地震生命探测机器人

《机器人技术》课程设计任务书题目名称：地震生命探索机器人学生姓名：专业：机械电子工程学院：机械工程学院班级：指导教师：任务分配:1.设计要求及其内容:设计要求：如要求机器人可以自主或遥控操作，可以是地震、矿难、水灾、火灾等场合，要求机器人使用电池供电，可以连续工作2小时以上。

1.1选题目的和意义：地震作为最危险的地质灾害之一, 具有无法预知、破坏力大、易引发次生灾害等特点, 时刻威胁着人类生命财产的安全。

据调查, 地震中的人员伤亡,大部分是由建筑物坍塌、地面凹陷等情况导致人员被掩埋、砸伤而又无法及时得到救治引起的。

因此,地震后的救援工作对于减少人员伤亡具有重大意义。

但是, 由于震后建筑废墟情况复杂, 还面临着余震的危险, 救援人员进行被困者搜救的工作极为困难。

地震后72小时为救援黄金时期, 因此, 设计一款机器人, 用于地震后废墟内被困人员的搜索工作, 帮助救援人员及时掌握被困者位置及其周围环境情况, 可以有效减少人员伤亡、提高搜救效率。

本文设计了地震搜救机人的结构设计、给出了控制系统的设计及其创新点。

2国内外研究状况:2.1 国内救灾机器人的发展状况我国大约有30家左右的高等院校和研究院所在从事各类机器人的研究工作，在40多年来，已在机器人的感觉识别，操作、移动技术，人机接口技术,智能化技术等方面取得了可喜的成就。

部分科研成果,如工业装配、焊接、喷涂，搬运、探伤、水下作业、过程测量机器人已进入实用阶段，某些控制、传动元器件的产品技术已接近国际先进水平。

在863计划资助下，中国科学院沈阳自动化研究所开展了多项危险作业和极限作业机器人研究，其中救援机器人是重要的一个部分。

如蛇形机器人，旨在用于非结构环境中探测和灾难救援作业。

该蛇形机器人可以根据地面状况采用蜿蜒、伸缩、侧移和翻滚等多种运动步态，在监控系统的无线控制下，具有一定的三维运动能力，并可通过安装在蛇头上的微型摄像头将现场图像传回监控系统。

在蛇形机器人研究的基础上，从模块化、可重构和自动变形的角度研制出了一种履带式灾难救援可变形模块机器人样机，该三模块机器人具有9种运动构形和3种对称构形，具有直线、三角和并排等多种形态；而其研制的水面救援机器人，可以在l km范围内，对其进行无线控制。

由沈阳自动化所和广州卫富公司承担的“危险作业机器人”课题，成功研制出能完成反恐、防暴等综合任务的“危险作业机器人”产品样机；沈阳自动化研究所最近研制出的基于复合机构的非结构环境移动机器人，它能够在高低不平、障碍物和楼梯等复杂多变的环境中使用，适用于探测、排查、搬运、消防和销毁等危险作业。

2005年9月l2日，“中日救援及安全机器人技术研究中心”在沈阳揭牌成立，该中心由中国科学院沈阳自动化研究所与日本国际灾难救援系统研究院合作成立，旨在实现强强联合，推动机器人技术在灾难救援中的应用[5]。

2009年5月，中科院沈阳自动化所机器人学国家重点实验室与中国地震应急搜救中心联合研制的40kg级旋翼飞行机器人公开亮相，该机器人成功完成自主起飞、空中悬停、航迹点跟踪飞行、超低空信息获取、自主降落等科目，实现了对地震废墟区域的快速信息获取与实时影像回传[6]。

