智能救援机器人设计

智能救援机器人设计（通用8篇）

智能救援机器人设计 篇1

0 引言

自从1920年捷克斯洛伐克作家卡雷尔﹒恰佩克的《罗萨姆的机器人万能公司》问世,人们便对机器人充满了幻想与期待。随着社会的不断发展,各行各业的分工越来越明细,机器人也能在其中扮演重要的角色来替代人们的劳动。与此同时,随着科学技术的发展,探险、救灾、排爆等危险场合工作的机器人,以及自动化生产中机器人的应用也日益广泛[1]。因此,智能救援机器人的研制已成为急需和必要,文章就智能救援机器人的设计进行了探讨。

1 智能救援机器人的硬件设计

该智能救援机器人主要由电源模块、检测感应模块(实现巡线、避障、捡放硬币、测距功能)、声光报警模块、控制器模块、电机驱动模块、显示模块六部分组成,其结构框图[2,3]如图1所示。

1.1 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六节五号电池,经过传统的7805稳压电路[4]给其单片机及外围传感器供电,其电路如图2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。

1.2 检测感应模块

1.2.1 巡线电路

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[5]。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。

1.2.2 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[6]如图3所示。

1.2.3 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特点。我们采用DIP-ME007超声波测距模块完成高度的测量功能,其电路板如图4所示。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,是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。

1.3 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[5,7]如图5所示。

1.4 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[7]如图6所示。

1.5 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部分,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[7]如图7所示。

1.6 显示电路

采用MS1602C-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。

2 智能救援机器人的软件设计

本智能救援机器人的软件控制部分采用C语言编程,借助C语言的强大功能来实现单片机AT89S52的控制功能。主程序流程图[7,8]如图8所示。

3 结论

以AT89S52单片机为核心部件,利用红外传感检测、电机控制等技术,通过各种方案的讨论及尝试,再经过多次的整体软硬件结合调试,不断地对系统进行优化,最后智能救援机器人可以实现:避开障碍物,并寻找到合适的路径;顺利通过受损的桥梁,并能较准确地测出桥梁的高度;自动识别路线状况,并根据实时状况快速做出判断,准确控制机器人的转向;自动显示所要求的信息;自动寻线前进,能智能检测、捡起、放下硬币;声光报警,并有彩灯闪烁;行驶到规定的地点自动停止并显示救援结束。

在设计过程中,力求硬件电路简单,外形美观,充分发挥软件设计的优势来满足系统的要求。

参考文献

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[3]王利红.基于红外传感智能巡线机器人研究与设计[J].微计算机信息,2008,10(2):242-244.

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[8]陈龙三.C语言控制与应用[M].北京:清华大学出版社,2002:11-137.

智能救援机器人设计 篇2

谷歌无人驾驶汽车是谷歌公司开发的全自动驾驶汽车，至今，谷歌公司共使用过7辆无人车，累计每辆车在路面行驶超过50万公里。谷歌无人驾驶汽车可以为乘客提供最方便的搭乘体验。无人车会根据乘客的需要自动启动，乘客只需在车上的导航系统输入目的地，无人车便开始执行任务。

爬墙机器人不同于无人车和无人机，却处于两者之间。虽然不能在天上飞，但也不满足只能平地上行走，它可以毫无压力地在陡峭的坡上行走，90度甚至180度斜坡。设计思路与方法

2.1 设计目标

现有的爬墙机器人技术虽然尚未成熟，2015年12月30日，迪士尼研发部发布了一款能以比较快的速度爬墙的机器人，起名为VertiGO。本设计以VertiGO为原型，参考了其爬墙原理和设计方案，能够完成在平地行走，自动翻墙，在90度的墙上行走等动作。

2.2 车体设计

本作品采用的推压式爬墙机器人的原理，参考VertiGo的车身设计，车体由以下零件构成：

车身底板×1;舵机支架Ⅰ×2;旋转环支架×4;旋转环×2。

2.2.1 选材

车体作为本作品最大的主体，要考虑的因素主要有以下两点：

(1)重量轻。在这有限的动力下驱动爬墙车，车体在重量上毫无疑问就要足够的轻。

(2)韧性好。考虑到调试阶段爬墙车虽然在较低的墙面上测试，但不可避免会出现滑落或者意外情况摔落地面。此时韧性好的车身可以有效地降低爬墙车摔坏的风险可能性。综合考虑选取了铝合金板材。

2.2.2 车体设计步骤

车体设计采用自上而下的方法。具体可描述为三个阶段：第一阶段是确定车体形状，在车身上安装4个支撑电机螺旋桨的支架让电机和螺旋桨原有的高度上架空;第二阶段是在车体的形状确定之后，很容易就能把车体分为5个部分：车身、旋转环支架、旋转环、电机支架和轮子;第三阶段是应用Solidworks软件的零件设计功能，把各零部件在软件上建立模型。然后利用软件的装配图设计功能把各零件模拟装配起来，完成车身零件的设计。最后在软件内自动生成为CAD工程图寻找合适的商铺完成定制。

2.3 Solidworks软件简介

Solidworks软件是Solidworks公司开发的世界上第一个基于Windows的实体模型设计系统。软件主要有三个主要设计功能。分别是零件设计功能，装配图设计功能和工程图设计功能。在工程图设计功能中，用户可以把设计好的零件直接生成工程图，图纸可以兼容现在主流的设计软件，例如AutoCAD、3DMAX等，直接应用在生产上。

