救援机器人毕业设计.docx
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救援机器人毕业设计
论文（设计）题目
一、选题目的和意义
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，在灾难救援中，救援人员用较短的时间在废墟中寻找幸存者的几率比较小，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。
因此，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。
随着经济的快速发展煤炭的消耗越来越大，而我国的煤炭事业大多数为矿工开采，所以存在的不安全因素很多，瓦斯煤尘和火灾等灾害事故频繁发生，灾害事故严重伤害矿工和造成重大经济损失。
因此开发具有智能的救援机器人是非常具有现实意义的。
目前，救
灾方式只是根据事故的类型确定救灾的方案，一般救护人员无法进入危险区域，只能通过提升绞车、移动式风车等设备清除垃圾，向井下通风，然后再搜救遇险矿工。
这种方式危
险性大，伤亡人数多，救灾周期长，往往效率低。
随着科技的发展，机器人将被应用到煤
矿救灾领域。
二、本选题在国内外的研究现状和发展趋势
在救援机器人的研究方面，美国走在了世界前列，他具有独立的实验性无人作业，加上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
当今美国研究
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。
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。
而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。
三、课题设计方案［主要说明：
研究（设计）的基本内容、观点及拟采取的研究途径和方法。
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。
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。
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，动载荷小，设计紧凑，其缺点是重量大，能耗大。
四、计划进度安排[主要说明：
起止时间及分阶段的进度要求。
]
起止时间：
2011年1月〜2011年5月
进度安排:
路，完成开题报考;
计）中期检查表;
充实、修改和完善;
的格式和文字等细节，按照论文统一的格式排版,并将最终定稿的论文打印、装订，准备答辩。
五、主要参考文献
[1]沈红卫-基于单片机的智能系统设计与实现[M].北京：
电子工业出版社.2005,32-126.
[2]张拓,戴亚文-基于AT89S52单片机的智能循迹机器人设计[J].机电工程技术.2009,38
（1）:
13-15.
[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.
[4]孙肖子，张启民-模拟电子技术基础[M].西安：
西安电子科技大学出版
社.2006,112-457.
⑸郁有文，常建，程继红-传感器原理及工程运用[M].西安：
西安电子科技大学出版
社.2003,50-78.
指导教师意见及建议:
签名:
教学单位领导小组审批意见:
组长签名:
德州学院毕业论文（设计）中期检查表
毕业论文（设计）题目：
救援机器人设计
学生姓名
指导教师
计划完成时间：
2011.5.13
毕业论文（设计）的进度计划:
（1）2011.1.16〜2011.2.20理清思路，完成开题报考；
（2）2011.2.21〜2011.4.10
（3）2011.4.11〜2011.4.15业论（设计）中期检查表；
（4）2011.4.16〜2011.4.30一步的充实、修改和完善；
（5）2011.5.6〜2011.5.13
收集、查阅、分析、整理资料和参考文献,
整理所收集的资料，初步完成论文初稿；将论文初稿交由指导教师审阅，同时完成毕
根据指导教师提出的修改意见，对论文做进
根据导师提出的定稿意见做最后的完善，检查论文的格式和文字等细节，按照论文统一的格式排版，并将最终定稿的论文打印、装订，准备答辩。
完成情况:
到目前为止通过查资料使我了解了很多，开阔了我的视野，到目前为止正文内容的详细资料已基本整理完毕，现正进一步的收集更多相关资料，并加以分析与整
理，按照设计要求理清设计思路，依据评阅后的开题报告书上老师给出的指导意见,在老师的指导下完成论文的初稿。
指导教师评议（指出优点和不足，如有其它建议，可另附页）
签名:
备注:
摘要及关键词
1引言
1.1选题的背景和意义
1.2国内外的发展趋势和研究现状
2.
2救援机器人的机械设计
3.
2.1机器人的移动机构设计
3.
2.2机器人运动分析
5.
2.3机器人的传动系统设计
9.
3救援机器人的控制系统设计
11
3.1硬件设计
12
3.2智能机器人的软件设计
15
4结论
1.7.
参考文献:
1.9
20.
救援机器人的设计
摘要：
本设计是一种可携带的履带式救援机器人，它集成了机械工程、电子技术、智能控制、计
算机科学等多科领域先进研究成果，在救援中可用于环境勘探、破障、目标指示跟踪，可以为救援人员提供有效的信息以便做出最有效的措施。
本论文的研究目的是设计机构新颖、具有独创性、可携带抗冲击的智能移动机器人。
关键词：
可携带履带式机器人；虚拟仿真；复合移动
1引言
1.1选题的背景和意义
煤炭工业是我国国民经济的基础产业，煤炭在我国能源发展格局中的基础地位是稳固的前景是广阔的建国。
50多年来，煤炭作为我国的主要能源，在一次能源消费结构中占有大部分比例。
随着我国国民经济的快速发展，人民生活水平的不断提高，国家对能源的需求将有大幅度的增加⑴0
针对我国煤炭事故的不断增多，且救援水平较低的现状，研究适用于井下瓦斯、煤尘爆炸等重大事故后，能够代替人及时进入事故现场，监测井下环境状况、准确的判断井下
作业人员的受困位置以及获取环境信息的煤矿救援机器人系统，实现煤炭矿灾后科学救援，最大限度的减少人员伤亡和财产损失，从而提高我国煤矿安全事故的救援水平具有非常重要的意义。
随着经济的快速发展煤炭的消耗越来越大，而我国的煤炭事业大多数为矿工开采，所以存在的不安全因素很多，瓦斯煤尘和火灾等灾害事故频繁发生，灾害事故严重伤害矿工和造成重大经济损失。
因此开发具有智能的救援机器人是非常具有现实意义的。
目前，救
灾方式只是根据事故的类型确定救灾的方案，一般救护人员无法进入危险区域，只能通过提升绞车、移动式风车等设备清除垃圾，向井下通风，然后再搜救遇险矿工。
这种方式
危险性大，伤亡人数多，救灾周期长，往往效率低。
随着科技的发展，机器人将被应用
到煤矿救灾领域。
救灾机器人利用自身的优点，能迅速找到井下遇险矿工的位置，降低
事故危害性，对提高救灾效率具有重大意义，具体表现为：
（1）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，在井下能自由运动。
（2）机器人的探测技术发展迅速，能迅速找到井下遇险矿工的位置。
机器人利用传感
器通过探测井下遇险矿工的呻吟声、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，机器人还能进入井下区域，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⑵.
