【正文】 現(xiàn)場往往異常復(fù)雜，形式多變，時間就是生命，在此危險環(huán)境下，采用機(jī)器人協(xié)同救援人員，進(jìn)行抗災(zāi)救援，能起到事半功倍的效果，同時也是機(jī)器人技術(shù)中具有新型和有挑戰(zhàn)性的發(fā)展方向。 RoboCupRescue League 是于 2020 年加入Robocop 的比賽項目 [45]。 日本大阪大學(xué)研制出蛇形機(jī)器人，能在高低不平的模擬廢墟上前進(jìn)，其頂端帶有 1部小型監(jiān)視器，身體部位安裝傳感器，可以在地震后的廢墟里尋找幸存者。該機(jī)器人本體由行走部分、遙控消防炮、防爆系統(tǒng)、圖像傳輸系統(tǒng)、探測系統(tǒng)和冷卻自衛(wèi)系統(tǒng)等構(gòu)成，其探測系統(tǒng)根據(jù)消防機(jī)器人正壓防爆控制、安全自衛(wèi)、化學(xué)檢驗、火情偵察的要求。 長春工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 3 2 總體方案設(shè)計 救援機(jī)器人行走方案的設(shè)計 走行機(jī)構(gòu) 所有的機(jī)器人都有一類共同的組成部分，即車輪、履帶、腿足等用于推動車體在地面上進(jìn)行移動 的裝置。常見的大多數(shù)非結(jié)構(gòu)環(huán)境的地形都可以視為這三種地形特征不同形式的組合，如溝壕可視為下垂直障礙和上垂直障礙的組合，階梯可視為連續(xù)垂直障礙的組合。 長春工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 4 步行機(jī)器人的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，由于其運(yùn)動學(xué)及動力學(xué)模型復(fù)雜，控制難度較大。 機(jī)器人采用履帶行走方式有以下優(yōu)點： （ 1）由于沖角的作用，能登上較高的臺階。 輪式走行機(jī)構(gòu) :輪式走行機(jī)構(gòu)由滾動代替滑動摩擦，主要特點是效率高，適合在平坦的路面上移動，定位精確，而且重量較輕，制作簡單。模塊化設(shè)計的探測機(jī)器人結(jié)構(gòu)比較明了，而且在一些模塊預(yù)留了一些空間，可以在需要的時候更換或添加其他模塊。 傳感器模塊是一個由金屬材料板組成的圓柱體，這種結(jié)構(gòu)是根據(jù)主板的形狀設(shè)計的，傳感器模塊雖然結(jié)構(gòu)簡單，但里邊所安裝的電路主板是機(jī)器人的樞紐，機(jī)器人各個部分的電路板都在這里，所以密封工作一定要 做好。 電源及驅(qū)動模塊是為機(jī)器人提供能源的部分，安裝有電池組和左右電機(jī)驅(qū)動器，因為電池組驅(qū)動部分有一些重量，所以采用鑄鐵作為箱體。同步帶傳動由于帶與帶輪是靠嚙合傳遞運(yùn)動和動力，故帶與帶輪間無相對滑動，能保證準(zhǔn)確 的傳動比。同步帶 /齒形帶傳動具有帶傳動，鏈傳動和齒輪傳動的優(yōu)點。 但是同步帶一旦選定，長度，寬度就是固定的，因此基本屬于定制，設(shè)計不同的履帶式平臺就需要不同的同步帶。 （ 224） 根錐角 δ f1=δ 1θ f1=176。在機(jī)器人設(shè)計中，要根據(jù)機(jī)器人的用途、機(jī)器人的工作環(huán)境以及機(jī)器人本身的體系結(jié)構(gòu)來確定所需提供的動力，進(jìn)而選取合適的電動機(jī)。直流電機(jī)上的電壓大小影響它的轉(zhuǎn)速和扭矩 [22]。 RS232 串口：用于與 PC 主機(jī)通訊和控制程序運(yùn)作。 計算機(jī)模塊與傳感器模塊的連接 計算機(jī)模塊與傳感器模塊的連接很簡單，設(shè)計的原則就是模塊化設(shè)計，各模塊的拆裝應(yīng)該簡單明了。 圖 28 傳感器模塊與計算機(jī)模塊連接 傳感器系統(tǒng)的設(shè)計 首先，機(jī)器人的傳感器就像人體上的感覺器官，它可以探測到周圍的環(huán)境，然后長春工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 17 經(jīng)過綜合性的測量、計算，對他的行為進(jìn)行選擇判斷。 植入在 CCD上的微小光敏物質(zhì)稱作 像素 。 3CCD 的像素計算方法簡單，每個 CCD 的像素乘以三，最后得出的就是數(shù)碼攝像機(jī)的總像素 [26]。超聲波測距原理是通過超聲波發(fā)射傳感器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時刻的同時開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就停止計時。紅外傳感器的探測范圍最大半徑為 米。 3 探測機(jī)器人硬件系統(tǒng) 傳感器采集系統(tǒng) 救援機(jī)器人的傳感器主板如圖 31 所示： 圖 31 傳感器主板 圖中只顯示了一個超聲波傳感器，其他 8 路沿主板均勻排列，將收集到的信息存到采集卡里，并傳輸給計算機(jī)。通用開放式機(jī)器人系統(tǒng)是今后發(fā)展的趨勢。 