进行现场摧毁时，排爆人员可远程遥控双臂排爆机器人携带的无后坐力爆炸物销毁器，利用射出高速水流实现就地分解爆炸物，排除安全隐患。

图5.双臂排爆机器人多功能处置销毁作业

安全自主辅助操控软件系统

双臂排爆机器人半自主控制系统软件框架包括分布式从机、分布式主机、工控板卡和机器人系统。分布式主机负责半自主排爆操作控制和系统资源管理，分布式从机承担人机交互、数据可视化和顶层行为规划等功能，工控机板卡为排爆作业中双臂机器人协调操作和抗干扰提供硬件基础。系统采用多机分布式设计，利用分布式机器人操作系统实现实时通信和数据传递、降低耦合和提高鲁棒性。系统开发了以下半自主关键技术：

1. 基于深度点云的三维场景实时重建及物体实例分割，解决了机器人对搜排爆作业场景理解难问题，为关键受限空间下双臂排爆机器人的自主路径规划和目标选择奠定基础；

2. 形状未知物体的6维灵巧抓取策略生成，提出变分抓取策略生成方法和条件变分自编码器学习抓取策略，解决了形状未知物体难操作问题；

3. 受限空间下机器人自主避碰与安全运动控制，提出了基于模型预测的最优运动轨迹自主生成方法，提高了受限空间中排爆操作作业的安全性和稳定性；

4. 受限空间下双臂机器人协调灵巧操作控制，提出了基于约束优化理论方法统筹优化性能指标、障碍和任务约束，提高了机器人双臂协调操作的效率和安全性；

5. 力位混合的高品质沉浸式主从遥操作交互，基于力反馈手套设计了力位混合远程操作交互系统，提高了排爆作业的精巧性、沉浸感和安全性。

图6.沉浸式双臂排爆机器人半自主控制系统软件界面及半自主功能

图7.沉浸式双臂排爆机器人半自主控制系统软件框架