模塊化多功能災(zāi)害救援機(jī)器人

1、模塊化多功能災(zāi)害救援機(jī)器人項(xiàng)目組成員： 李路、張晨峰、王清川、李俊、張凱機(jī)電工程學(xué)院指導(dǎo)教師：張鋒 副教授 、 宋寶玉 教授摘要：模塊化多功能災(zāi)害救援機(jī)器人，將傳統(tǒng)的單體機(jī)器人與多機(jī)器人系統(tǒng)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械組件重組互換、電氣系統(tǒng)通用模塊化和嵌入式分布控制等技術(shù)。機(jī)器人各組件間的模塊化特性可以滿足救援工作中的各種環(huán)境與任務(wù)需求，其機(jī)械設(shè)計(jì)獨(dú)創(chuàng)、電控設(shè)計(jì)先進(jìn)高效。關(guān)鍵詞：移動(dòng)機(jī)器人；災(zāi)害救援；模塊化設(shè)計(jì)；即插即用1. 選題背景本課題研究來(lái)源于國(guó)家大學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃。立項(xiàng)之初，正值512汶川大地震災(zāi)后時(shí)期，災(zāi)害救援成為新時(shí)代背景下急需解決的新難題。抗震救援的經(jīng)驗(yàn)表明傳統(tǒng)意義的救援設(shè)備用途過(guò)于單一

2、，功能缺乏整合；現(xiàn)有的救援機(jī)器人體積過(guò)于龐大，環(huán)境適應(yīng)性欠佳。同時(shí)，現(xiàn)代意義的災(zāi)害救援已不僅局限于自然災(zāi)害救援，多種環(huán)境的綜合救援才是迫切需要解決的問(wèn)題，模塊化多功能災(zāi)害救援機(jī)器人正是基于此立題的。2. 方案論證為適應(yīng)多種空間環(huán)境與任務(wù)需求，機(jī)器人需要具備各種地形的適應(yīng)能力和各種功能組件的兼容性與互換性?，F(xiàn)有災(zāi)害機(jī)器人的研究可分為單一機(jī)械本體，分布式控制兩大方向。2.1 單一機(jī)械本體的多用途救援機(jī)器人機(jī)械體系固定，底盤模式單一，負(fù)載能力強(qiáng)。此方式發(fā)展較早，較為成熟，多為針對(duì)特殊的場(chǎng)合設(shè)計(jì)，由于固定的底盤模式，無(wú)法適應(yīng)多種環(huán)境與不同任務(wù)功能的快速切換。2.2多機(jī)器人系統(tǒng)采用多機(jī)器人實(shí)現(xiàn)機(jī)械外形的

3、自組與重構(gòu)。此種機(jī)器人多由若干個(gè)外形相同、功能各異的子機(jī)器人構(gòu)成，并根據(jù)不同的環(huán)境進(jìn)行組裝，以適應(yīng)不同需求。由于自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，負(fù)載能力較小。2.3 方案分析綜合分析以上兩種方案后，本設(shè)計(jì)采用“積木式”的模塊化機(jī)械連接方案，既具有單一本體式機(jī)器人的強(qiáng)負(fù)載能力又兼?zhèn)涠鄼C(jī)器人系統(tǒng)的靈活互換性。首先，機(jī)器人采用多種通用型底盤，以適應(yīng)不同的任務(wù)要求。其次，采用通用的機(jī)械連接與電氣連接，實(shí)現(xiàn)模塊化的互換要求。最后，設(shè)計(jì)統(tǒng)一的主體核心模塊系統(tǒng)，兼容各種底盤，提供電力、指揮控制、同時(shí)可加載各型輔助設(shè)備。 3. 研究主要內(nèi)容項(xiàng)目研究綜合運(yùn)用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、虛擬裝配、有限元結(jié)構(gòu)分析、激光加工、印制電路板、高速嵌入

4、式處理器和分布式控制等現(xiàn)代工程技術(shù)，配合AutoCAD, SolidWorks, COSMOS Works, Proteus, Altium Designer以及AVR Studio等軟件完成了機(jī)器人的機(jī)械、電子、控制設(shè)計(jì)。3.1 主體核心模塊機(jī)械方案設(shè)計(jì)本課題強(qiáng)調(diào)機(jī)械模塊間的快速互換性能和“積木式”的拼插性能，故需要選擇合適的機(jī)械結(jié)構(gòu)以滿足有限空間體積內(nèi)的資源利用和插接要求。設(shè)計(jì)涉及多種底盤組合，但與之插接的僅為固定形態(tài)的主體模塊，故選擇合理的主體核心模塊幾何外形與機(jī)械結(jié)構(gòu)尤為重要。3.1.1 主體核心模塊外框架設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)有限元分析本機(jī)器人采用六邊形作為本體核心模塊框架外形。首先，六邊形空間