該電子輪盤特點： 1．三軸磁阻效應(yīng) 傳感器測量平面地磁場，雙軸傾角補(bǔ)償。 無線電臺通訊系統(tǒng) 無線電通信是將需要傳送的數(shù)據(jù)、圖像、聲音、文字等 電信號調(diào)制在無線電波上經(jīng)空間和地面?zhèn)髦翆Ψ降耐ㄐ欧绞?，利用無線電磁波在空間傳輸信息的通信方式。 4 救援機(jī)器人軟件系統(tǒng)的開發(fā) 機(jī)器人的控制系統(tǒng)是指機(jī)器人的信息處理裝置，在本設(shè)計項目中，選擇數(shù)字電子計算機(jī)。最早的機(jī)器人控制采用順序控制方式，隨著計算機(jī)的發(fā)展，機(jī)器人采用計算機(jī)系統(tǒng)來綜合實現(xiàn)機(jī)電裝置的功能，并采用視教再現(xiàn)的控制方式。 在控制機(jī)器人執(zhí)行任務(wù)過程中涉及 到 三 個 方面： 信息 機(jī)器 人自身及環(huán)境的信息。該無線收發(fā)模塊主要特性 如下 ： 體積微小，約 40mm*27mm*5mm，且接收發(fā)射合一。 無線通訊模塊 計算機(jī)與機(jī)器人的通信，考慮到自主式移動機(jī)器人 的特點， 采用 無線通信 的 通信方式。系統(tǒng)的控制部分的工作長春工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 24 方式要適合于執(zhí)行的任務(wù)。 移動控制系統(tǒng)的設(shè)計 移動機(jī)器人控制技術(shù)是使移動機(jī)器人完成各種任務(wù)和動作所執(zhí)行的各種控制手段。目前無線電臺通訊的波特率 19200。 7． 外殼結(jié)構(gòu)防水，無磁。電子羅盤與傳統(tǒng)指針式和平衡架結(jié)構(gòu)羅盤相比能耗低、體積小、重量輕、精度高、可微型化，其輸出信號通過處理可以實現(xiàn)數(shù)碼顯示，不僅可以用來指向，其數(shù)字信號可直接送到自動舵，控制船舶的操縱。 紅外傳感器接線 紅外傳感器輸入接口如圖 35，傳感器供電為 5V， HY_OUT 為輸入端 。 封裝形勢 : 工程材料 。 因此，根據(jù)測距原理，測距系統(tǒng)由超聲發(fā)射和接受部分、微機(jī)控制部分和數(shù)據(jù)傳輸部分 這四部分 組成。 長春工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 18 圖 29 3CCD感光器 超聲波傳感器 共設(shè)計了 8 路超聲波傳感器安裝在傳感器箱體內(nèi)壁上，超聲波傳感器的固定是用2 個螺釘固定在箱體上。因此，許多采用光學(xué)方法測量外徑的儀器，把 CCD器件作為光電接收器?？梢苑Q為 CCD 圖像控制器 ,也叫 圖像 傳感器 。 在傳感器模塊與蓋板之間有一條扁平電纜連接，在末端分成兩個插頭，其中一個是插在 傳感器主板上，是 24V電源插頭，為傳感器層頂?shù)挠秒娫O(shè)備提供 24V電源插頭；另一個插在傳感器主板上的一個擴(kuò)展卡上。 圖 26 電源驅(qū)動模塊與底盤模塊連接 傳感器模塊與電源驅(qū)動模塊的部分連接 傳感器模塊與電源驅(qū)動模塊的部分連接連接方法如圖 27 圖 27 傳感器模塊與電源驅(qū)動模塊連接 如圖所示，這里蓋板的連接方式與傳感器蓋板的連接方式相同，用 8 顆 M5 內(nèi)六角沉頭螺釘固定。 5．轉(zhuǎn)矩控制：通過調(diào)節(jié)電流實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩控制 6．保存和運(yùn)行程序：可以完全脫離 PC 主機(jī)獨立運(yùn)行，實現(xiàn)所有控制功能。使用壽命一般為普通蓄電池的兩倍。在機(jī)器人使用的電驅(qū)動器中，步進(jìn)電機(jī)與數(shù)字電子計算機(jī)的結(jié)合上，表現(xiàn)出很好的發(fā)展前景。 外錐距 Re=de1/2sinδ 1= （ 212） 齒寬 b1=φ RRe= （ 213） 齒寬系數(shù) φ R=b/Re= （ 214） 平均分度圓直徑 dm1=de1 ( R)=170 （ 215） 中錐距 Rm=Re(( R)= （ 216） 平均模數(shù) Mm=me1 ( R)= （ 217） 切向變位系數(shù) Xt=0 徑向變位系數(shù) Xε =（ 1cosδ 2/ucosδ 1） =0 （ 218） 齒頂高 ha1=me（ 1+x1） =667 （ 219) 齒根高 hf1=me（ 1+c＊ x1） = （ 220） 頂隙 c= c＊ m （ 221） 齒距角 θ a1=θ f2=θ f1 （ 222） 齒根角θ f1=arctan(hf1/Re)=176。所以同步帶廣泛應(yīng)用于要求傳動比準(zhǔn)確地中，小功率傳動中，如家用電器，計算機(jī)，儀器及機(jī)器人，機(jī)床，化工，石油等機(jī)械。 從以上對同步帶性能的分析中可以得出結(jié)論，選用梯形雙面齒同步帶作為移動裝置設(shè)計履帶能夠滿足設(shè)計性能及工作的環(huán)境條件要求。其結(jié)構(gòu)簡圖如圖 22所示。