六足爬行机器人设计

1、目录1 引言1.1 智能爬行搜救机器人机器人研究目的和意义.11.2智能爬行搜救机器人研究概况及发展趋势.12 机械结构与芯片简介2.1 机器人机械结构.32.2 机器人运动原理.32.3 驱动装置选择.52.4 机器人实物图.62.5 硬件结构介绍.72.6 单片机芯片介绍.82.7 编码解码芯片介绍.133 控制系统结构设计3.1 上位机控制.163.1.1 程序语言及串口通讯.163.1.2 人机交互界面.173.2 基于无线的智能控制.193.2.1 无线发射模块.193.2.2 无线接收模块.234 结论.29参考文献.30致谢.31文华学院毕业设计1 引言1.1 智能爬行搜救机器人

2、研究目的和意义本文近年来，多发的自然灾害（如地震、火灾、洪水）、人为的恐怖活动、武力冲突及各种生化病毒、有毒物质、辐射等恐怖不断威胁着人类的安全，使得人们普遍关注对各种灾害的应急能力、灾后的快速响应处理能力。在突发恐怖事件、自然灾害及意外伤害发生后，巨大的灾害往往造成大范围的建筑物坍塌和人员伤亡，现场搜索与救援成为人不最为紧急的工作。然而现场多为坍塌环境，结构复杂、不稳定，有些狭小空间救援人员和搜救犬根本无法进入，从而使搜救范围限制在倒塌建筑物表面范围。救援人员进入建筑物也将有巨大的风险，其体重和移动可能会引起建筑物进一步倒塌，造成对救援人员和幸存者的再次伤害。因此，救援队员必须在结构工程师进

3、行评估，并对不稳定的倒塌结构进行支撑加固后才能进入，这个过程延误了搜救受灾者的时间。同时，由于搜寻空间条件恶劣，易导致救援队员劳累，从而易对周围建筑结构作出错误判断，错过没有知觉受灾者的概率上升，而且救援人员也存在重大的健康风险和安全风险，影响救援工作的快速展开将机器人技术、营救行动技术、灾害学等多学科知识有机融合，研制与开发用于搜救与营救的救援机器人，将有效地提高救援的效率和减少救援人员的伤亡。 搜救机器人是指用在灾后非结构环境下执行搜索与救援任务的特种机器人。机器人在搜索与救援过程中明显具有以下几个方面的优势。（1） 在发生倒塌后，机器人可以立即展开对幸存者的搜索，进入结构不稳定的建筑物，

4、降低救援队员的风险，为搜救工作节约时间（2） 可以进入狭窄空间，扩展搜救专家的工作范围。建筑物倒塌会形成各种各样的空间，这些空间可能就会有幸存者，但搜救人员难以进入，而机器人却可以一展身手。（3） 可以携带多种传感器，探测幸存者空间状况，在机器人软件的帮助下对搜索区域实行完整的三维搜索，绘制结构图，提升工作效率和可靠性。搜救机器人可以携带温度探测器、一氧化碳探测器、爆炸界限探测器、氧气、PH探测器、辐射探测器和杀伤性武器探测器，从而测定空气读数，探测有害物质，分析后向救援人员提出警告。 同时由于机器人技术发展极为迅猛，用于侦察和作战等军事领域的机器人，由于其特殊用途受到了各国军方的广泛关注。许

5、多军用机器人的研究成果直接应用于国家安全领域，在维护国家安定，保障人民生活安全方面发挥了很大作用。军用的地面移动机器人在各种复杂环境下具有较高的机动性，可以代替人类进入一些危险未知的环境，适应于国防和民用等多个领域，而且在反恐斗争中叶可以发挥很大作用。这类机器人的主要应用领域包括以下几个方面：（1）战场侦察与环境探测 在移动平台上装备摄像头、安全激光测距仪、夜视装置和卫星全球点位仪等设备，通过无线电或光缆操纵，完成侦察和监视敌情、情报收集、目标搜索和自主巡逻等任务。还可以进入一些人类无法进入或适应的危险环境，完成规模战争和反恐作战中的侦察任务。（2）高度机动与协同作战 由于体积较小、机动能力较

