搜救機器人創(chuàng)新設(shè)計

科研創(chuàng)新設(shè)計說明書——六足履帶式搜救機器人目錄TOC\o"1-5"\h\z1引言 22研究的背景及意義 23國內(nèi)外相關(guān)研究現(xiàn)狀 44改進裝置研究現(xiàn)狀 115改進裝置的結(jié)構(gòu)及其操作的基本原理 12\o"CurrentDocument"總結(jié) 14\o"CurrentDocument"參考文獻 151引言：近幾年地震不斷的發(fā)生，地震發(fā)生后世界人名都積極投入到抗震救災(zāi)活動中。作為當(dāng)代大學(xué)生對這些災(zāi)難尤其關(guān)注，一些人立即奔赴災(zāi)區(qū)，很多人捐款捐物。震后總會看到有人被埋在廢墟下呻吟呼救，而外面的人卻一時無法將他們救出時，我們心里十分焦急，總在想：里面的人肯定受了重傷，也一定很餓，如果有個小型搜救器能迅速鉆到廢墟里，探明受傷人位置和情況，給他們送去急需的藥品和飲食該有多好啊?；谶@種想法，搜救機器人從此誕生了。然而我國在四川地震中，據(jù)資料顯示，搜救機器人并未得到很好的利用，參加搜救的主要還是以消防官兵，搜救犬及支援人士。2研究的背景及意義：2.1研究的背景機器人集中了機械工程、電子技術(shù)、計算機技術(shù)、自動控制原理以及人工智能等多學(xué)科的最新研究成果，代表了機電一體化的最高成就，是當(dāng)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展最活躍的領(lǐng)域之一。隨著計算機技術(shù)和人工智能技術(shù)的飛速發(fā)展，使機器人在功能和技術(shù)層次上有了很大的提高，移動機器人和機器人的視覺和觸覺等技術(shù)就是典型的代表。由于這些技術(shù)的發(fā)展，推動了機器人概念的延伸。世界上許多國家都在研制軍用機器人、掃雷機器人、排爆機器人和消防機器人等危險作業(yè)機器人。救災(zāi)機器人是機器人的一個新興發(fā)展領(lǐng)域，屬于危險作業(yè)機器人的一個分支，具有危險作業(yè)機器人的特點。在世界各地，由于自然災(zāi)害、恐怖活動和各種突發(fā)事故等原因，

災(zāi)難經(jīng)常發(fā)生。（火災(zāi)） （深井）圖2-1各種災(zāi)難在災(zāi)難救援中，救援人員只有非常短的時間（約48小時）用于在倒塌的廢墟中尋找幸存者，否則發(fā)現(xiàn)幸存者的幾率幾乎為零。在這種緊急而危險的環(huán)境下，救災(zāi)機器人可以為救援人員提供幫助。因此，將具有自主智能的救災(zāi)機器人用于危險和復(fù)雜的災(zāi)難環(huán)境下“搜索和營救”（SAR）幸存者，是機器人學(xué)中的一個新興而富有挑戰(zhàn)性的領(lǐng)域。2.2研究的意義1）課題研究的社會意義搜救機器人的研究給搜救工作帶來很大的方便，在災(zāi)難發(fā)生后，

能夠快速地投入到搜救工作中，提高搜救效率，減少人員傷亡，失蹤等不幸事故，更好的為社會服務(wù)。2）課題研究的科學(xué)意義搜救機器人的研發(fā)，在很大程度上彌補了很多在搜救領(lǐng)域的不足，為后期更好的擴展，奠定了基礎(chǔ)。3國內(nèi)外相關(guān)研究現(xiàn)狀3.1國外研究現(xiàn)狀近十年來，美國、日本等西方發(fā)達國家在地震、火災(zāi)等救援機器人的研究方面做了大量的工作，研究出了各種可用于災(zāi)難現(xiàn)場救援的機器人。1、履帶式機搜救機器人履帶式機器人是為了滿足軍事偵察、拆除危險物等作業(yè)的需要，在傳統(tǒng)的輪式移動機器人的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。圖3-1給出了日前國際上幾家著名機器人公司的典型產(chǎn)品，他們主要是為了滿足軍事需要而開發(fā)的，體積普遍偏大，不太適合在倒塌的建筑物廢墟中狹小空間內(nèi)搜尋幸存者。（a）Foster-Miller公司的SOLEM機器人（b）Inuktun公司的Minitrac機器人（a）Foster-Miller公司的SOLEM機器人（b）Inuktun公司的Minitrac機器人（c）SPAWAR的urbot機器人圖3-1機器人公司給出的典型產(chǎn)品2、形狀可變履帶機器人所謂形狀可變履帶機器人，是指該機器人所用履帶的構(gòu)形可以根據(jù)地形條件和作業(yè)要求進行適當(dāng)變化。圖8-44所示為一種形狀可變履帶機器人的外形示意圖。該機器人的主體部分是兩條形狀可變的履帶分別由兩個主電動機驅(qū)動。當(dāng)兩條履帶的速度相同時，機器人實現(xiàn)前進或后退移動；當(dāng)兩條履帶的速度不同時，機器人實現(xiàn)轉(zhuǎn)向運動。當(dāng)主臂桿繞履帶架上的軸旋轉(zhuǎn)時，帶動行星輪轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)履帶的不同構(gòu)形，以適應(yīng)不同的運動和作業(yè)環(huán)境（見圖8-45）。履帶行星輪圖8*形狀可變履帶機器人外形示意圖