2.4 关于单片机

单片机亦称单片微型控制器，是一个微型计算机，也是爬墙机器人的大脑。设计者通过对单片机进行编程，令单片机产生多路控制信号，分别驱动爬墙机器人的电机和舵机运动，使机器人完成各种设定的动作。

爬墙机器人需要调节2个电机的速度，2个舵机的角度，计算爬墙机器人的速度和与上位机的信息交换。电机的速度主要由电调接受的PWM控制信号决定，舵机的角度也是由接受的PWM信号决定。最后综合多方面的因素选择了STC15W4K32S4系列单片机。物理模型

本设计的爬墙机器人功能主要有：

(1)平地加速运动;

(2)平地减速运动;

(3)平地匀速运动;

(4)90°翻墙动作;

(5)90°墙面稳定不动;

(6)90°墙面运动。

动作的设计方案主要依靠2个电机螺旋桨的配合完成，设定一端电机螺旋桨为提供动力，另一端电机螺旋桨为调整动力。为了各零件调试成功，在实现以上功能之前必须测试以下参数。爬墙机器人的质量m，电机螺旋桨的最大推力F，爬墙机器人在运动中速度与阻力的关系。经考虑，为了方便得出速度与阻力的关系，可以设定电机螺旋桨在垂直车身施加的力保持不变，阻力F简化为以下关系，F运动阻力=kv。结论

“机器人智能行走”教学设计 篇3

让学生认识机器人的灰度传感器，了解机器人软件中执行控件（直流电机、延时控件），会编写机器人行走、转弯程序并植入机器人进行运行和调试，了解程序中流程控制并会使用条件循环以及单分支，试着编写机器人在圆圈图中规避的程序。

二、教学重点

让学生了解灰度传感器，学会执行控件、流程控制控件，会运行并调试机器人规避程序。

三、教学难点

执行控件的相互搭配使用，机器人软件中的循环控件知识的掌握，规避程序的编写与调试。

四、教材分析与教法建议

1.教材的地位与作用

本课是江苏省《小学信息技术》（五年级）教材第17课内容。在本课之前，学生已经了解Logo语言，对于程序设计有了初步知晓。通过前面几节课关于机器人的知识介绍，学生对于紫光学生机器人与机器人软件平台有了解，本节课主要是将前面介绍的紫光机器人的硬件与平台软件的设计程序进行综合应用，所以对于学生机器人的全面认识有很重要的作用。

2.教学方法指导

介绍新的知识点，关键在于激发学生的学习兴趣，让学生迅速产生亲近感。基于本课内容的特点，本课主要采取情境法、演示法、任务驱动法等教学方法，注重调动学生的学习积极性，提高自主学习能力，变被动接受为主动获取，力促课堂教学在生动有趣、愉悦的气氛中展开。（1）引入新课时，采取情境法教学，激发学生兴趣。（2）在课堂教学中，教师通过演示法、任务驱动法，分步带领学生进行机器人行走的尝试，帮助学生层层分解，步步推进。这样可以很好地巩固学生学习的知识。

五、教学过程

1.导入

给学生播放《西游记》中孙悟空在地上画了圆圈，并吩咐唐僧千万别走出这个圆圈，否则会有危险的视频片段。引入本节课三角机器人也在相同的圆圈里，不管怎么走都走不出这个圈，要不然走出圈也会有撞到墙壁的危险来为学生创设一个情境，使学生对本节课内容产生足够的兴趣，激发他们的学习热情。

2.新授

（1）机器人的“眼睛”——认识灰度传感器

师：同学们，在课前紫光学生机器人已经和我们见过面了，也和我们打了招呼！相信同学们对这位新朋友都不陌生吧！我们也都知道这位朋友的“眼睛”“耳朵”“四肢”“嘴巴”都在哪并且有什么用了吧？

今天我们就先来看看机器人的眼睛——灰度传感器（教师介绍灰度传感器的知识）。

（2）机器人行走——编程软件中的直流电机、延时控件

师：我们的这位机器人朋友现在是不可以动的。它在来北京之前跟我说，要请北京的小朋友给他赋予生命，让它动起来。

学生打开机器人程序、以小组合作的形式探索直流电机程序的编写并传输到机器人使机器人走起来。

师：同学们，刚刚老师看见你的机器人虽然都有生命可以动了。但老师想让它变得聪明一点，能够前进几秒再后退几秒最后停止，可以吗？

教师揭示延时控件与直流电机控件的搭配使用，学生分小组编写、调试程序，最终实现机器人的功能。

（3）机器人思考——编程软件中的流程控制

师：刚刚我们已经赋予了机器人生命，那么我们再来想一想我们的这位朋友可以像人类一样去思考吗？知道遇到什么情况的时候要做出什么样的反应吗？下面就跟随老师一起来探究！

给学生演示讲授流程控制：①次数循环：计算循环的次数进行循环。②条件循环：判断条件进行循环。分为三个可以判断的条件。③单分支和双分支：主要用于次数循环和条件循环中条件判断的分支控件。学生练习这三大类控件。

（4）机器人规避——编程软件中灰度传感器、直流电机、流程控制的搭配使用

师：同学们，通过上面几个环节对这位机器人朋友的改造，它已经能走能动，还会思考呢！下面我们每位同学都是孙悟空，把我们的机器人朋友放到这个圆圈里，让它不管怎么走都不出这个圈。想一想你有什么好办法？怎么搭建程序呢？