2009年12月沈阳新松机器人公司研制出了国内首台具有生命探测功能的井下探测救援机器人。

该机器人上的拾音器可以捡拾呼救声音，红外热成像仪可以探测到人体，机器人还可以配载食品、水、急救包等物品[7]。

抢险救援机器人的研制正在国内蓬勃发展，并受到政府的极大重视，“救灾救援危险作业机器人”项目被列为国家“863”计划重点项目。

2.2 国外救灾机器人的发展状况国际上较早开展救灾机器人研究的是美国和前苏联，稍后，英国、日本、法国、德国、等国家也纷纷开始研究该类技术。

目前已有很多种不同功能的消防机器人用于救灾现场。

灾难救援机器人技术正从理论和试验研究向实际应用发展。

在2005年6月份日本神户召开的IEEE安全、防卫、救援国际研讨会(IEEE SSRR’05)上，会议的主旨定为：“在今后的减灾和救援中，机器人作为一种有效的手段，将成为社会基础设施中不可缺少的部分”。

日本作为一个多核能、多地震国家，在救援机器人方面开展了相对全面的工作。

日本东京工业大学的广濑是最早从事救援机器人研究的学者之一，他所领导的广濑研究室，从仿生的角度和基于超机械系统的思想先后研制了“ACM”，“GENBU”与“SORYU”等多系列救援机器人样机；日本电气通信大学忪野文俊研究室研制出的信息搜集用机器人“MA．1”；冈山大学大学院自然科学研究科永谷圭司研制出的不平整地面移动救援机器人“RESDOG”，它底部的履带支撑为多个从动三角形辊架，具有较好的灵活性以适应地形；日本神户大学高森年等研制的UMRS系列机器人，可以将机器人用于废墟瓦砾中的探察作业。

美国在9.11事件之后，开始日益重视抢险救灾机器人。

Inuktun公司的Micro Traces 体积小，质量轻，十分适用于救援作业；Foster-Miller公司的Talon， SOLEM 和Urbot 具有很好的传感和承载能力，且速度快。

SOLEM 被用于废墟堆中的作业，Talon和Urbot被用于建筑物的内部检测。

在美国，多个高校的研究中心、国家研究机构和公司也同时进行了救援机器人的研究。

南佛罗里达大学灾难救援机器人研究中心MURPHY 等研制出安装有医学传感器的救援机器人Bujold底部采用可变形履带驱动具有较高的运动和探测能力，同时机器人能够在灾难现场获取幸存者的生理信息和环境信息，并将其传送到外界。

加利福尼亚工业大学HELMICK等研制出的多传感器救援机器人，该种机构结构简单易控，具有快速爬楼梯的能力。

南加利福尼亚大学SHEN 等研制出的一种模块化可重构的救援机器人CONRO，它可以根据灾难现场环境的需要重组成蛇形、六足形及环行等多种构形。

灾难救援机器人研究逐步从试验研究转入到实际应用，多种技术融合化、多智能体网络化是今后灾难救援机器人研究的发展方向。

防灾、减灾和救灾事关人民生命和财产安金，是国家公共安全的重要组成部分。

救援机器人技术是国家发展迫切需要的战略必争的核心技术之一，将在国民经济和安全中起着重要作用并具有重大的战略意义。

3.设计方案3.1 地震搜救的机器人的组成为了实现在地震后恶劣环境下的救援作用, 机器人应该具有下列模块: 1)运动机构。

以实现在废墟内的移动, 并具备一定减震功能; 2) 云台机构。

安装摄像头并实现图像采集; 3)控制部分实现远程无线信号传输和运动控制功能; 4)图像采集模块和信息采集模块, 实现图像、声音实时传递; 实现机器人远距离无线控制, 具备一定避障功能, 并且具备幸存人员探测功能; 5)辅助模块的设计, 包括照明设备及供电设备(蓄电池)。

如图1所示。

3.2 运动机构设计3.2.1 地震搜救机器人可变位履带机构设计一般机器人的运动机构有轮式、履带式、摩擦式以及飞行式等。

轮式的爬坡能力小 , 履带式机器人, 驱动力大, 越野性能及稳定性好, 爬坡能力大(一般为50% ~ 80% , 最大的可达100% ), 且转弯半径小, 灵活性好。