（3）机器人具有为井下遇险矿工投放小包食品、药物和通讯装置等辅助功能，能有效地减少遇险矿工的伤亡人数。
1.2国内外的发展趋势和研究现状
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）、
Tolon系统（图2）以及Inuktun公司的Vgtv系统（图3、图4）,如下图所示:
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（如图3显示）图4为蛛型机器人“星标”
图3蛇形机器人
L
图4星标
随着对救援机器人的不断深入研究，越小而效率高的履带式救援机器人深受大家的喜
爱。
在目前的救援工作中，往往释放许多的机器人，以扩大搜索范围，提高工作效率，并且多个机器人协同合作，可以提高信息的可靠性和准确性。
各个机器人之间相互交流可以解决诸如定位、全覆盖、翻越障碍等单个机器人难以处理的问题。
履带式的机器人撑地面积大、摩擦大能更好的翻越障碍，所以现在是主流。
2救援机器人的机械设计
2.1机器人的移动机构设计
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
p.m.
5）。
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基于四杆机构的履带式移动结构（图
图5四杆机构示意图
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⑻。
ABCD
该机器人的机械主体结构为常见的平行四边形结构。
平行四边形的工作原理如下图所示，在此机构中机架平行四边形的工作原理如下图所示。
在此机构中为机架中,
图6平行四边形工作原理
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。
图7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/=Li，连杆架
AB和CD长为/AB/=/CD/=L2,四个履带轮半径均为R。
图7机器人结构简图
连杆架与机架之间夹角为
则履带总长可由下式计算:
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,
0，履带与四个履带轮A、BC、D的包角分别为01020304
L=2（Li+L2）+R（8i+82+£3+日4）
由上式说明，总长在机构变形过程中为定值，与变形角度0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8所示）。
n----
图8机器人典型运动姿态
（I）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⑷.
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9所示，过程分析如下:
图9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,
AB旋
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。
当主动曲柄转至适当角度即可停止旋转。
AB侧
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
的履带压在障碍物边沿。
AD绕
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。
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11所示，机器人先转动侧翼板使一端履
e）、
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（
（d）,然后顺序收回侧翼如图（e）、⑴、（g），完成车体复位动作如图（h）。
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
示）。
图12行进示意图
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：
驱动电机一一减速器一一联轴器一一后轮转轴一一主驱动轮一一履带啮合传动。
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13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
（I）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⑸。
图13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：
驱动电机一减速器一一联轴器一前轮
转轴一一主动曲柄一连杆一一从动曲柄一履带⑹。
履带变形装置传动系统设计:
如图14所示，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
图14传动链示意图
说明。
机器人履带变形装置传动系统的特点
（I）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:
云台的基本结构如下图15所示:
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
作环境。
图15云台结构简图
3救援机器人的控制系统设计
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
L'
]111-
+
1
5
■
■
3.1硬件设计
3.1.1电源电路
图16控制系统简图
图17电源电路
3.1.2寻线电路
巡线模块我们米用红外对管。
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⑺。
3.1.3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18所示。
学目片工
图18避障电路
3.1.4激光测距电路
由于激光执行性强、能量消耗慢、在介质中传播距离较远的特点，我们采用
BJFT-FTM-20Q如图19所示。
BJFT-FTM-200测距模块能比较迅速、方便地测出模块之间的距离，单片机采用跳变沿触发，触发后即开始计时⑹。
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，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。
3.1.5控制器电路
20。
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
3.1.6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。
寻找人时我们采用热感应技术，当发现人时，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21。
4
图21声光报警电路
3.1.7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⑶。
L298N是专用电机驱动芯片，他可以实现电机的正反转、杀y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［10］。
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。
3.1.8显示电路
采用MS1602C-ffiLCD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5X7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［11］。
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。
3.2智能机器人的软件设计
控制系统采用KMC图22是控制系统程序设计的总体框图，采用模块化和多任务处理
机制等程序设计方法，对机器人各个模块实行并进行处理，可以有效提高控制系统的工作
效率，而且也便于程序的修改和调试。
开始
机器人各模块及其对象变量初始化
Y
1
r
1
P
1
r
电机^运^动控制模块
无线数据模块
系统监测模块
故障处理模块
图22软件设计简图
控制系统初始化包括电机驱动初始化、无线模块设置及系统监测初始化等，而电机驱动器的初始化则是最为关键的部分，主要包括节点地址设置、控制模式设置、分辨率设置、参数设置、限制参数设置和串口通讯设置等等。
机器人控制系统的流程图如图23所示:
通过PC104总线直接操作电机驱动器，从而实现对电机的运动控制和获取机器人的其
它信息。
驱动软件的主要任务是初始化寄存器参数、设定加速度、滤波器参数和运动轨迹参数，然后按照预定参数输出PWMI制信号，完成对电机的控制。
图23控制系统流程图
4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
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