煤矿救援机器人结构设计及分析 篇4

与地面环境相比, 煤矿井下地貌环境更加复杂, 这对机器人控制系统的设计提出了更高的要求, 在井下应用的机器人需具备高机动性、强大的环境感知能力和快速的反应能力[1]。按照移动机构的特点, 机器人基本可分为轮式、腿式、轮腿式和履带式[2]。轮式救援机器人虽然越过壕沟、台阶的能力较低, 但具有高速、高效的性能, 在一般地形中具有相当的优势 (运动迅速、平稳) [3]。通过选择合适的悬挂系统, 可使轮式救援机器人适应凹凸不平的地形。本文将轮式及曲柄结构相结合, 设计了一种底座可变形式六轮机器人。该机器人能够根据地形特征调整自己的底座结构, 有很强的越障能力和对非结构化地形的适应能力[4]。

1轮式救援机器人样机模型

轮式救援机器人样机模型如图1所示。

2六轮行走结构设计

机器人行走机构主要由电动升降系统、底盘系统、独立悬挂系统、承载轮机构、行走驱动系统组成, 如图2所示。

六轮移动机器人的底盘长度为720 mm, 底盘包括主题车架和前、后轮可升降车架3个部分。机器人在爬坡时, 通过对升降系统的控制, 可使6个驱动轮同时与地面接触, 增大轮胎与地面的附着力, 提高轮式机器人的爬坡能力。

电动推杆为升降系统提供了动力, 可升降车架将推杆产生的力转换成轮胎升降的力, 为爬越阶梯创造了条件。

六轮移动机器人采用独立悬挂系统, 减少了车身受到的冲击, 并提高了车轮的地面附着力;降低了机器人的重心, 从而提高了行驶稳定性;左右车轮单独跳动, 互不相干, 减小了车身的倾斜和震动。

六轮移动机器人采用集中控制- 分布驱动方式, 即每个轮子上都装有驱动电动机和减速器, 电动机由安装在车体上的中央控制元件控制其转动速度。这种结构简单, 而且便于实现, 有利于运动机构性能的发挥。

3轮式行走系统的力学系统

3.1驱动系统计算

首先计算机器人在平面道路的驱动功率, 设轮胎直径为d, 半径为r, 将轮胎站立在木板上, 将木板一端缓缓抬起, 直到轮子开始滚动, 测量此时木板与地面的夹角, 设为α, 则可测得滚动摩擦因数δ为

支撑面的正压力为

根据滚动摩擦定律[5], 可得驱动轮转矩为

驱动轮所需驱动力为

驱动轮所需功率为

当机器人爬坡时, 其受力示意图如图3所示。

设Tf为滚动阻力矩, δ 为滚动阻力因数, G为机器人重力, 则机器人所受的滚动阻力Fδ= 2δGcosβ/d=2δFf/d, 坡道分力Fg=Gsinβ, 此时总阻力F=2δFf/d+Gsinβ。

设FN为斜坡上支撑面的正压力:

则

驱动轮在斜坡上克服滑动摩擦力所需的驱动力为

在斜坡上克服滑动摩擦力所需功率为

机器人爬坡时坡道分力Fg=Gsinβ, 机器人以0.5m/s的速度爬30°的斜坡时, 克服坡道分力所需的功率为

总阻力和所需的总功率为

六轮机器人是按照六轮独立驱动的方式设计的。考虑到机器人越障所需要的功率, 直接选用了24V/36 W直流减速电动机。6个电动机的总功率为36×6=216W, 216>129.12>63, 说明满足设计要求。

3.2转向分析

机器人采用的是差动转弯的方式, 其差动驱动的几何模型如图4所示[6], 其中XOY为地面的固定坐标系。在轮式机器人上建立车载坐标系, 坐标系的点O′位于机器人质心位置, Y′轴沿机器人中轴线指向前进方向。B为左右轮中心线之间的距离, v和ω 为移动平台几何中心O′的瞬时线速度和角速度, ω1, ω2分别表示左右驱动带轮的角速度, r表示驱动带轮的半径, 移动机器人在地面固定坐标系XOY的位姿用 (x, y, θ) 的来表示。

移动机器人左右轮的速度可表示为

由速度瞬心法确定移动平台几何中心O′的线速度和角速度为

将式 (12) 代入式 (13) , 可得

机器人车载坐标系原点O′相对固定坐标系XOY的坐标方程可以用矩阵表示:

将式 (14) 代入式 (15) 并整理, 可得

式 (16) 即为机器人在地面坐标系XOY的运动速度。分析式 (16) 可知:1当ω1=ω2时, 左右两侧驱动轮角速度相等, 机器人直线行驶。2当ω1≠ω2时, 为差速转向状态, 其中ω1>ω2为向左转向, ω1< ω2为向右转向, 若ω1, ω2其中一个为0, 则右驱动轮或左驱动轮制动, 可实现制动转向。3当ω1=-ω2时, 机器人原地回转, 此时转弯半径为0。

3.3前后轮升降系统的设计

前后轮升降系统如图5所示。前后轮分别安装在前后的副底盘上, 在电动推杆的推力作用下, 副底盘绕O轴转动, 底盘和驱动轮胎都升起, 协助六轮机器人爬越高台和楼梯。

3.4越障分析

为更好地适应井下的复杂环境, 以模拟实验平台为例, 检测机器人的越障能力。六轮机器人爬楼梯解析图如图6所示。设L1为升降系统的有效长度, L2为机器人中间轴和后轴的有效长度, 本文中的六轮机器人为对称结构, 故L1=L2;H为台阶的高度, 要满足式 (17) , 机器人才可以找到一个合适的角度, 使前轮搭到台阶面, 为抬离地面做准备;W为台阶楼梯宽度, 要满足式 (18) , 机器人才可以实现连续攀爬。

