【正文】 黃金時間。 結(jié)合救災(zāi)場所的非結(jié)構(gòu)化環(huán)境 ,本畢業(yè)設(shè)計設(shè)計了一款救援使用的探測機(jī)器人 .機(jī)器人采用通用開放式機(jī)器人系統(tǒng)，采用模塊化設(shè)計。良好的無線通訊功能允許遠(yuǎn)程操作?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)流程：計算機(jī)發(fā)出信號經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換到無線收發(fā)模塊，之后通過無線通訊到無線接收模塊，通過單片機(jī)處理以及數(shù)據(jù)鎖存最終控制機(jī)器人。救援機(jī)器人采用了多種傳感器共同作用，以便更加精確的獲得探測結(jié)果，包括使用 3CCD感光器獲得圖像信息、使用超聲紅外傳感器精確確定探測目標(biāo)的位置。救援機(jī)器人具有可靠的機(jī)械系統(tǒng)和智能化的控制系統(tǒng)，可以在救災(zāi)現(xiàn)場惡劣的自然環(huán)境下 工作。Control system。Modular design。open type robot。在災(zāi)難發(fā)生的 48 小時之內(nèi)，是救援人員抵達(dá)現(xiàn)場并在廢墟中尋找幸存者的黃金時間。由于災(zāi)難現(xiàn)場環(huán)境惡劣，對抗災(zāi)救援機(jī) 器人相應(yīng)的有更加苛刻的性能要求，需要更可靠的機(jī)械系統(tǒng)、更智能化的控制系統(tǒng) [13]。 目前 世界范圍內(nèi)自然災(zāi)難和人為災(zāi)難 頻發(fā) ，人類需要共同探討救援對策，研究救援技術(shù)。國際上每年都有專門的會議研討救援機(jī)器人技術(shù)，如： IEEE International Workshop on Safety, Security and Rescue Robotics(SSRR)等。 Robocop 比賽是機(jī)器人領(lǐng)域的 奧林匹克 ， 它 為檢驗各項機(jī)器人技術(shù)提供了一個標(biāo)準(zhǔn)測試環(huán)境和平臺，各國機(jī)器人研究人員和愛好者可以相互交流 、協(xié)作來 促進(jìn)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展。 比賽 的測試內(nèi)容和標(biāo)準(zhǔn)是 在規(guī)定時間內(nèi)找到遇難傷員數(shù)目的多少和獲取災(zāi)難現(xiàn)場地圖的精確度，旨在 鼓勵 救援機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展和面向?qū)嶋H的應(yīng)用。它集中了傳感器技術(shù)、信息處理、電子工程、計算機(jī)工程、自動化控制工程以及人工智能、營救行動技術(shù)、災(zāi)難學(xué)等多學(xué)科的研究成果，代表機(jī)電一體化的最高成就，是目前科學(xué)技術(shù)發(fā)展最活躍的領(lǐng)域之一。在此背景下選擇了救援機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計這個題目。在災(zāi)難現(xiàn)場中，救災(zāi)機(jī)器人應(yīng)能迅速找到幸存者的位置。 美國 iRobot公司研制了 PackBot 系列機(jī)器人，能適應(yīng)崎嶇不平的地形環(huán)境和爬樓梯，主要執(zhí)行偵察任務(wù)、尋找幸存者、勘探化學(xué)品泄漏等任務(wù)。日本大阪大學(xué)所制造出的蛇行機(jī)器人，可以在崎嶇不平的廢墟上爬行。 除了前面的中小型救災(zāi)機(jī)器人，微型救災(zāi)機(jī)器人也正在研究中，美國加州大學(xué)伯克利分校研制出世界第 1個蒼蠅機(jī)器人，通過裝在它腦袋上的微型傳感器與微型攝像機(jī)，可以到倒塌的建筑物廢墟底下或其他災(zāi)難場所尋找幸存者 [7]。