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题目：救援机械人的应用 学 院：＿机械工程学院＿ 专 业：＿机械电子工程＿ 班 级：＿机电073＿＿＿
学 号： 1＿ 学生姓名：＿ ＿ 指导教师：＿ 2010 年 12 月 25 日
目 录
第一部分：研究意义与必要性……………………3-5
一、 研究意义 二、 必要性
第二部分：国内外研究现状及分析………………5-6
一、 国外现状研究 二、 国内现状研究
第三部分：关键技术详细内容……………………6-16
一、机构 二、检测 三、控制
参考文献……………………………………………17 第一部分：研究意义与必要性 一、研究意义
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1、灾难概括
在世界各地，由于自然灾害、恐怖活动和各种突发事故等原因，灾难经常发生。在灾难救援中，救援人员只有非常短的时间(约48小时)用于在倒塌的废墟中寻找幸存者，否则发现幸存者的几率几乎为零。在这种紧急而危险的环境下，救灾机器人可以为救援人员提供帮助。地震和矿难是自然界最可怕的现象。有历史记载以来，地震和矿难已经导致无法估计的财产损失，并且夺去了千百万人的生命。仅上一世纪，所发生的地震和矿难就超过了200多万次。常常并不是地震和矿难本身夺去人的生命，而是地震和矿难发生时造成建筑的损坏以及塌方、雪崩、海啸等造成人员伤亡。其中地震过程中房屋倒塌人员被困的情况更是很常见。因此，将具有自主智能的救灾机器人用于危险和复杂的灾难环境下“搜索和营救” 幸存者，是机器人学中的一个新兴而富有挑战性的领域。 2、传统的救援
传统的救援方式用人工挖掘和利用大型设备，比如：起重机、挖掘机等进行挖掘。
人工挖掘显然工作效率较低，对于那些流血较为严重的被困人员时间就是生命，而且由于受损房屋的不稳定因素也会对被救人员的安全产生威胁。 大型的机械设备在灾难发生后地形复杂而很难进入，而且大型设备挖掘过程中不稳定因素较高，从而可能产生被困人员的第二次伤害。 3、救援机器人意义
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救援机械人可以克服传统救援的工作效率较低、大型设备救援的不稳定性，救援灵活快捷、携带方便、对环境适应能力强等特点，在救援工作中有重要意义。
二、必要性
救灾机器人利用自身的优点，能迅速找到灾难遇险人员的位置，降低事故危害性，对提高救灾效率具有重大作用，必要性具体表现为:
1、救援机器人具有灵活性好、机动性强的特点，有较好的爬坡和越障能力，能适应现场各种各样的地理环境。 比如，蛇形救灾机器人能适应任何的复杂环境，在灾区能自由运动。
2、救援机器人的探测技术发展迅速，能迅速找到遇险人员的位置。 救援机器人利用传感器通过探测遇险人员的呻吟声、体温的变化及心脏跳动的频率的信息能找到他们的位置。 其次，机器人的视频探测器(CCD摄像头)具有信息直观、能实现计算机辅助控制等特点，可以将现场环境的图像返回到救灾中心，为进一步控制机器人的运动方向，制定下一步救灾的方案提供决策依据。 最后，机器人还能进入受灾区域，监测事故现场(如温度、瓦斯以及有害气体的浓度)的变化，防止事故的二次发生。
3、救援机器人具有为被困人员投放小包食品、药物和通讯装置等辅助功能，能有效地减少遇险人员的伤亡人数。
因此世界上许多国家都在研制军用机器人、扫雷机器人、排爆机器人和消防机器人等危险作业机器人。救灾机器人是机器人的一个新兴发展领域，属于危险作业机器人的一个分支，具有危险作业机器人
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的特点，救援机器人的发展必要性是显而易见的。
第二部分：国内外研究现状及分析 一、 国外的研究现状
在国外，救灾机器人发展迅速、技术日益成熟，并进入实用化阶段，日本、美国、英国等已开始装备使用。在灾难现场中，救灾机器人应能迅速找到幸存者的位置。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，其顶端带有一部小型监视器，身体部位安装传感器，可以在地震后的废墟里寻找幸存者。 美国iRobot公司研制了PackBot系列机器人，能适应崎岖不平的地形环境和爬楼梯，主要执行侦察任务、寻找幸存者、勘探化学品泄漏等任务。 InuKtun公司研制了机器人MicroVGTV ，机身可变位，采用电缆控制，含有直视的彩色摄像头，并带有微型话筒和扬声器，可用于与压在废墟中的幸存者通话，适用于在小的孔洞和空间中执行任务。 除了前面的中小型救灾机器人，微型救灾机器人也正在研究中，美国加州大学伯克利分校研制出世界第一个苍蝇机器人，通过装在它脑袋上的微型传感器与机，可以到倒塌的建筑物废墟底下或其他灾难场所寻找幸存者。