0圖845履帶變形情況和適用場合a）越障b）上下臺階為了能進入狹小空間展開搜救工作，要求機器人的體積要盡可能小，但體積小了搜索視野就會受到限制，為了解決這已矛盾，近年來在傳統(tǒng)牽引式多態(tài)搜救機器人。圖3-2為美國Irobot公司生產(chǎn)的Packbot系列機器人，packbot機器人有一對鰭形前肢，這對鰭形前肢可以幫助崎嶇的地面上導(dǎo)航，也可以升高感知平臺以便更好地觀察。圖3-3為加拿大inuktun公司MicroVGTV多態(tài)搜救機器人，他可以根據(jù)搜索通道的大小及搜尋范圍的遠近靈活地調(diào)整形狀和尺寸。

(a)正常狀態(tài)(b)直立狀態(tài)(a)正常狀態(tài)圖3-3加拿大Inuktun公司MicroVGTV多態(tài)搜救機器人圖3-2圖3-3加拿大Inuktun公司MicroVGTV多態(tài)搜救機器人3、位置可變履帶機器人所謂位置可變履帶機器人，是指履帶相對于車體的位置可以發(fā)生變化的履帶式機器人。這種位置的改變既可以是一個自由度的，也可以是兩個自由度的。圖8-48所示為一種二自由度變位履帶機器人，各履帶能夠繞車體的水平軸線和垂直軸線偏轉(zhuǎn)，從而改變機器人的整體構(gòu)形。

圖848圖848二自由度變位履帶機器人圖8-49為上述變位履帶機器人傳動機構(gòu)示意圖。由圖8-49a可知，當(dāng)A軸轉(zhuǎn)動時，通過一對錐齒輪的嚙合，將運動傳遞給驅(qū)動輪，從而帶動履帶運動；當(dāng)B軸轉(zhuǎn)動時，通過另一對錐齒輪的嚙合，帶動與履帶架相連的曲柄，使履帶繞主動軸軸線回轉(zhuǎn)變位；當(dāng)C軸傳動時，履帶連同其安裝架一起繞C軸線相對于車體轉(zhuǎn)動，改變其位置。A、B、C三軸由一臺電動機帶動，通過切換A、B、C三個離合器，使之實現(xiàn)不同的傳動路線，具體情況參見圖8-49b。a)齒輪副A離合器B?離合器C齒輪副C離合器a)齒輪副A離合器B?離合器C齒輪副C離合器A軸C軸B軸力齒輪副Bb)DC電動機圖849變位履帶機器人傳動機構(gòu)示意圖

a）結(jié)構(gòu)示意圖b）不同的傳動路線變位履帶機器人集履帶式機器人和全方位輪式機器人的優(yōu)點于一身。當(dāng)其履帶沿一個自由度方向變位時，可用于攀爬階梯和跨越溝渠（見圖8-50）；當(dāng)其履帶沿另一個自由度方向變位時，可實現(xiàn)車體的全方位行走方式（見圖8-51）。圖8-50變位履帶機器人爬梯越溝功能示意圖圖8-51變位履帶機器人移動方式示意圖4、仿生搜救機器人雖然履帶式可變形多態(tài)機器人可根據(jù)搜索空間的大小改變其形狀和尺寸，但受驅(qū)動方式的限制，其體積不可能做得很小。為了滿足對更狹小空間搜索的需要，人們根據(jù)生態(tài)學(xué)原理研制了各種體積更小的仿生機器人，其中蛇形機器人就是其中很重要的一類。圖1-4（a）為cmu研制的安裝的蛇形機器人。圖4（b）為日本大阪大學(xué)研制的蛇形機器人。圖1-4（c）為美國加州大學(xué)伯克利分校研制的身高不足2cm的蒼蠅搜救機器人。隨著技術(shù)的不斷成熟，相信蛇形、蠅形等仿生機器人會在災(zāi)難搜救工作中發(fā)揮越來越大的不可替代的特殊作用。（a）CMU研制的基于移動平臺的蛇形機器人（b）日本大阪大學(xué)蛇形機器人用。（a）CMU研制的基于移動平臺的蛇形機器人（b）日本大阪大學(xué)蛇形機器人圖3-4仿生機器人（c）加州大學(xué)伯克利分校研制的蒼蠅機器人3.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀在5.12地震發(fā)生后，針對亂石之中被埋在撫恤下的生命很難發(fā)現(xiàn)，“如果有能穿越亂石的機器人，也許就可以發(fā)現(xiàn)廢墟下的生命跡象從而救出更多的人！“謝敬濤等5位重慶交大的5位同學(xué)經(jīng)過商量后便有這個想法，發(fā)明一個越障能力強的機器人一一蛇形機器人（圖3-5）.圖3-5圖3-5圖3-6由中科院沈陽自動化研究所機器人學(xué)國家重點實驗室研制的空中搜索探測機器人、廢墟洞穴搜救可變形機器人、廢墟表面搜救機器人（如圖3-6）,在位于北京西郊鳳凰嶺的國家地震緊急救援訓(xùn)練基地完成了綜合調(diào)試演練，并達到了預(yù)期性能指標(biāo)。這標(biāo)志著我國地震搜救機器人系統(tǒng)已進入到示范應(yīng)用階段，有望在“十二五”期間作為地震應(yīng)急搜救裝備投入實際使用。改進裝置研究現(xiàn)狀本系統(tǒng)基于六足機器人和履帶式機搜救機器人為平臺，在此基礎(chǔ)上加以擴展，結(jié)合國內(nèi)外搜救機器人發(fā)展現(xiàn)狀，歸納總結(jié)出搜救機器人的結(jié)構(gòu)和擴展設(shè)備的控制。六足機器人又稱作仿生六足機器人，現(xiàn)已模仿昆蟲的各類步行，進而改良成最適合機械器具移動的腳步，配合連桿組進而做出最有效率的步行器。仿生六足機器人呈方形，腳分別在兩旁各三只，移動是左邊前腳和后腳和右邊的中腳跨出，之后換邊移動，形成三角形狀的踏出每一步，猶豫中西街在于兩個三角形的中間移動，故其移動穩(wěn)定。本系統(tǒng)現(xiàn)狀優(yōu)點是以履帶式機搜救機器人為平臺，可擴展空間大，