式 (17) 、式 (18) 为轮式机器人连续攀爬楼梯的必要条件。由以上分析可知, 机器人升降系统的有效长度会影响机器人的爬梯性能, 在一定条件下, 机器人升降系统与中间主体长度之和增大时, 机器人的爬梯性能逐渐提高。

4结语

介绍了轮式救援机器人样机模型, 设计了六轮行走机构, 并详细分析了轮式行走系统的力学系统。轮式救援机器人采用六轮驱动、差速转向、独立悬挂系统以及底座可变形的结构, 能够更好地适应复杂的非结构环境, 增强了越障能力;采用集中控制-分布驱动方式, 有利于运动机构性能的发挥。

参考文献

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[2]TAROKH M, MCDERMOTT G, HAYATI S, et al.Kinematic modeling of a high mobility mars rover[C]//1999IEEE International Conference on Robotics and Automation, Detroit, Michigan, 1999:992-998.

[3]朱磊磊, 陈军.轮式移动机器人研究综述[J].机床与液压, 2009, 37 (8) :242-247.

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救援机器人全景观测臂的系统设计 篇5

移动机械臂是由一个或者多个机械臂与一个移动平台构成, 机械臂安装在移动平台上, 这种结构可以使机械臂拥有尽可能大的工作空间, 为同一任务提供了更多的自由度分配方案[1]。移动机械臂的运动规划问题通常包括移动平台的规划与机械臂的规划, 其具体实现方法分为两类:一类是分别考虑移动平台和机械臂的自由度, 在运动规划过程中通过决策层分配二者的自由度[2]:另一类将移动平台的自由度和机械臂的自由度综合考虑, 二者作为一个整体处理[3], 本文采用的运动规划方法属于第一种, 即将移动平台与机械臂分开考虑。

为使机器人顺利完成任务, 就需要指挥人员对现场的地形、环境等因素进行全面的了解, 机器人远程控制主要依赖实时观察现场的情况, 根据图像作出判断。由于摄像头视角的局限性, 而现有的摄像机云台虽然可以进行360°旋转, 但观察范围依旧很局限, 不能满足对周围环境信息或指定的复杂环境进行相应的监控, 远程监控观测平台的构建就成为本文研究的重点。其中主要是对摄像头观测手臂进行机械设计, 观测臂包括三连杆运动及底盘和摄像头运动系统, 摄像头分别置于机器人前端和上部可伸缩机械手臂顶端, 前端摄像头用于探路, 臂端摄像头可以对空间1.5米范围内的环境进行任意定位, 实现对周围环境的全景观测。

本文所设计的观测臂系统的运动及模型就属于移动机械臂, 就救援机器人观测臂三连杆平台的运动规划和仿真来描述末端执行器在空间的位置和姿态, 采用的运动学模型和运动规划方法具有通用性, 可以根据具体的移动机械臂的连杆数目或冗余自由度修改运动学模型。

1 数学模型的建立

1.1 建立连杆坐标系

本文将三杆移动平台简化为连杆关节原理图, 在每个关节上建立一个坐标系, 利用坐标系之间的变换来反映末端执行器的位姿, 其中转动关节能够实现旋转变换, 杆的长度可以实现平移变换。本文基于D-H坐标变换进行数学模型的建模, 首先按图1所示为每个连杆建立一个坐标系, 每个连杆由四个参数ai-1、αi-1、θi、di来描述, ai-1和αi-1描述连杆本身的特征;θi和di描述连杆i-1和连杆i之间的关系。对于移动关节i, di是关节变量;对于转动关节i, θi是关节变量。

可得观测机械臂参数见表1:

ai:从Zi到Zi+1沿Xi测量的距离;αi:从Zi到Zi+1绕Xi旋转的角度;di:从Xi-1到Xi沿Zi测量的距离;θi:从Xi-1到Xi绕Zi旋转的角度。

1.2 建立机械臂方程

令连杆坐标系{i}相对于{i-1}的齐次变换为ii1 T, 它与ai-1、αi-1、θi、di的连杆参数有关。可以把它分解为坐标系{i}的四个基本子变换问题, 每个子变换只依赖一个连杆参数。这四个子变换是:

1) Rot (x, αi-1) :绕xi-1转动αi-1角;

2) Trans (x, ai-1) :沿xi-1移动ai-1;

3) Rot (z, θi) :绕zi转动θi角;

4) Trans (z, di) :沿zi移动di。

则有

(1) 由该式得到连杆变换的通式为:

(2) 由连杆变换通式和表一参数, 得到各连杆变换矩阵如下:

将以上变换矩阵依次相乘便得到该系统的“变换矩阵”60T (3) 式 (3) 是末端坐标系相对于初始坐标系的位姿, 定义为机械臂运动方程。

1.3 重心分析

在执行侦察任务或者避障分析中, 机械臂的重心起一个关键的作用。整个系统的重心会随着手臂三个杆的运动而改变, 其稳定性也会随着变化。在不同的环境中为了保持机器人的平衡, 三杆重心仍然需要给定。

简化的坐标系固定在第一杆的中心上如图2。系统的质量包括3个部分:杆重, 电机重, 摄像头及其支撑系统, 用m1, m2, m3表示。杆长分别用L1, L2, L3表示, 长度均为l0, l0=0.5m。θ1, θ2, θ3分别表示1杆, 2杆, 3杆与水平面的夹角, 利用重心公式, 该系统的重心位置 (Lx, Ly) 在坐标系XOY中可表示为:

2 区域划分

路径规划技术是机器人研究领域中的一个重要分支。所谓机器人的最优路径规划问题, 就是依据某个或某些优化准则 (如工作代价最小、行走路线最短、行走时间最短等) , 在其工作空间中找到一条从起始状态到目标状态的最优路径。根据实际运动环境中可能出现的障碍物的情况, 本文以机器人车体为参照物, 车体周围的一切有效环境信息为观察对象。可简化为前上方 (区域2) 、前方 (区域3) 、前下方 (区域1) 大约在垂直面180度范围, 另外后前方、后方、后下方可根据实际情况调转车头、直接旋转摄像头或者旋转转盘再配合机械式手臂云台来实现。其中摄像头及底部旋转转盘都可进行360度旋转, 满足机械式手臂对周围环境约1.5m的全景观测。如下图3:

区域1中:1、2杆重心在X轴, 3杆重心在二、三象限;主要观察前下方, 针对距离车体近前端及前下方的目标环境进行观测。此时无需运动1杆和2杆即能实现任务, 可减少1、2杆的电机损耗。

区域2中:1杆重心在第一象限, 2杆重心在第二象限, 3杆重心在第一象限, 可以在观测前上方目标的时候, 抵消部分对1杆和2杆的压力, 保持三杆的平衡。适于观测周围及上下大致环境的变化, 即环境未知的情况下, 再根据实际情况远程控制其运动达到对目标物体的捕捉 (区域三) 。

区域3中:1杆重心在第一象限,

此时, 为区域2中手臂姿态不太容易实现的情况, 即环境已知的情况下, 为观察比较局限的角落或者清晰度需求较高的场合提供便利, 比如可能有可疑情况的车内, 窗户内或者桥洞内进行仔细扫描。

3 仿真

为了验证观测机械臂系统模型的准确性和区域划分的有效性, 对其进行了Adams仿真。假定机器人观测臂的工作环境如图5所示, 由初始位置运动到目标位置。分别对杆的长度、直径、连接方式等基本参数进行设置, 根据区域划分中得到的理论数据分别对三杆的速度进行设置并在Adams仿真。仿真结果如下图4, 红色线代表前上方, 三杆速度分别为-8d/s, 16d/s, -16d/s, d为degree;蓝色线代表前方, 三杆速度分别为-10d/s, 12d/s, -20d/s;绿色线代表下方, 三杆速度分别为-20d/s, 5d/s, -20d/s。

以第一杆端点为起始坐标系原点, 由图得前上方最远约1500mm, 前方最远约1300mm, 下方能达到约-1000mm。符合设计要求, 可以满足在保持机械臂稳定的前提下, 对周围有效环境信息进行摄取。由仿真结果可以对三连杆极限位置确定:由救援机器人三连杆的仿真数据及区域划分中极限位置, 综合考虑实际影响因素, 包括电机的转矩、质量、观测臂系统各个模块的质量、控制等方面的限制。最终可计算出三连杆的关节角度变化范围, L1:0-85度;L2:0-170度;L3:0-265度。另外旋转底盘的角度变化范围为:0-350度;摄像头运动系统上下约0-180度, 左右旋转约0-340度。

4 结论

本文探讨了救援机器人三连杆观测机械臂的系统模型及路径规划问题, 首先利用D-H坐标变换法建立观测机械臂的运动学模型, 其次提出机械臂区域划分, 对观测臂运动时可能出现的动作姿态及极限位置进行合理分类并简化, 将机械臂的运动空间分为三个分别独立的区域。以使机械臂在短时间, 行走路径少的情况下较好的运动到目标位置。最后利用Adams进行了仿真测试, 达到预期目标, 结果表明了该模型的正确性和路径规划的有效性。

摘要：本文设计的救援机器人观测臂包括三连杆运动及底盘和摄像头运动系统, 针对其特点, 利用坐标系变换提出观测臂运动学数学模型。并讨论了机器人的三杆运动路径设计问题, 进行合理的区域划分, 提高观测臂系统工作时的效率。最后结合仿真证明该模型的合理性及系统规划方法的有效性。

关键词：观测臂,三杆运动系统,坐标变换,数学模型,仿真,路径规划

参考文献

[1]宋佐时, 易建强, 赵冬斌.移动机械手控制研究进展[J].机器人, 2003, 25 (5) :465-470.

[2]Yamamoto Y, Yun X P.Coordinating locomotion and manipulation of a mobile manipulator[C].Proceedings of the 31st Conference on Decision and contro1.Arizona, USA:IEEE Press, 1992:2643-2648.

智能救援机器人设计 篇6

1 救援机器人机械结构及硬件平台

机械机构作为救援机器人控制系统设计的基本部分, 是整个硬件平台的基础, 能有效实现机器人功能的发挥。本研究设计的多方位驱动机器人体积小、重量轻、形状多变, 能适应沟渠、瓦砾、狭窄等恶劣路面, 并能及时反馈信息, 确认位置等。其机械结构由五个面组成, 每面含一个爬行单位。各面折叠后类似无封顶的方盒, 可爬行于狭窄空间;各面展开后, 其绕转换机构最大旋转角度可达135°。将独立的面支撑起来。并且面与面之间有机械自锁功能的涡轮蜗杆结构。同时, 为预防六面展开时履带与履带之间、履带与面之间出现相互干涉, 将左右履带设计为独立控制形式。机器人可通过履带间速度差或者旋转单位的运动来改变行进方向。