二、 国内的研究现状
在国内，救灾机器人的研究刚刚起步，但进展很快。 中科院沈阳自动化所在2002年研制了一种蛇形机器人，由16个单自由度关节模块和蛇头、蛇尾组成，在监控系统的无线控制下可实现蜿蜒前进、后退、侧移、翻滚等多种动作，并能通过安装在蛇头上的头
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将现场图像传回监控系统。 国防科技大学在2001年也研制了一种蛇形机器人。中国矿业大学在“211工程”的支持下，已开始研制煤矿救灾机器人。
第三部分：关键技术详细内容 一、机构
1、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耗；良好的姿态稳定性和高运动精度；能够适应各种各样的地理环境，有一定的爬坡和越障能力。
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、轮腿式和履带式等。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，动载荷小，设计紧凑，其缺点是重量大，能耗大。 例如履带式移动机构的设计：
在恶劣工作环境、地面的不平及承载能力等因素影响下，选用履带作为传动装置。它有如下优点：
（1）、它能够平稳、迅速、安全地通过各种复杂路况。由于接
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地面积大可以减小单位面积压力，对路面的要求不高。
（2）、履带板上有花纹并能安装履刺，所以在雨、雪、冰或上坡等路面上能牢牢地抓住地面，不会滑转。
（3）、诱导轮中心位置较高，所以通过壕沟、垂壁的能力较强。 综合上述，对一救援机器人履带分析如下：
一般机构越重，要求的履带结构越坚固，我们机构的履带在低于100公斤的承重下能良好的工作。重量在大于100公斤时，就需要使用更坚固的履带，如图3.1所示以避免压力不够时履带不能拉直或者在驱动轮上打滑。重量超过100公斤时，则需要使用更坚固的履带，像齿轮带等。本机构对路面要求不是太高；而且重量在100公斤左右。由于考虑路面不平增加摩擦力等因素，所以选择带花纹的软性链式橡胶履带。
图3.1履带的松边和紧边
本机构的履带有三个必备组件：驱动链轮、空转链轮、履带。如图3.2所示，驱动链轮连接着机构的驱动装置（即就是驱动轮），空转链轮与驱动链轮看起来一样，不过它的作用仅仅是旋转，使履带张紧。
图3.2 机构履带总结构图
当履带不够紧贴地面时，与路面存在间隙。需要加载载重轮。载重轮将有助于将机构的重心转移到履带上，使履带紧贴地面。最好在给定的空间里使用尽可能多的载重轮，但具体的使用量还要考虑对牵引力的影响，本设计机构有2个载重轮较为合适。
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2、机械手
机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等组成。在PLC程序控制的条件下，采用液压传动方式来实现执行机构的相应部位发生规定要求的、有顺序、有运动轨迹，有一定速度和时间的动作。同时控制系统的信息对执行机构发出指令，必要时可对机械手的动作进行监视，当动作有错误或发生故障时即发出报警信号。位置检测装置随时将执行机构的实际位置反馈给控制系统，并与设定的位置进行比较，然后通过控制系统进行调整，从而使执行机构以一定的精度达到设定位置.。
机械手的整体机械结构如图3.3所示：
图3.3 机械手的整体机械结构
二、检测
1、检测避障电路
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3.4和3.5所示。
图3.4 障碍物检测电路 图3.5 超声波检测电路板 2、超声波测距电路
由于超声波执行性强、能量消耗慢、在介质中传播距离较远的
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特点。我们采用DIP-ME007超声波测距模块完成高度的测量功能。DIP-ME007超声波测距模块能比较迅速、方便地测出桥底部距测距模块之间的距离，此模块共有五个引脚VCC、tring、echo、out、GND。DIP-ME007超声波测距模块输出为pwm方式，VCC、GND接好后向tring发一个10 s以上的高电平，就可以在接收口echo等待高电平输出。单片机采用跳变沿触发，触发后即开始计时。当电平变低后即开始读定时器，此时的值即为此次测距所用的时间。根据S=Ct／2即可得出所测得的距离。如此周期性测量即可实现移动测距。单片机内部自动将测得数据保存并与上一次测距结果比较，保留最大值，当连续五次未测得大于前一次的数据时停止检测并记录最大值。当再次检测到黑线即已成功过桥，此时单片机控制显示模块将测得的最大值在液晶屏上显示出来。 3、无线摄像检测部分
