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机器人的应用

团队名称: 英才五队 参赛队员: 王阳阳、王兵、许永强、郭海报、胡梦迪 指导教师: 王甲琛、李辉、谢宏霖、孙娅彬 参赛单位:

山东英才学院

山东省大学生机器人大赛

项目研究报告

搜救机器人设计

目录

摘要 (1)

第一章搜救机器人设计概述 (2)

1.1 引言 (2)

1.2国内外机器人的发展和研究现状 (2)

第二章搜救机器人的主要研究内容 (9)

2.1救援机器人的机械设计 (9)

2.2机器人运动分析 (11)

2.3机器人的传动系统设计 (14)

第三章搜救机器人硬件设计 (17)

3.1电源电路 (17)

3.2寻线电路 (17)

3.3避障电路 (17)

3.4控制器电路 (21)

3.5声光报警电路 (22)

3.6电机驱动电路 (23)

3.7显示电路 (25)

第四章机器人设计总程序 (26)

4.1机器人设计流程 (26)

4.2 机器人设计代码 (29)

第五章搜救机器人的系统调试与总结 (43)

参考文献 (44)

摘要

摘要:本文从国内外的搜救机器人的发展和研究现状进行分析,总结出履带式搜救机器人的结构更加的具有搜救优势,从而展开了对履带式搜救机器人的了解、设计及其改进。首先我们对履带式搜救机器人进行了运动系统和传动系统的分析,制定了机械设计的方案。其次,在硬件方面,进行了电源电路、寻线电路、控制器、避障、声光报警器、电机驱动以及显示电路的设计,并针对避障电路进行了改进,我们采用传感器融合、将记忆算法运用到避障中、分级越障的方式达到更好的越障效果,减少搜救过程中因路障所造成的延时问题,从而提高效率,尽快的搜索到目标进行救援。本文最主要的创新点是改善了传统的搜救机器人的结构模式,设计了一种可以将底盘抬高越过障碍物的搜救机器人,它还可以单边提高机器人的重心从而适应不同的地形,该机器人在翻到后可继续行进,越障功能比较强大,更加的适应救援的要求。

关键词:搜救、机器人、履带式、越障

第一章搜救机器人设计概述

1.1 引言

在高速发展的高科技时代,随着计算机技术不断向智能化方向发展,机器人应用领域的不断扩展和深化,机器人已成为一种高新技术产业,在各个方面发挥着巨大的作用,将对未来生产和社会发展起越来越重要的作用。

中国是一个自然灾害和社会事故多发的国家,煤矿事故、泥石流、台风时有发生。这些灾难发生后现场环境具有复杂性、未知性及潜在的二次伤害等特点,给救援队员的生命安全带来了很大隐患。在21世纪的今天,随着自然灾害、恐怖活动和各种突然事故发生的越来越多,地震、火灾、矿难等灾难发生后,在废墟中搜寻幸存者.给予必要的医疗救助,并尽快救出被困者是救援人员面临的紧迫任务。实际经验表明,超过48小时后被困在废墟中的幸存者存活的概率变得越来越低”1。由于灾难现场情况复杂,在救援人员自身安全得不到保证的情况下是很难进人现场开展救援工作的,此外,废墟中形成的狭小空阀使控救人员甚至搜救犬也无法进入。在这种紧急而危险的情况下,救援机器人可以为救援人员提供有效的帮助。将具有自主智能的救援机器人用于危险而复杂的环境中搜索和营救幸存者是非常实用的。机器人可以在灾难发生后第一时间进人灾难现场寻找幸存者,进入救援人员无法进入的现场搜集有关信息并反馈给救援指挥中心等。因此研制并改进一种能在第一时间代替搜救队员深入到这种危险灾难环境并探测现场有用信息的移动机器人使很重要的,它可为下一步营救行动的计划、决策提供可靠依据。

1.2国内外机器人的发展和研究现状

1.2.1国外机器人的发展现状

机器人集中了机械工程、电子技术、计算机技术、自动控制原理以及人工智能等多学科的最新研究成果,代表了机电一体化的最高成就,是当代科学技术发展最活跃的领域之一。

在救援机器人的研究方面,美国走在世界的前列,他具有独立的实验性无人作业,近年来灾难事故的不断增多,小型智能履带机器人的研究工作越来越受到现在人的高度重视。日本大阪大学研制出蛇形机器人,能在高低不平的模拟废墟上前进,其顶端带有