地震后废墟内的路面情况复杂,空间狭小, 采用双侧履带式运动机构, 以增强机器人对环境的适应能力。

可变位履带机构方案结构如图2所示图中11为从动轮, 10为前摇臂, 12为驱动链轮, 14为承重轮, 由承重轮起到张紧和减震的作用,将从动轮安装在前摇臂机构上, 实现前履带仰角的变化。

图2履带式车辆跨越垂直障碍物的条件, 如图3所示, 当履带车辆轮廓碰倒垂直障碍物时, 一般认为其前轮高度hw 约等于障碍物高度hi 时, 车辆方能通过。

当车辆部分行驶上垂直障碍物时, 若其重心位于障碍物边缘的上方, 则它会恢复水平, 即可通过。

根据机器人实际高度, 机器人越障高度可达到70mm。

如图3, 当机器人遇到前方较高障碍物时,前摇臂抬起, 将履带压在障碍物上, 同时将摇臂放下, 使其产生向下的力F, 从而将机器人抬起, 使机器人顺利通过障碍物。

机器人上、下坡时, 由受力平衡条件得知, 当车辆重心作用线不超过后轮与地面的接触点时, 车辆不会颠覆, 不能颠覆的最大坡角α为: α = tan^-1(b /h ), 车辆可以通过的最大坡角αm = tan^-1(b/h)=68°, 机器人理论爬坡高度大于40°,机身重50斤，长45厘米，宽30厘米。

高20厘米。

满足设计要求。

图33.2.2地震搜救机器人云台设计地震搜救机器人工作环境复杂, 容易将摄像头损坏, 需要实时注意云台的位置。

机器人在行进的过程中, 由于前方的路况不确定, 云台处于闭合位置, 摄像头在最低位置, 镜头方向向前, 可以有效地避免摄像头损坏, 并可以了解地震搜救机器人前方的路面情况。

当需要摄像头到达一个指定的位置时, 云台开始工作(升降、转向、俯仰), 机器人需要先停止移动, 云台再开始转动, 使摄像头运动到指定的位置, 达到搜救目的。

地震搜救机器人云台采用臂式结构, 可以达到摄像机（0-200mm)的升高、水平的转动和俯仰运动的目标。

云台机构如图4所示。

A点舵机旋转角度α范围为-90°到90°, B 点舵机旋转角度β范围为0到90°, C 点位置平行于纸面的舵机旋转角度γ范围为0- 180°, 且在升降时α= β。

A、B、C三点处舵机都可以自由转动, A 点处舵机控制摄像头的水平方向转动、B 点处舵机控制摄像头的升降、C 点处的舵机控制摄像头的俯仰。

图43.3控制系统研究地震搜救机器人的控制系统包括以下模块: 传感器模块、无线通讯模块、电机驱动模块、舵机驱动模块、控制处理单片机芯片、电源模块等。

硬件系统结构如图5所示。

其控制程序流程图所示。

1.控制模块它不仅负责将环境图像采集部分送来的图像数据进行处理，还要将这些信息转化成为电机的驱动控制信号，使整机器人既可以按照预定设计的规则智能控制行动，同时又可以按照地面指挥系统的指挥人工操作，还要对其他一些辅助设备进行控制。

对外界的抗干扰能力要强，于是我们选择microchip公司的32位微控制器PIC。

该控制器除了刚才说的抗干扰能力强之外，还具有速度快、移植性好等优点。

2.电池模块作为机器人的动力与工作能源模块，我们采用能量密度高的锂离子聚合物电池组，供电电压24V。

锂离子聚合物电池能量密度高、质量轻、可以做成任意形状。

主要规格/特殊功能：电池组编号：Large-02-019 单体电池电压：3.7V单体电池容量：1300mAh 电池组合方式：二串一并组合电池电压：7.4V 组合电池容量：1300mAh 成品内阻：≤1500mΩ保护板：IC S8232+MOS8810X2 过放保护电压：5.5V 过充保护电压：8.4V电池组功9.62W电池组尺寸：16X68X50mm最大放电电流：>1A瞬间放电电流：>2A最大充电电流：>1A3.电机驱动模块驱动机器人行走的两个电机需要不同的转速来实现转弯。