无线摄像头和接收机，采用小体积摄像头，适合于普通环境安装。用高清晰度的420线CCD图像传感器，摄像机成像清晰，色彩鲜艳。摄像机还带有红外线功能可进行夜间观测救援情况。摄像机和接收机无阻隔工作距离60M，阻隔传输距离20M。视频采集卡，其功能是将视频信号采集到电脑中，以数据文件的形式保存在硬盘上。它是我们进行视频处理必不可少的硬件设备，通过它，我们就可以把摄像机拍摄的视频信号从摄像带上转存到计算机中，利用相关的视频编辑软件，对数字化的视频信号进行后期编辑处理，比如：剪切画面、添加滤镱、字幕和音效、设置转场效果以及加入各种视频特效等等，最后
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将编辑完成的视频信号转换成标准的VCD、DVD以及网上媒体等格式。
三、控制
1、主控制器电路
由于主控制器的任务较多，电路要求引脚较多，且显示器的控制程序较为复杂，我们单独配备了一个同样的单片机作为主控制器的辅助部分，通过它来分担主控制器的工作，来完成显示部分的工作。其中主控制器与其它模块的连接如图3.6所示。 2、声光报警电路
声光报警模块主要应用于搜救报警电路中，同时为进一步扩展应用，我们在控制其开关的同时引入另一条信号线实现了对声音的控制。在搜救过程和平安到达安置区时经采用不同频率和音色的声音给出表示。寻找硬币我们采用金属探测传感器，当发现金属时，其信号线上电平从低电平变为高电平，触发单片机中断，在单片机的控制下机器人停止运动，启动音乐发生模块并点亮LED进行声光报警，具体实现电路如图3.6所示。
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图3.6控制器电路和声光报警电路
3、无线信号发射和接受电路 （1）、无线发射电路
无线电遥控器和接受电路模块采用微型无线电遥控组件，遥控器为四位微型遥控器，TWH9236包括控制部分（具有A，B，C，D等十个按键）、编码电路、调制电路、高频振荡与发射电路以及内藏式天线其原理方框图3.7如下：
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控制 A B C D E F G H I J 编码 调制 高频振荡与发射 图3.7 TWH9236内部结构图 （2）、无线接受电路
接受电路采用与微型遥控器相配套的接受模块TWH9238（IC1）,内部电路结构如图3.8所示，它由内藏天线和无线接受电路、放大整形电路、解码电路、锁存电路和输出电路组成，具有A、B、C、D等十个锁存输出端和I 0一个非锁存输出端。A、B、C、D等十个锁存输出端对应遥控器上的ABCD等八个按键，任何一个键按下时，I0均输出一个窄脉冲。
输 出 无放解码 锁存 I0 A B C D E 图3.8 内部电路结构 11文档收集于互联网，如有不妥请联系删除.
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4、电机驱动电路
单片机通过传感器的反馈信号控制电机正转、反转或者停止，来实现控制机器人完成各种动作。L298N是专用电机驱动芯片，他可以实现电机的正反转、刹车、pwm调速等多种功能，是对机器人电机进行控制的比较理想的芯片，因此我们采用L298N芯片对两个普通电机进行控制。通过编程完全可以控制实现题目的基本要求和发挥作用，也可增加各种创新功能。L298N芯片信号电源与驱动电源的分开，可以根据需要对电机的电压进行调节，其驱动电路如图3.9所示。 图3.9 电机驱动电路
5、显示电路
采用MSl602C-1型LCD显示相应的信息。此显示器模块的工作电压为5V左右，支持显示2行字符，每行可显示16个字符，每个字符由5×7点阵显示。可以通过编程实现多种显示，显示信息比数码管更多，显示效果更好。由于主控制器的单片机任务较多，电路接线较复杂，我们采用单独的单片机控制显示模块。
参考文献
【1】张建民.工业机器人.北京:北京理工大学出版社，1988 【2】.蔡自兴.机器人学的发展趋势和发展战略.机器人技术，2001, 4 【3】金茂青，曲忠萍，张桂华.国外工业机器人发展势态分析.机器人
技术与应用 ，2001
【4】王雄耀.近代气动机器人(气动机械手)的发展及应用.液压气动与
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密封，1999, 5
【5】严学高，孟正大.机器人原理.南京:东南大学出版社，1992 【6】机械设计师手册.北京:机械工业出版社，1986
【7】黄锡恺，郑文伟.机械原理.北京:人民教育出版社，1981
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