1部小型监视器,身体部位安装传感器,可以在地震后的废墟里寻找幸存者。当今美国研究的智能机器人,能适应崎岖不平的地形环境、爬楼梯,它主要执行侦察、寻找幸存者、勘探化学品泄漏等任务。

(1)1995年日本神户-大阪地震及其后发生在美国俄克拉荷马州的阿尔弗德联邦大楼爆炸案,揭开了救援机器人技术研究的序幕。2001年美国的911事件,美国机器人辅助救援中心和其他一些单位的救援机器人参与了救援活动。例如Foster-Miller公司的系统(图1-2-1)、Tolon系统(图1-2-2)如下图所示:

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图1-2-1 Foster-Miller公司的系统

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图1-2-2 Tolon系统

(2)日本的Hirose教授首先提出蛇形机器人运动系统,并研制出了第一个蛇形机器人(图1-2-3),图1-2-4为蛛型机器人

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图1-2-3 蛇形机器人

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图1-2-4蛛型机器人

(3)履带式机器人是为了满足军事侦察、拆除危险物等作业的需要,在传统的轮式移动机器人的基础上发展起来的。下图给出了目前国际上几家著名机器人公司的典型产品,他们主要是为了满足军事需要而开发的,体积普遍偏大,不太适合在倒塌的建筑物废墟中狭小空间内搜寻幸存者。

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(a)Foster-Miller公司(b)Inuktun公司的(c)SPAWAR的的SOLEM机器人 Minitrac机器人 urbot机器人

(4)形状可变履带机器人,是指该机器人所用履带的构形可以根据地形条件和作业要求进行适当变化。下图为一种形状可变履带机器人的外形示意图。该机器人的主体部分是两条形状可变的履带,分别由两个主电动机驱动。当两条履带的速度相同时,机

器人实现前进或后退移动;当两条履带的速度不同时,机器人实现转向运动。当主臂杆绕履带架上的轴旋转时,带动行星轮转动,从而实现履带的不同构形,以适应不同的运动和作业环境。

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图1-2-5形状可变履带机器人外形示意图

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图1-2-6履带变形情况和适用场合

(a)越障 (b)上下台阶

(5)为了能进入狭小空间展开搜救工作,要求机器人的体积要尽可能小,但体积小了搜索视野就会受到限制,为了解决这已矛盾,近年来在传统牵引式多态搜救机器人。图1-2-7为美国Irobot公司生产的Packbot系列机器人,packbot机器人有一对鳍形前肢,这对鳍形前肢可以帮助崎岖的地面上导航,也可以升高感知平台以便更好地观察。图1-2-8为加拿大inuktun公司MicroVGTV 多态搜救机器人,他可以根据搜索通道的大

小及搜寻范围的远近灵活地调整形状和尺寸。

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(a)正常状态(b)直立状态

图1-2-7美国Irobot公司packbot多态搜救机器人

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(a)平躺状态(b)半直立状态(c)直立状态

图1-2-8加拿大Inuktun公司Micro VGTV多态搜救机器人

(6)仿生搜救机器人:虽然履带式可变形多态机器人可根据搜索空间的大小改变其形状和尺寸,但受驱动方式的限制,其体积不可能做得很小。为了满足对更狭小空间搜索的需要,人们根据生态学原理研制了各种体积更小的仿生机器人,其中蛇形机器人就是其中很重要的一类。图(a)为cmu研制的安装的蛇形机器人。图(b)为日本大阪大学研制的蛇形机器人。图(c)为美国加州大学伯克利分校研制的身高不足2cm的苍蝇搜救机器人。随着技术的不断成熟,相信蛇形、蝇形等仿生机器人会在灾难搜救工作中发挥越来越大的不可替代的殊作用。

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(a)CMU研制的基于移动 (b)日本大阪大学(c)加州大学伯克利

平台的蛇形机器人蛇形机器人分校研制的苍蝇机器人

图1-2-9仿生机器人

1.2.2国内机器人的发展现状

我国已在“七五”计划中把机器人列人国家重点科研规划内容,拨巨款在沈阳建立了全国第一个机器人研究示范工程,全面展开了机器人基础理论与基础元器件研究。十几年来,相继研制出示教再现型的搬运、点焊、弧焊、喷漆、装配等门类齐全的工业机器人及水下作业、军用和特种机器人。目前,示教再现型机器人技术已基本成熟,并在工厂中推广应用。我国自行生产的机器人喷漆流水线在长春第一汽车厂及东风汽车厂投入运行。1986年3月开始的国家863高科技发展规划已列入研究、开发智能机器人的内容。