救援机器人用于矿难救援, 工作环境的恶劣性及内部存放电路板空间的狭窄性, 要求在硬件平台上必须具有紧凑的空间、可靠的硬件系统、强大的计算能力、多任务并行处理能力、模块化及对软件系统良好的支持能力。多方位驱动机器人建立基于PC104单板计算机为主要处理器的硬件系统, 设置监控、运动控制、数据采集三个系统功能, 采用有线控制和无线控制方式, 使用普通手柄遥控器控制及远程监控PC机、无线数据传输模板控制。多方位驱动机器人的硬件平台的搭建始终坚持全局出发, 减少不必要的机械结构和硬件电路, 控制机器人的重量, 从而提升性能。

2 救援机器人运动控制系统设计

运动控制是多方位驱动机器人最基本的功能之一, 其目的是为了对移动机构全体运动进行有效控制, 使得机器人在外部控制指令下生成驱动指令及控制器间的通讯, 形成多电机协调。本研究机器人的运动系统采用24V直流电源设计, 对于开合电机和旋转电机采用伺服电机, 以实现控制精度, 履带电机采用伺服电机控制。直流伺服电机选取启动转矩大、成本低、控制容易的直流有刷伺服电机, 其控制方式为脉冲+方向。基于对位置精准度的高要求, 采用直流有刷伺服电机进行驱动, 开合电机、履带电机、旋转电机应在充分考虑力矩和速度输出的基础上进行设计。

可以说, 整个运动控制系统包括爬行单位及转换机构电机的控制和履带电机的控制两部分。主控制器为PC104单板微机, 接口卡核心器件控制方式为CPLD, 基于PC104与CPLD运动控制系统能实现机器人的直线行走、转弯、各面展开及折叠、爬斜坡、楼梯等功能、并对各个功能进行模块化设计。其中, 旋转单元和转换机构所用电机是MAXON公司的伺服电机, 由PC104计算机发出控制信号, 经过CPLD芯片做逻辑处理, 脉冲信号用快速光耦, 方向信号用普通光耦。

3 救援机器人数据采集系统设计

数据采集能为机器人运动控制系统的闭环控制提供信息输入, 是救援任务完成的根本需求。多方位驱动机器人数据采集系统包括图像采集和传输、无线遥控、A/D数据采集三部分。同时, 考虑到救援机器人工作环境的特殊性, 在机器人的每个面上安装了一个加速度传感器, 对机器人每个面的姿态和角度进行测量, 从而做出适时调整, 保证机器人运动的合理性和有效性。救援机器人带有生命探测传感器, 而数据采集卡的应用为其预留了借口, 从而方便了搜救工作, 方便搜救人员及时准确安全地发现存活遇险者。在图像采集和传输上, 为多方位驱动机器人安装智能云台摄像机以采集模拟图像, 通过图像发射与接收装置传输到监控PC机上, 这里采用的是无线影音传输。而无线遥控部分则是对信号和状态信号的传输进行控制, 无线遥控模块运用的是DTD46X系列嵌入式无线数据传模块。A/D数据采集则是在机器人的每个面上安装加速度传感器ADXL202, 将获取的模拟信号转换成为数字信号, 来应用于每个面与重力方向所称的倾斜角, 以此确定机器人的姿态。在针对加速度传感器和生命探测仪信号的采集上则是在机器人的每一面安装数据采集卡。并应用数据采集卡软件系统将收集进来的模拟信号进行滤波, AD转换, 通过485总线与上位机通讯。

4 救援机器人上层软件系统设计

为解决以往计算机难以直观控制机器人各关节的问题, 本研究通过USB手柄遥控器对机器人进行有线遥控, 直接对机器人的机械结构和运动控制系统进行检验。控制信号由手柄遥控器发送到PC104计算机, 并由上层软件系统对信息进行采集、分析和处理, 进而传输到PC104总线上。机器人的运动控制模板接受到PC104总线的信息, 依据所制定的协议对信息进行分析处理, 从而转换成相应的电机控制信号。并由机器人上层软件系统对PC104总线信息进行解读, 把运动控制模板的相关状态信号输送给PC104计算机。

综上所述, 本研究多方位驱动机器人具有体积小、重量轻, 适应恶劣环境, 形状多变的履带驱动移动机构, 采用多传感信息融合技术, 能及时有效传递信息、确定位置, 且具有较好可移植性, 方便应用到其他移动机器人平台, 在多种领域内均含重要的应用价值, 具有广阔市场前景。

参考文献

[1]王明辉, 王楠, 李斌.面向灾难救援的机器人控制站系统设计[A].中国仪器仪表学会.中国仪器仪表学会第十二届青年学术会议论文集[C].中国仪器仪表学会, 2010:4.

[2]王楠, 吴成东, 王明辉.可变形灾难救援机器人控制站系统的设计与实现[J].机器人, 2011, 2:202-207.