6、强，机器人能快速部署，完成侦察、警戒、目标突击、追击乃至解救人质、街巷战斗、反恐作战、反装甲作战等武器装备，使之具备强大的攻击杀伤力，特别适用于城市和恶劣环境下（如核、生、化战场等）的局部战争和信息战争。（3）探测危险与排除险情在战场上或工程中，常常会遇到各种各样的意外。这时，微型移动机器人就会发挥很好的作用。美国军方曾广泛使用智能车辆扫除路边炸弹、寻找地雷和销毁地雷。民用方面，可以探测化学泄露物质，可以进行地铁灭火，以及在强烈地震发生后到废墟中寻找被埋人员等。（4） 安全检测与受损评估第 1页共 32页 文华学院毕业设计在工程建设领域，除可对水库堤坝、江河大坝进行质量和安全性检测之外，还可应

7、用于码头、桥墩等被撞后的受损程度探测评估。在制造领域，可用于工业管道中机械损伤，裂纹等缺陷的探寻，对输油和输气管道线的泄露和破损点的查找和定位等。还可用于机场、车站等一些人口密集型场所，对来往人群、货物进行安全监控，也可以直接布置在客机机舱中执行检查危险物品的任务。 这些特种机器人技术集机械、电子、新材料、传感器、计算机、智能控制与网络通信等多门科学于一体，是一种具有基础性、战略性和前瞻性的高新技术。对这种机器人的研究，将为未来地面战争、反恐事业和民用工业的发展提供技术上的有力支持。1.2 智能爬行搜救机器人研究概况及发展趋势 2002年开始, 日本文化科学部确立了“ 大都市大震灾减灾特别计划

8、” 的研究计划,进一步开发在地震中使用的救援机器人。 研发内容包括用于观察灾难环境的机器人系统、传感技术、人类接口技术和系统集成。川崎市为该项目建立了公用试验场地,并建立了国际救援系统研究所。目的是实现在非常困难的大规模灾害搜救活动中, 即使是在混乱中也能对进行情报收集和判断, 根据灾害状况进行最优的救助。计划中主要研究工作有对机器人、智能传感器、携带终端装置和人机接口等进行研究开发, 进行能动地、智能地情报收集, 用网络进行情报的传递、汇总和归纳等。日本东京工业大学的广獭是最早从事搜救机器人研究的学者之一, 从仿生的角度和基于超机械系统的思想先后研制了多系列搜救机器人样机。“ 9.11” 事

9、件后, 灾难搜救机器人技术在美国日益受到重视。“9.11 ” 事件的灾难现场救援认为是灾难救援机器人的第一次实际应用。在纽约世界贸易中心遭到恐怖袭击发生后几小时, 美国“ 机器人辅助搜救中心” 应纽约市紧急事务管理办公室要求, 立即组织了一支由机器人专家和生产厂家技术人员构成的队伍。 第 2页共 32页意大利罗马大学系统科学与工程学院人工智能实验室启动了“ 搜救工程” 加拿大国防部从国防安全的角度制定了搜救机器人研究计划 英国、伊朗等国也涌现了许多救援机器人研究者和搜救机器人比赛的参与者 第 3页共 32页文华学院毕业设计 1.4 智能爬行搜救机器人的关键性能 救援机器人的关键性能主要有以下几

10、个方面: l 存活能力l 运动能力l 感知能力l 通讯能力l 作业能力存活能力: 救援机器人的存活能力主要是机器人本体的可靠性、耐用性和适应性问题。灾难后环境中存在毒气、毒液、生化、放射性、非常温和二次倒塌等危险, 机器人对环境的适应特别重要。在温度方面,灾难后环境存在高温可能, 机器人本体必须能够克服条件的影响, 设计时在材质的选择上需要进行周密的虑。在救援机器人的能源供给方面, 需要采用有线和无线相结合的方式, 以保障救援机器人足够的动力和工作时间。应该具有自适应能力, 具有预见能力。它们应该能适应环境, 适合完成挑战性的工作, 并且具有智能以至于能够应对由各种不稳定和不确定的因素所引起的