国内现在针对救援机器人的研究相对分散,主要集中在警用、民用的便携式履带机器人。虽然我国救援机器人的研究才刚刚起步但进展很快。例如清华大学精密系及其自动化实验室的微小型机器人可以很好的实现目标、视觉信息的分析处理。

在5.12地震发生后,谢敬涛等5位重庆交大的5位同学经过商量后便有这个想法,发明一个越障能力强的机器人----蛇形机器人

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图1-2-10蛇形机器人

由中科院沈阳自动化研究所机器人学国家重点实验室研制的废墟洞穴搜救可变形

机器人、空中搜索探测机器人(如图1-2-11所示),在位于北京西郊凤凰岭的国家地震紧急救援训练基地完成了综合调试演练,并达到了预期性能指标。

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废墟洞穴搜救可变形机器人

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图1-2-11 空中搜索探测机器人

第二章 搜救机器人的主要研究内容

现有的救灾机器人移动机构主要有:无肢运动(以蛇形机器人为主) 、轮式、腿式、和履带式等。 蛇形机器人具有运动稳定性好、适应地形能力强和高的牵引力等特点,但多自由度的控制困难,运动速度低;轮式机器人具有结构简单、重量轻、轮式滚动摩擦阻力小和机械效率高等特点,但越过壕沟、台阶的能力差;腿式机器人具有适应地形能力强的特点,能越过大的壕沟和台阶,其缺点是速度慢;轮腿式机器人融合腿式机构的地形适应能力和轮式机构的高速高效性能,其缺点是结构相对复杂;履带式机器人地形适应能力强,是当今设计的主流,我们对履带式搜救机器人进行了设计和改进。

2.1救援机器人的机械设计

移动载体的任务是执行机器人的移动功能,采用关节型履带移动车可以更好的实现在危险环境下的救援工作。履带移动车比轮式有以下优点:

1)撑地面积大、接地比压小、滚动阻尼小、通过性比较好。 2)越野机动性能好,爬坡越沟等性能均优于轮式结构。 3)履带支撑面上有履齿不打滑,牵引附着性能好。

4)结构较复杂重量大,运动惯性大,减震功能差,零件易损坏。

移动机构作为救灾机器人的移动载体,必须具备以下特点:一定的移动速度和低能消耗;良好的姿态稳定性和高性能;能够适应各种各样的地理环境,有一定的爬坡和越障能力。

本文设计的履带式移动机器人是为救援、侦查和监测设备提供移动平台,要求结构简单,体积小,具有较强的越障能力,而且控制简单。考虑到机构复杂程度和设计成本等因素,本文设计了一种新型的履带式移动结构,如图2-1-1所示

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图2-1-1履带移动结构

右侧履带变形模块

四连杆示意图

该结构最大的优点在于利用简单的四杆机构作为其移动机构和变形机构,使其机器人的行进与履带的变形达到车体体积减小,结构紧凑。这样既使机器人具备了良好的机动性能和环境适应能力,又加强了机器人越障、爬坡性能和对机器人的使用要求。

该机器人的机械主体结构为常见的平行四边形结构。在此机构中机架平行四边形的工作原理如下图所示。

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图2-1-2机架平行四边形

在此结构的机架中,AB 、CD 两构件与机架相连为连架杆,BC 为连杆。平行四边形机构有两个显著特性:一是两曲柄以相同速度同向转动;二是连杆作平动。当主动曲柄AB 以一定速度转动时,从动曲柄CD 也以同样的速度转动,而连杆BC 作平动,始终与机架AD 保持平行状态。可以明显看出:如果再此机构上搭建工作平台,其最大特点就是工作平台运动平稳可靠,而且运动范围很广,这就决定了机器人的越障性能。

下图2-1-3是基于平行四边形连杆机构的机器人结构简图。其中,BC 连杆长为/BC/=L1,连杆架AB 和CD 长为/AB/=/CD/=L2,四个履带轮半径均为R 。

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图2-1-3机器人结构简图

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为验证绕在轮子四周的履带在机构变形时的总长不变,

可假设在机构变形的任意时

刻,连杆架与机架之间夹角为θ,履带与四个履带轮A、B、C、D的包角分别为θ1 θ2 θ3 θ4,则履带总长可由下式计算:

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从题意可得履带总长为:由上式说明,总长在机构变形过程中为定值,与变形角度θ无关,也就是说,履带在变形中不会发生时松时紧的现象。

2.2机器人运动分析

机器人在主动适应环境时具备多种运动功能和形体变化功能,根据机器人运动特点和形体变化特点总结出以下4种典型运动姿态(如图所示)。

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图2-2-1典型的运动方式

机器人典型运动姿态

(l)并拢态

并拢态是机器人正常行进姿态(如图(a)所示),正常行进分为直线运动和转弯两种情况。机器人两侧运动单元中的履带等速运动可实现直线行走功能,反向或不等速运动可实现机器人滑差转向。

(2)单翼搭接态

单翼搭接态是机器人越障、跨沟姿态(如图(b)所示),作用是在机器人越障、跨沟过程中能展开翼板搭接到高处的障碍物或是深沟对面,给机器人通过提供支撑力帮助攀爬,或者在机器人运动中作为复位姿态出现。

(3)双翼展开态

双翼展开态也是机器人的一种行进姿态(如图(c)所示),能增加机器人x方向的长度尺寸使机器人在跨沟时更具有优势;另外机器人在通过松软地形时以该种姿态行使可以减少对地面的区域集中压力提高路面通过性。

(4)弯身态

弯身态是机器人结构变形姿态(如图(d)所示),可以实现三轮车辆的运动方式,此时两个履带轮作为机器人的前驱动轮,后轮作为支撑轮;该姿态也能抬升中间主体高度升起安装在主体上的监视器,从而拓宽机器人视线扩大侦查范围

机器人的越障原理一般分为两种类型一般突起型障碍和其他类型的障碍。一般突起型障碍是一种较为常见的路障,机器人翻越此类障碍物的原理如下图所示,过程分析如下:

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图2-2-2翻越障碍示意图

图a:在正常的平坦地形下,组成履带变形机构的四根连杆处于水平位置,机器人保持八轮着地状态,直至前方出现障碍物。

图b:出现障碍物后,机器人停止前进,通过电机驱动主动曲柄AB绕前轴逆时针旋转,从而改变四连杆机构构形,最终使绕在连杆四周的履带构形发生变化。当主动曲柄AB旋转至适当角度即可停止旋转。

图c:机器人继续前进至障碍物附近,电机驱动主动曲柄AB顺时针旋转,使得AB 侧的履带压在障碍物边沿。

图d:AB侧的履带压在障碍物边沿后,主动曲柄AB延续顺时针旋转,迫使机架AD 绕后轴旋转,直至四根连杆再次处于同一直线。此时,机器人已经完全攀附在障碍物上,通过电机驱动机架后方的两个主驱动轮,机器人在驱动力和履带攀附力下可顺利通过障碍物。而利用四杆机构的变形,机器人除了可以翻越各种基本的障碍,还能通过一些阶梯型障碍如图2-2-3。

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图2-2-3机器人翻越阶梯型障碍

对电控设备密封后甚至能通过一些不太深的沟渠,这样,本文设计的救援机器人已经具备了良好的翻越障碍性能,可以更好的实施救援。

机器人在野外未知环境下执勤,可能在翻越障碍、上下台阶、突遇沟壑的情况下发生车体倾覆,车体倾覆后的机器人极有可能失去运动能力不能完成作业任务,此时机器人需要具有车身自动复位功能。翻身、复位过程如图2-2-4所示,机器人先转动侧翼板使一端履带轮接触地面如图 (a)、(b),由地面提供支撑反力将主体逆时针反转、复位如图(e)、(d),然后顺序收回侧翼如图 (e)、(f)、(g),完成车体复位动作如图(h)。

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图2-2-4机器人的翻身、复位过程图

机器人在松软或者地面起伏较大的地形条件下慢速行驶时,可以采用自适应路面方式行进,此时机器人主体后部中轮放下与地面接触,离合器松开,机器人左右两侧翼板绕主体自由转动,整个机器人实现了一轮、两履混合移动方式,优点在于能够使机器人三段自适应路面,一方面能减缓同步带接地比压,另一方面提高机器人运动性能(如图2-2-5所示)。

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图2-2-5机器人自适地面示意图

机器人自适应路面时,主体内部控制元件的工作状态为翼板驱动电机停转、离合器松开,左右翼板绕主体自由转动。

2.3机器人的传动系统设计

机器人传动系统设计包括了主驱动轮传动系统设计、履带变形装置传动系统设计、云台结构设计等内容。

主驱动轮传动系统设计:

主驱动轮传动系统共两个,沿机架轴线对称分布,用以将驱动电机的旋转运动传递到机架后方的主驱动轮上,最终实现履带与主驱动轮啮合传动。机器人主驱动轮传动顺序为:驱动电机——减速器——联轴器——后轮转轴——主驱动轮——履带啮合传动。如果两条履带等速同向运动实现机器人的直线前进或后退,如果两条履带速度不同则实现机器人的转向。如图2-3-1所示,整个传动链包括了机架、电机、减速器、编码器、轴承、后轮转轴、主驱动轮等主要零部件,这些零部件的连接方式如下:(l)编码器、电机、减速器安装完成后通过减速器固定在机架上,减速器与机架联结处安装有垫片,在装配时可通过调节垫片的厚度来调整减速器输出轴与后轮转轴的同心度。

(2)蜗轮蜗杆减速器的输出轴与后轮转轴通过安全联轴器联接。

(3)机器人主驱动轮与后轮转轴通过花键联接。这样既可以满足模块化设计的基本需求,又能保证较高的传动效率。

图2-3-1主传动系统图

采用的联轴器是一种剪切销安全联轴器,当驱动电机的工作转矩超过机器人转轴所允许的极限转矩时,联轴器将发生折断,从而使联轴器自动停止工作,以保护机器人的重要零件(如主驱动轮、传动轴、曲柄等)不致损坏。履带变形装置传动系统用于将驱动电机的转动传递到主动曲柄,使主动曲柄绕前轮转轴旋转,从而使四杆机构构形发生变化,最终实现履带的变形。机器人履带变形装置传动顺序为:驱动电机一减速器——联轴器一前轮转轴——主动曲柄一连杆——从动曲柄一履带。

履带变形装置传动系统设计:

下图为整个传动链包括机架、电机、编码器、减速器、联轴器、前轮转轴、轴承、前轮、主动曲柄、从动曲柄、连杆、后轮转轴等,这些零部件的安装联接方式不再一一说明机器人履带变形装置传动系统的特点:

图2-3-2履带变形装置传动系统

(l)采用模块化设计的原则,将整个履带变形装置的传动系统与机器人机架相分离,而且履带张紧调节装置也进行了模块化设计,使履带变形装置的装配和拆卸变得简单。

(2)采用蜗轮蜗杆减速器,具有较大的减速比,并具有自锁功能。给主动曲柄提供足够的保持力矩,这样即使在主体内部电机掉电的情况下,主动曲柄仍能保持原姿态而不会出现反转现象。

云台结构设计:

安装在机器人机架上的云台结构比较简单,只有2个自由度。下图为云台结构示意图,传动系统主要由云台底座、回转台、支撑架组成。云台底座通过一个移动杆件固定在机架上,回转台可以绕其与回转台联接的轴线转动,其驱动电机及部分传动装置安装在回转台内;回转台上装有一个CCD摄像头和2个探照灯,可以用于夜间照明以及拍摄机器人的工作环境。

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图2-3-3云台结构示意图

第三章搜救机器人硬件设计

3.1电源电路

智能救援机器人全部能量来源于位于机器人底部的电池,经过传统的78L05稳压电路给其单片机及外围传感器供电,其电路如下图所示。部分传感器采用5V低电压供电可以避免机器人过早检测障碍物而停止前进。

图3-1救援机器人电源电路示意图

3.2寻线电路

巡线模块我们采用红外对管。红外对管由LED和光电三极管组成,光电三极管根据从地面反射回来的LED的光的强度而改变积极基极电流。在光电三极管基极接一上拉电阻,则可根据基极电压的测量判断反射光的强弱,强光说明探测器下方是白色,弱光说明下方光较弱,大部分光被黑线吸收。对于输出的模拟信号,我们将其引入五个电压比较器LM339进行处理。电压比较器LM339的一输入端接红外对管,另一端接滑动变阻器,通过对滑动变阻器的调节可以实现对红外对管对黑线的灵敏度。比较器LM339的另一端接上拉电阻后进入单片机进行探测。

3.3避障电路

避障部分采用光电开关,将其安放在机器人需要测量的各个方向。为减少它的测量距离保证机器人的正常运行,我们采用的是低电压5V供电,供电电压虽略显不足,但

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能保证它的正常短距离探测。光电开关的信号线的高低电平可反映前方障碍物的有无,障碍物检测电路如图3-3所示。