智能化清扫机器人设计 篇7

随着我国经济建设的飞速发展, 现代人生活节奏日益加快, 这就使得很多人的工作压力越来越大, 以至于平时几乎没有时间精力来操劳家务。因此越来越多的人希望从繁琐的家务劳动中解脱出来, 从而可以全身心地投入到工作中去。而本项目所研发的智能化清扫机器人恰恰可以解决人们的这一难题。

本文首先介绍了智能化清扫机器人的驱动方式, 然后介绍了机器人对周围障碍的检测方式和运动方向的改变方法。最后简要叙述了机器人的清扫方式和软件系统。机器人的控制电路选用STC89C52单片机作为核心控制芯片。机器人的控制电路具有控制精度高、实现简单灵活等优点。

2 智能化清扫机器人的驱动方式

本项目所研发的智能化清扫机器人采用额定电压为24V, 额定功率为200W的直流电动机进行驱动。该驱动电机使用24V, 13A的直流电源进行供电。机器人共安装有三个车轮, 两个后轮为驱动车轮。具体的驱动方式为:驱动电机转子旋转时通过齿轮传动的方式将能量传递给机器人的两个后轮, 使得机器人的两个后轮能够以稳定的速度运转, 确保机器人的基本运行状态。

机器人的控制电路采用型号为TRA1L-05VDC-S-Z的单刀双掷型继电器控制驱动电机的电源通断状态, 这种型号的继电器线圈额定电压为直流5V, 驱动电路如图1所示。该驱动电路工作原理为:选用单片机的P3.3管脚控制图中三极管Q3的基极, 若该管脚为基极送入低电平, 三极管截止, 连接在三极管集电极和电源VCC之间的继电器线圈无电流流过, 继电器触点不动作, 驱动电机的供电回路断开;当P3.3管脚为基极送入高电平时则三极管处在饱和导通状态, 此时将会有电流流过继电器线圈, 从而使继电器触点动作保证驱动电机供电回路导通。

机器人运动方向由驱动电机的旋转方向决定, 而驱动电机的旋转方向则是由机器人控制电路中型号为942H-2C-24DS的双刀双掷型继电器触点状态决定。由于这种型号的继电器线圈额定电压为直流24V, 因此必须采用2003芯片来构造继电器的驱动电路 (如图1所示) 。驱动电路的工作原理为:选取单片机的P3.2管脚控制2003芯片的1D管脚, 当P3.2管脚为该管脚送入高电平时, 2003芯片的1Q管脚输出低电平, 此时继电器线圈两端电压为直流24V, 继电器触点动作;若P3.2管脚送出低电平, 2003芯片的1Q管脚输出24V电压, 继电器线圈两端电压为0V, 触点不动作。继电器的两个静触点分别与直流电动机转子的两个接线端相连, 由驱动电路连接方式可以看出, 继电器触点状态直接决定了驱动电机的转子电流方向, 从而决定了驱动电机的旋转方向。

3 智能化清扫机器人的障碍检测原理

智能化清扫机器人采用四个V2.0版本的测距传感器分别检测机器人在前后左右四个不同方向上与障碍物的距离, 四个传感器分别由STC89C52单片机P1接口的P1.1~P1.3四个管脚进行控制。这种测距传感器硬件结构框图如图2所示。

在机器人的运行过程中, 由STC89C52单片机P1接口的P1.1~P1.3四个管脚通过一系列信号调理电路分别为4个测距传感器发送频率为45kHz (理论频率为40kHz) 的方波脉冲, 该方波通过定时器中断方式或者软件延时方式获得。由于机器人的相关控制软件中要多次用到定时器, 故采用软件延时的方式得到相应的方波。测距传感器的超声波谐振频率调理电路在方波脉冲的作用下会产生谐振, 谐振的同时又会通过其发射探头发射出一系列超声波。若该超声波遇到障碍物就会被反射回来, 如果传感器工作正常, 反射回来的超声波就能够被测距传感器的超声波接收探头接收到, 从而使传感器再次发生谐振。谐振效果通过传感器的超声波回波接收处理电路传送给STC89C52单片机的外中断管脚, 然后通过执行中断服务程序中的相关计算软件即可得到机器人与不同方位上的障碍物之间的距离, 从而决定机器人下一步的运行方式。

4 智能化清扫机器人的转弯方式

智能化清扫机器人的运动方向由机器人的前轮决定, 而前轮状态完全由型号为DL-23MDC的步进电机控制, 该步进电机的驱动器面板如图3所示。步进电机固定在前轮的侧上方, 其转轴控制的齿轮与控制前轮的齿轮相互啮合在一起, 当转轴向某一方向转过一定角度时, 便可带动前轮向相反方向转过相同的角度。

步进电机可将输入的电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移, 而步进电机转速由电脉冲信号的频率决定。控制机器人前轮状态的步进电机所需要的电脉冲信号由STC89C52单片机的P2.0管脚通过执行相关软件产生。

在智能化清扫机器人的硬件设计中, 单片机的P2.0和P2.1两个I/O管脚分别通过2003芯片与步进电机驱动器面板上标号为CP-/CW-与U/D-/CCW-的两个接头相连。CP+与CP-分别表示在单脉冲工作模式下

脉冲的正负输入端;U/D+与U/D-含义分别为在单脉冲工作模式下方向电平的正负输入端。P2.0管脚负责为步进电机提供频率稳定的电脉冲信号。步进电机工作正常与否关键就在于对其发送的电脉冲信号频率是否恰当, 虽然作用于步进电机的电脉冲信号频率有一个最理想的理论数值, 但是由于各种因素的影响, 理论上的电脉冲信号频率值有时并不合适。在机器人的调试过程中经过多次实践证明:只有当电脉冲信号频率为30.6Hz时, 步进电机的性能才能达到最佳。P2.1管脚负责控制步进电机的转向, 若该管脚输出高电平, 步进电机右转, 送低电平时步进电机转动方向为向左。

由于在机器人的整个运行过程中步进电机的工作方式始终为单脉冲模式, 而其他标号均为与双脉冲工作模式相关的标号, 和机器人的整个工作过程无关, 故不再赘述。

5 智能化清扫机器人的清扫系统

智能化清扫机器人装备有一套完整的吸尘装置, 可以吸收粉尘、纸屑、烟蒂、绒毛等各种常见家庭垃圾。该吸尘装置的控制电机额定电压为直流24V, 额定功率为500W, 采用24V、20A的直流电源进行供电。机器人吸尘装置的电源通断控制电路与驱动电机的电源通断控制电路控制原理完全相同, 不再赘述。