二十世紀(jì)九十年代，我國由國家科學(xué)技術(shù)委員會正式立項的國家 863 高科技計劃研究發(fā) 展項目――“消防機(jī)器人”研究課題，在公安部上海消防科學(xué)研究所通過專家組驗收，標(biāo)志著我國第一代消防機(jī)器人正式誕生。我國消防機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展不但是對消防部隊搶險救災(zāi)能力的提高，起到減少國家財產(chǎn)損失和滅火救援人員傷亡的作用，同時也對我國機(jī)器人技術(shù)、通信控制技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)等多學(xué)科領(lǐng)域技術(shù)的發(fā)展起到積極的作用和深遠(yuǎn)的影響 [8]。 國防科技大學(xué)在 2020 年也研制了 1 種蛇形機(jī)器人 。能夠探測災(zāi)害環(huán)境，實時傳回災(zāi)區(qū)的瓦斯、 CO、粉塵濃度和溫度以及高分辨率的現(xiàn)場圖像等信息；具有雙向 語音對講功能，能夠使救災(zāi)指揮人員與受害者進(jìn)行快速聯(lián)絡(luò)，指揮受傷人員選擇最佳的逃生路線；具有無線網(wǎng)絡(luò)通訊功能；同時還攜帶有食品、水、藥品、救護(hù)工具等救助物資，使受害者能夠積極開展自救 [910]。此外，本文還有對救援機(jī)器人控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計。配置這些車輪、履帶或者腿足使其發(fā)揮應(yīng)有的功能稱為移動系統(tǒng)走行機(jī)構(gòu)設(shè)計。目前常用的走形機(jī)構(gòu)有 3種：足式走行機(jī)構(gòu)、履帶式走行機(jī)構(gòu)和輪式走行機(jī)構(gòu) [11]. 救援現(xiàn)場非結(jié)構(gòu)化環(huán)境特征 非結(jié)構(gòu)化環(huán)境 是指作業(yè)無法在事先布置好的條件下進(jìn)行 ,而且在作業(yè)過程中環(huán)境可能發(fā)生變化 。而發(fā)生 災(zāi)害后，工作環(huán)境會遭到不同程度的破壞，因此機(jī)器人的移動機(jī)構(gòu)對災(zāi)區(qū)環(huán)境的適應(yīng) 很大一部分也是 對于非結(jié)構(gòu)環(huán)境的適應(yīng)。常見的典型地形特征有三種，即水平面、傾斜面和垂直面障礙。如果移動機(jī)器人能夠以某種動作或動作序列適應(yīng)這幾種典型地形，則可以通過動作序列的有 效組合達(dá)到適應(yīng)這幾種典型地形，則可以通過動作序列的有效組合達(dá)到適應(yīng) 災(zāi)難現(xiàn)場非結(jié)構(gòu)化環(huán)境 的目的 [1214]。步行移動方式模仿人類或動物的行走機(jī)理，用腿腳走路。 但對設(shè)計和制造者來說，步行機(jī)器人的研究極具挑戰(zhàn)性，其主要難點在于各腿之間的協(xié)調(diào)控制、機(jī)身姿態(tài)控制、轉(zhuǎn) 向機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)向控制、動力的有效傳遞和走行機(jī)構(gòu)機(jī)理。一般將有兩條腿機(jī)構(gòu)的移動機(jī)器人叫做兩足步行機(jī)器人，兩足步行機(jī)器人基本上是近似或模仿人的下肢機(jī)構(gòu)形態(tài)而制成；三足以上的機(jī)器人稱為多足機(jī)器人，主要研究模仿四足和六足動物的各種步態(tài)而制成，具有復(fù)雜的步態(tài)。從移動的范圍來講，車輪型及履帶形的移動機(jī)構(gòu)，無論它有多么復(fù)雜都只能在二位平面內(nèi)移動，雖然能夠應(yīng)付一定的坡度和凹凸表面，但是車體與移動機(jī) 構(gòu)始終保持著固定的位置關(guān)系。