利用的設(shè)備較多，可以從多個方面實現(xiàn)搜救效果.5 改進裝置的結(jié)構(gòu)及其操作的基本原理5.1機器外部結(jié)構(gòu)設(shè)計設(shè)計圖圖設(shè)計圖圖5-1本系統(tǒng)機器基于六足機器人和履帶式機器人為平臺，以圖5-1簡單介紹我的初稿設(shè)計，足部共有六只，且每只腳皆使用三個馬達，一個馬達控制左右移動（可前進或后退），一個馬達做上下移動（可抬腳或放下），最后一個馬達是皮帶轉(zhuǎn)動（可以前后滾動）。做的局部圖如下圖圖5-2本系統(tǒng)機器人腿部設(shè)計圖5.2自帶傳感器1） 紅外攝像頭攝像頭有成電腦相機，電腦眼等，是一種視頻輸入設(shè)備。機器人上裝有此設(shè)備，可以通過傳輸?shù)酵饨缡谷丝梢杂眠b控進行很好的控制。紅外攝像頭可以實現(xiàn)夜視。2） 話筒機器人的話筒的功能很強，它可以感受到聲音的強弱。我們知道我們自己的耳朵并不是所有聲音都可以聽見的，我們聽見的聲音在一定的頻率范圍內(nèi)，機器人的“耳朵”也是這樣，它能聽見的聲音頻率范圍跟人能聽到的范圍大致是一樣的，大約是16Hz~20000Hz的機械波。總結(jié)本課題根據(jù)國內(nèi)外機器人的發(fā)展現(xiàn)狀，對于在災(zāi)難發(fā)生后，如地震，火災(zāi)等，人員不宜進入或無法進入的特殊環(huán)境，進行了初步分析，設(shè)計一款能夠在復(fù)雜環(huán)境中能夠自由行走，并發(fā)現(xiàn)被困目標(biāo)的搜救機器人。國外一些國家在發(fā)生災(zāi)難后利用機器人參加搜救行動的例子很多，而國內(nèi)的搜索救援行動中，很少見到搜救機器人的影子，這說明我國的搜救機器人還處于發(fā)展階段。本課題詳細闡述了機器人搜救的研究背景和研究意義，為搜救機器人的提供了更好的依據(jù)。本系統(tǒng)的優(yōu)點是利用結(jié)構(gòu)相對簡單的機器人，實現(xiàn)了搜救的效果，減少了很多繁瑣的過程。特色是在六足機器人的基礎(chǔ)上，進行了改裝，將足部替換為履帶，這樣可以六足行走，也可以實現(xiàn)履帶式行走；又由于整個機器人機身比較小，最大尺寸為200*400（mm），這樣便可以在任何復(fù)雜的和狹小的地形中穿越。由于本系統(tǒng)還處于設(shè)計階段，還有很多的不足之處，如機器人本身的行動速度慢，工作時間短，靈活度不高等，需要在電機，能耗，傳感器方面做更進一步的探究，在以后的會做更細一步的研究。參考文獻［1］ 上海廣茂達伙伴機器人有限公司.能力風(fēng)暴智能機器人VJC1.6開發(fā)版使用手冊［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2005.［2］ 肖松雷，華劍.機器人在搜索救援中的應(yīng)用［J］.機器人技術(shù)與應(yīng)用，2006.［3］ 曹祥康，謝存.我國機器人發(fā)展歷程［J］.機器人技術(shù)與應(yīng)用，2008.［4］ 王勇，朱華，王永勝.煤礦救災(zāi)機器人研究現(xiàn)狀及需要重點