6 智能化清扫机器人的软件系统

控制该机器人完成整个工作过程的软件系统具备以下功能:机器人周围障碍物的检测、机器人工作方式的选择、机器人运动状态的确定、机器人清扫功能的启动。

7 结束语

智能化清扫机器人使用额定电压为直流24V, 额定功率为200W的直流电动机作为驱动电机, 采用V2.0版本的测距传感器进行距离检测, 使用DL-23MDC型步进电机控制运动方向, 使用功率为500W的吸尘装置完成清扫工作。在下一步的研发工作中还需要使机器人具备以下功能:可使用遥控设备选择机器人的工作方式;能够对垃圾进行自动处理。

摘要：给出了一种智能化清扫机器人的总体设计方案, 机器人的控制电路以STC89C52单片机为控制核心, 使用V2.0版本的测距传感器探测机器人与周围障碍的距离, 选用DL-23MDC型步进电机控制机器人的运动方向。该机器人的驱动电机选用额定电压为直流24V、额定功率为200W的直流电动机, 使用功率为500W的吸尘装置进行清扫工作。

智能机器人感知网络节点设计 篇8

关键词：机器人,感知,传感器,通信

传感器数据采集系统的硬件由数字电路和模拟电路两部分构成, 其中数字电路部分由C8051F040单片机、上位机接口电路以及必要的外围器件组成;模拟电路部分由信号调零电路、运算放大电路、模拟滤波电路以及电源组成。

在传感器的设计中使用C8051F040的8路12位ADC中的6路来完成经过模拟处理后的传感器输出信号的模数转换, 使用C8051F040自带的CAN控制器配以发送驱动模块与总线隔离模块作为通讯端口, 通过CAN总线接口方便与机器人CAN局部总线连接, 实现现场传感器节点的即插即用。

1模拟信号处理与电源电路

模拟信号处理部分的主要功能是对传感器输出的信号进行预处理, 对传感器的信号进行检测、放大、滤波等。

2运算放大电路与调零电路

运算放大电路中最重要的是放大器的选择, 在系统的模数转换中, 选择C8051F040单片机片内提供的高精度、低漂移基准电压, 传感器经过放大后的满度信号输出约为±1V, 这就要求传感器在无负载时经过放大后的输出为1.25V左右, 也就是说调零电路将1.25V作为虚拟零点, 将应变桥的信号放大后的电压调整到适合作为AD输入的范围。

3模拟滤波电路

本文采用了巴特沃斯四阶低通滤波器对模拟信号进行滤波。根据要求选择合适的截止频率, 图2是用史密特触发器振荡器自定时的单电源工作的滤波器的连接使用电路原理图。

4 C8051F040单片机的选择

单片机传感器数据采集系统的核心, 芯片选择尤其重要, C8051F040单片机具有与8051指令集完全兼容的CIP-51内核。它具有64 kB Flash、4352B RAM、CAN2.0控制器、2个串行接口、5个16位定时器、8路12位A/D转换器、8位A/D转换器及12位D/A转换器等, 内部同时带有JTAG接口, 使调试变得非常方便。

5系统硬件结构

机器人传感器数据采集系统硬件电路分为数字电路部分和模拟电路部分, 其中数字电路部分由C8051F040单片机最小系统和CAN通信接口电路、JTAG调试电路以及数字电源以及硬件报警电路等必要的外围器件组成;模拟电路部分由信号调零电路、运算放大电路、模拟滤波电路以及模拟电源组成。机器人传感器数据采集系统的硬件构成如图3所示。

图4、图5分别给出了CAN驱动模块电路的原理图和CAN隔离模块电路原理图。

模拟信号处理部分的主要功能是对传感器输出的信号进行预处理, 对传感器的信号进行检测、放大、滤波等。

运算放大电路中最重要的是放大器的选择, 在选择放大器时, 还要考虑到它的灵敏度、温漂、抗干扰能力等性能。在我们设计的机器人传感器中, 放大器选择单电源、满电源幅度输出的仪表放大器, 增益选择为800左右, 放大后的满度信号输出大约为±1V。图7给出了模拟放大部分的电路原理图。

本文的主要内容是采用基于CAN总线的传感器网络技术, 并对机器人感知系统神经元节点负载能力与系统实时性能评估方法等相关问题进行初步的分析。

从实时性的角度考虑, 设计感知系统时有以下建议供参考。

(1) 减少系统信号获取时间:对信号的硬件滤波电路进行优化, 比如选择合适的AD模块并合理配置AD的工作方式。

(2) 减少系统数据处理时间:优化数据处理算法, 将数据处理放在计算负载能力强, 占用计算时间短的节点处理器端。

(3) 减少系统数据传输时间, 用简洁的方法表示, 简洁的通信协议进行数据传输, 数据处理可能会减少通信数据的数量, 但是要增加处理器的计算。

参考文献

[1]蒋新松.机器人学导论[M].沈阳:辽宁科学技术出版社, 1994, 1.

[2]罗志增, 蒋静坪, 机器人感觉与多信息融合[M].北京:机械工业出版社, 2002, 6:12-13, 137-139.

[3]蒋新松.机器人与工业自动化[M].石家庄:河北教育出版社, 2003, 4:317-319.