另外，要控制它的步行和不傾倒有很大的難度，目前實現(xiàn)上述功能的機(jī)器人很少。 履帶式走行機(jī)構(gòu) :為了提高車輪對松軟地面和不平坦地面的適應(yīng)能力，履帶式走行機(jī)構(gòu)被廣泛采。圖為履帶式行走機(jī)器人。 （ 2）履帶具有較強(qiáng)的驅(qū)動力，適合在階梯上移動。 （ 4）因重心低而穩(wěn)定 [16]。履帶式行走機(jī)構(gòu)的不足之處是轉(zhuǎn)彎不如車輪靈活。但這都會使履帶與路面產(chǎn)生相對橫向滑動，不但加大了機(jī)器人車體的能耗，還有可能損壞路面。 絕大多數(shù)輪式機(jī)構(gòu)都是非完整運動約束驅(qū)動系統(tǒng)，輪式移動方式的分類有很多種，按照輪的數(shù)目劃分有三輪、四輪、五輪。 行走方案的確定 根據(jù)以 上的定性分析，探測器需要一個良好的工作性能，要想較好的完成任務(wù)，需要平穩(wěn)的移動方式。履帶移動機(jī)構(gòu)地面適應(yīng)性能好，在復(fù)雜的野外環(huán)境中能通過各種崎嶇路面以及溝壑等，它的活動范圍廣，性能可靠，使用壽命長，輪式移動機(jī)構(gòu)無法與其比擬，適合作為探測機(jī)器人的推進(jìn)系統(tǒng)。 救援機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu) 救援機(jī)器人為探測機(jī)器人， 設(shè)計探測機(jī)器人采用了模塊化設(shè)計，總體分為四個模塊，即計算機(jī)模塊，傳感器模塊，電 源及驅(qū)動模塊，運動底盤模塊。其簡圖如圖 21： 圖 21 機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)簡圖 其性能參數(shù)的基本要求如表 21所示 表 21 性能參數(shù)基本要求 性能 參數(shù) 額定電壓 24VDC 工作電流 2A 驅(qū)動方式 直流電機(jī)驅(qū)動 電池 鉛酸蓄電池組 最大速度 1m/s 最小速度 最大負(fù)載 30kg 工作時間 6 小時 爬地能力 30 度 越障能力 3cm 傳感器模塊的設(shè) 計 傳感器概念及特點 傳感器是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。它控制計算機(jī) 模塊 傳感器 模塊 電源驅(qū)動 模塊 底盤運動 模塊 長春工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 6 是實現(xiàn)自動檢測和自動控制的首要環(huán)節(jié)。通常根據(jù)其基本感知功能分為熱敏元件、光敏元件、氣敏元件、力敏元件、磁敏元件、濕敏元件、聲敏元件、放射線敏感元 件、色敏元件和味敏元件等十大類 [18]。通過多種傳感器共同作用更全面的進(jìn)行探測。 上面加了一個稍大的金屬蓋板，傳感器塊周圍安裝了 24 路紅外傳感器 、溫度傳感器 和超聲波傳感器。 電源及驅(qū)動模塊的設(shè)計 電源系統(tǒng)的質(zhì)量直接影響到電子系統(tǒng)的穩(wěn)定性。一個電壓穩(wěn)定、抗干擾能力較強(qiáng)的電源系統(tǒng)是機(jī)器人穩(wěn)定運行的保證。因此，要設(shè)計好一個控制系統(tǒng)，首先要注重電源的設(shè)計 [19]。 計算機(jī)模塊的設(shè)計 計算機(jī)模塊分為兩部分結(jié)構(gòu)，下端是計算機(jī)的保護(hù)架，上端為支撐架。支撐架的作用是控制攝像頭的檢測方向。在支撐架的下方和右方安裝了兩個舵機(jī)，使套筒具有左右、上下兩個自由度，從而攝像頭可以全方位的檢測周圍的非結(jié)構(gòu)化環(huán)境。 長春工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 7 圖 22 計算機(jī)模塊結(jié)構(gòu)簡圖 底盤運動模塊 履帶的選擇 由于在考慮履帶裝置設(shè)計時，基于標(biāo)準(zhǔn)化的思考，我們選擇了梯形雙面齒同步帶作為設(shè)計履帶，梯形雙面齒同步帶傳動具有 帶傳動、鏈傳動和齒輪傳動的優(yōu)點。