電 源工作不穩(wěn)定，會導(dǎo)致系統(tǒng)工作不穩(wěn)定，甚至?xí)?dǎo)致整個系統(tǒng)無法工作。 救援機(jī)器人傳感器模塊 傳感器 用于機(jī)器人感知外部環(huán)境 ，探測機(jī)器人必需要有這方面的設(shè)計，視覺傳感器也有他的局限性，實現(xiàn)視覺的功能是需要光的，如果在夜間執(zhí)行任務(wù)時就很難實現(xiàn)其功能，為更好的使機(jī)器人完成認(rèn)為，再加超聲波傳感器 和溫度傳感器。所以采長春工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 5 用履帶式的移動方式。在要改變方向時，要將某一側(cè)的履帶驅(qū)動系統(tǒng)減速或制動來實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎，或者反向驅(qū)動來實現(xiàn)車 體的原地自轉(zhuǎn)。履帶方式又叫做循環(huán)軌道方式，其最大的特征是將圓環(huán)狀的 循環(huán)軌道履帶卷繞在若干車輪外，使車輪不直接與路面接觸，利用履帶可以緩沖路面狀態(tài)，因此就可以在各種路面上行走。足式機(jī)器人的種類很多，一般分為兩足機(jī)器人和多足機(jī)器人，如圖所示。 通過對這些不同地形的分析，我們 可以 發(fā)現(xiàn)各種復(fù)雜地形都是由少數(shù)幾種基本的地形特征構(gòu)成，我們稱 這幾種基本地形 為“典型地形特征”。 本文研究主要任務(wù) 本文的主要任務(wù)是設(shè)計一套適用于救援機(jī)器人的控制系統(tǒng)，用來控制機(jī)器人的行動。 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 在國內(nèi)，救災(zāi)機(jī)器人的研究剛剛起步，但進(jìn)展很快。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 國外研究現(xiàn)狀 在國外，救災(zāi)機(jī)器人發(fā)展迅速，技術(shù)日益成熟，并進(jìn)入實用化階段，日本、美國、英國等已開始 裝備使用。此外，還有各 種測試救援機(jī)器人技術(shù)的比賽，如 Robocop Rescue 等。 長春工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 目 錄 1 緒論 ....................................................................................................................................1 引言 ...........................................................................................................................1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 ..........................................................................................................1 國外研究現(xiàn)狀 ...................................................................................................1 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 ...................................................................................................2 本文研究主要任務(wù) ......................................................................................................2 2 總體方案設(shè)計 ........................................................................................................................3 救援機(jī)器人行走方案的設(shè)計 ........................................................................................3 走行機(jī)構(gòu) ..........................................................................................................3 救援現(xiàn)場非結(jié)構(gòu)化環(huán)境特征