5、利用率高。蜂房中采用六邊形作為基礎(chǔ)形態(tài)。本體核心模塊采用六邊形外框架可以充分增大內(nèi)部空間，同時(shí)與外界插接時(shí)有效減少空間占用；其次，六邊形結(jié)構(gòu)穩(wěn)固，力學(xué)性能好，晶體中六邊形結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)固。設(shè)計(jì)中采用有限元分析軟件COSMOS Works進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析，優(yōu)化設(shè)計(jì)出最為合適的六邊形外框架，使得其強(qiáng)度、剛度、抗壓能力優(yōu)異，同時(shí)重量輕、造價(jià)合理，滿足設(shè)計(jì)要求。3.1.2 3D激光快速成型與支柱微結(jié)構(gòu)(a)主體核心模塊的機(jī)械加工工藝采用了先進(jìn)的激光快速成形技術(shù)，使用Somos ProtoTool 20L光敏樹(shù)脂材料，將數(shù)字化三維模型經(jīng)由3D激光快速成型生成為實(shí)體。制造過(guò)程快捷、環(huán)保，最大程度利用CAD與C

6、AM的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，增強(qiáng)機(jī)械結(jié)構(gòu)性能、節(jié)約成本。經(jīng)過(guò)有限元結(jié)構(gòu)計(jì)算分析，發(fā)現(xiàn)主體框架橫梁存在應(yīng)力集中點(diǎn)，支柱耐壓能力差等缺陷(如圖1a)。為克服此缺陷，設(shè)計(jì)采用柱梁截面內(nèi)嵌微結(jié)構(gòu)技術(shù)，有效減輕重量，同時(shí)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能(如圖1b)。(b)圖1 主體模塊結(jié)構(gòu)有限元分析 3.2 運(yùn)動(dòng)模塊方案選擇3.2.1 四種底盤運(yùn)動(dòng)模塊適應(yīng)各種環(huán)境需求機(jī)器人采用4種運(yùn)動(dòng)模塊，獨(dú)立傳動(dòng)四輪式底盤、全方位輪底盤、履腿底盤與仿生六足底盤，分別適應(yīng)公路、室內(nèi)、廢墟與其他復(fù)雜環(huán)境。3.2.2 非傳統(tǒng)運(yùn)動(dòng)部件配置實(shí)現(xiàn)靈活運(yùn)動(dòng)性能圖2 四輪底盤原理圖獨(dú)立傳動(dòng)四輪式底盤利用差動(dòng)轉(zhuǎn)向原理，無(wú)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，為每個(gè)車輪設(shè)置獨(dú)立電機(jī)(如圖2

7、)，提高運(yùn)動(dòng)性能同時(shí)增加系統(tǒng)抗破壞性能。電機(jī)控制采用先進(jìn)8位嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)生相頻修正PWM進(jìn)行調(diào)速，有效利用獨(dú)立傳動(dòng)特性實(shí)現(xiàn)精確的運(yùn)動(dòng)控制與靈活的機(jī)性能。全方位輪設(shè)計(jì)填補(bǔ)室內(nèi)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)性能不足，使用三個(gè)全方位輪布局，繞幾何中心均勻分布（如圖3），實(shí)現(xiàn)平面內(nèi)三自由度運(yùn)動(dòng)控制， 控制算法利用坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣進(jìn)行絕對(duì)參考系與各輪局部參考系變換，運(yùn)動(dòng)性能精確可靠1。圖3全方位輪原理圖3.2.3 創(chuàng)新機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)本項(xiàng)目中的履腿底盤和仿生六足底盤兩種運(yùn)動(dòng)模塊采用了獨(dú)特的創(chuàng)新機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，完全不同于以往的機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。其中履腿模塊采用了一體式履腿結(jié)構(gòu)，將履帶驅(qū)動(dòng)電機(jī)與腿關(guān)節(jié)抬升電機(jī)集成配置于履帶內(nèi)部，另外機(jī)械支