同步帶通常以氯丁橡膠為材料，這種帶薄而且輕，故 可用于較高速度。傳動噪音比帶傳動、鏈傳動和齒輪傳動小，耐磨 性好，不需油潤滑，壽命比摩擦帶長。傳動效率高，結(jié)構(gòu)緊湊，適宜于較為惡劣的場所下正常工作。 圖 23 雙面齒同步帶 履帶、齒輪的設(shè)計計算 長春工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 8 常見的行走機(jī)構(gòu)形式就是同步帶 /齒形帶。同步帶傳動由于帶與帶輪是靠嚙合傳遞運動和動力，故帶與帶輪間無相對滑動，能保證準(zhǔn)確的傳動比。傳動的線速度可達(dá)50m/s，傳動比可達(dá) 10，效率 可達(dá) 98% 。其主要缺點是制造和安裝精度要求較高，中心距要求較嚴(yán)格。 同步帶的設(shè)計計算 1．選擇設(shè)計功率 k pp kw? ?選 擇 （ 21） 2．選擇帶型和節(jié)距 選取帶型 為 H 型 （ 22） 3．根據(jù)帶型 H 和小帶輪轉(zhuǎn)速 n1 查得最小齒輪 min 14Z ? ，此處取 Z=20 小帶輪節(jié)圓直徑 d1 11 2 0 1 3 8 2 .8bzpd ???? ? ? （ 23） 查表得其外徑 mm? 設(shè)計 Z2=Z1=20 2121aad d m md d m m???? 4．帶速 v= 11 8 2 . 8 5 4 7 . 5 2 0 . 2 /6 0 1 0 0 0 6 0 1 0 0 0dn ms? ? ?????? （ 24） 5．定軸間距 0a =400mm 6．帶長及其齒數(shù) 210 0 1 20()2()248 0 0 8 2 .8 51 0 6 0 .1 4 9ddL a d damm???? ? ? ?? ? ?? （ 25） 7．查表應(yīng)選用帶長代號為 420 的 H 型同步帶，其節(jié)線長 1070pL mm? ，節(jié)線上的齒數(shù) Z=84 13bp mm?長春工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 9 8．實際軸間距 a= 00 10 70 10 60 .14 9[ 40 0 ] 40 622pLLa m m? ?? ? ? ? （ 26） 9．小帶輪嚙合齒數(shù) 11212[ ( ) ] 1 022 bm pzzz e n t z za?? ? ? ? （ 27）10．基本額定 功率 20 ()1000aT mv vp ?? （ 28） 查得 021 00 .85 48 /( 21 00 .85 48 62 ) 61000 4aTNm k g mP k wkw??? ? ??? 所需帶寬 020dss pbb kp? （ 29） 查表得： H 型帶 0101mzsbs mmzkbmm????? （ 210） 查表得應(yīng)選帶寬代號為 150 的 H 型帶，其 mm? 11．帶輪結(jié)構(gòu)和尺寸 傳動選用同步帶為 H150 帶輪 Z1=Z2=20， d1=d2=,da1=da2= 采用同步帶作為履帶的優(yōu)點是：效率高，最高效率能達(dá)到 90%以上；設(shè)計簡單，只須根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格選擇節(jié)矩，齒數(shù)，長度，寬度就可以了。這個特點限制了同步帶應(yīng)用的靈活性。輪式底盤的裝配圖在附錄中，其他模塊不變。錐齒輪的計算如下： 齒輪比 u=1 長春工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 10 大端分度圓直徑 de1=20mm 齒數(shù) Z1=Z2=30 大端模數(shù) me1=de1/Z1= （ 211） 分錐角δ 1=45176。 （ 223） 頂錐角 δ a1=δ 1+δ f2=176。