8、撐結(jié)構(gòu)巧妙設(shè)計(jì)兼具履帶張緊功能，履腿子模塊達(dá)到業(yè)內(nèi)最小體積，集成化高、緊湊可靠。3.3 電子模塊化工程方案3.3.1 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)嵌入式控制技術(shù)控制電路采用ARM7TDMI作為總控嵌入式處理器，運(yùn)行嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)多任務(wù)調(diào)度管理、決策與優(yōu)先級(jí)規(guī)劃，有效滿足災(zāi)害救援機(jī)器人應(yīng)對(duì)復(fù)雜環(huán)境的決策能力與智能適應(yīng)性。3.3.2 基于分布式控制的機(jī)器人模塊化設(shè)計(jì)機(jī)器人系統(tǒng)采用分布式控制，采用一主機(jī)-多從機(jī)結(jié)構(gòu)。主控制器完成上位機(jī)通信、總線仲裁、任務(wù)調(diào)度、路徑規(guī)劃；子控制器完成電機(jī)PID閉環(huán)、外部事件相應(yīng)、周圍環(huán)境傳感等任務(wù)2。3.3.3 雙線制通信總線主控制器與子控制器間通過(guò)高速總線連接。采用改進(jìn)型

9、UART通信協(xié)議，由主控制器進(jìn)行總線仲裁，并通過(guò)廣播進(jìn)行設(shè)備握手并進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。由于僅使用兩線制總線，設(shè)備間連接線數(shù)量顯著減少，通過(guò)規(guī)定線制的航空插口，快速熱插拔配合機(jī)械連接實(shí)現(xiàn)模塊化的設(shè)計(jì)。3.4創(chuàng)新型的任務(wù)模塊災(zāi)害救援機(jī)器人多配備機(jī)械臂輔助救援工作，然而現(xiàn)有救援機(jī)械臂多為重型設(shè)計(jì)，多為程序控制或簡(jiǎn)易遙控，控制方式單調(diào)。本項(xiàng)目中自行設(shè)計(jì)出創(chuàng)新的輕型機(jī)械臂及其操縱方式，將無(wú)線視頻傳輸技術(shù)與多自由度示教儀相結(jié)合，提供操作者第一視角的任務(wù)視野，并可將操作者的手臂動(dòng)作經(jīng)由示教設(shè)備直接控制機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)。4. 結(jié)論及體會(huì) 模塊化多功能災(zāi)害救援機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了“積木式”的拼接，即插即用以及系統(tǒng)的自識(shí)別與控制等

10、功能，達(dá)到了在各種復(fù)雜環(huán)境下進(jìn)行災(zāi)后救援的要求(如圖4 圖7)。實(shí)物成果圖圖4 輪式底盤模塊 圖5 履腿底盤模塊 圖6 全方位輪底盤模塊 圖7 六足底盤模塊5. 創(chuàng)新點(diǎn)5.1“積木式”的模塊化機(jī)械連接采用“積木式”的機(jī)械模塊化設(shè)計(jì)，運(yùn)用獨(dú)創(chuàng)的機(jī)械自適應(yīng)雙軌道導(dǎo)軌以完成“即插即用”功能，以主體為平臺(tái)實(shí)現(xiàn)一物多用，可根據(jù)環(huán)境以及任務(wù)的種類快速組裝模塊，用最快的時(shí)間實(shí)現(xiàn)所需要的綜合救援功能。5.2 開(kāi)放式模塊接口便于功能拓展 采用統(tǒng)一規(guī)格的航空插口進(jìn)行線路整合，控制系統(tǒng)使用嵌入式微控制器實(shí)現(xiàn)分布式控制。系統(tǒng)有機(jī)地將現(xiàn)有成熟技術(shù)整合，電子和程序設(shè)計(jì)采用開(kāi)放式方案，因此產(chǎn)品更利于后續(xù)開(kāi)發(fā)及更新?lián)Q代。5.3 先進(jìn)加工技術(shù)實(shí)現(xiàn)高性價(jià)比設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)主要機(jī)械框架采用3D激光快速成型技術(shù)，電子設(shè)備采用市場(chǎng)上成熟的商業(yè)工業(yè)產(chǎn)品，可在最小的成本范圍及最短的開(kāi)發(fā)周期內(nèi)完成整合與運(yùn)用，有較高的實(shí)用性與性價(jià)比，適合大量裝備，及災(zāi)害發(fā)生時(shí)大規(guī)模使用。參考文獻(xiàn)1.RolandSiegwart. IllahRNourbakhsh. In