11、干扰。 运动能力:灾难救援环境对机器人的运动能力要求较高,机器人移动平台十分重要。机器人必须不断地翻越各种垂直的障碍物, 平台的稳定性和自调整能力很重要, 要尽可能避免由从高度坠下而将机器人摔碎。目前解决这些困难的方法是设计一种蛇形机构, 这种机构已被证实是有效的搜救机构之一。灾难后环境存在松软的灰土地面、由于消防用水或漏水导致的泥泞路面及坎坷不平的废墟地面等多种地面地形, 机器人必须具有高度的地面适应性能, 在轮式、履带式和腿式等移动机构当中,履带、轮、腿复合的复合移动机构将被广泛采用。感知能力:对救援机器人而言, 救援机器人的传感器是最脆弱的元件, 它主要有三个方面的传感要求对机器人的控制

12、、对环境的检测和对遇难者的发现。机器人的控制方面, 为了让机器人正常工作, 必须对机器人的位置、姿态、速度和系统内部状态等进行检测, 系统可以采用传统机器人的摄像机、激光测距仪、超声测距仪、接触和接近传感器、红外线传感器和雷达定位传感器等。新的技术如数字温度摄像机具有很好的识别能力, 但是对操作者具有很高的要求。地面穿透雷达、微波雷达、激光探测仪具有很好的效果, 但是系统的花费和能量消耗均较多, 另外的一种可能就是利用人工智能技术、纳米技术或仿生技术来开发价格低传感器。救援机器人多传感器之间存在信息的处理和融合问题。通信能力:操作人员和机器人之间的通信、操作人员和遇难者之间的通信和多救援机器人

13、之间的通信。所有的通信通常采用无线的方式。理想的情况是自主机器人具有通过灾难现场一切环境的能力, 对遇难者进行定位,与救援队伍进行通讯和联系实际上, 这里包含了大量的软件处理与计算, 机器人自身难以独立完成,人机交互的介入是必要和必须的。多救援机器人之间的通讯, 受到废墟遮挡的影响, 目前还不能够很好地在救援机器人系统中实现, 但是它也是迫切需要解决的问题之一。机器人的作业能力是机器人的存活能力、运动能力、感知能力、通信能力和人机交互有机结合的体现,它主要包括以下几个方面： l 勘探l 搜寻l 救助1.5 灾难搜救机器人发展方向1、多种技术融合化 2、多智能体网络化 文华学院毕业设计2 机械结

14、构与芯片简介2.1智能机器人机械结构图 2.1 是本文设计智能爬行搜救机器人的三维结构示意图。 其中 2 4 6 分别为转动、竖直、水平驱动舵机，只要控制这三个舵机就可以控制上板和下板相对上下、前后、水平面转动。1上板2转动舵机3竖直移动排齿4竖直移动舵机和齿轮5水平移动排齿6水平移动舵机和齿轮7下板8上板足9下板足10水平定位齿轮图2.1 机器人机构图2.2智能 机器人运动原理机器人6只足分别均分布在两个等边三角形的顶点上4。机器人在行走过程中，两组足交替支撑。两组足中的任一组三足可独立支撑起整个机器人身体，机器人重心始终落在A组或B组三足的三角形区域内，因此在平面爬行中没有倾覆的危险。图

15、2.2 机器人组合图第 3页共 32页文华学院毕业设计如图1.3所示，通过上下两组脚的相互运动就可以满足机器人多方位移动的需要：即上下板前后相互交替着地实现前后运动；上下板以三角形中点为轴相互转动交替着地实现转弯运动。运动如图2.3及2.4所示。图2.3 机器人水平移动示意图图2.4 机器人转动运动示意图第 4页共 32页文华学院毕业设计2.3 驱动装置选择本文设计智能爬行搜救机器人采用了三个个舵机分别对直线驱动器、转角驱动器以及垂直驱动器来进行精确控制。舵机是一种位置伺服的驱动器5。它接收一定的控制信号,输出一定的角度,适用于那些需要角度不断变化并可以保持的控制系统。舵机定位精确、输出力矩较

16、大、尺寸满足要求，作为本设计的力驱动部件十分理想。以日本FUTABA-S3003型舵机为例,图2.5是FUTABA-S3003 型舵机的内部电路。图2.5 FUTABA-S3003 型舵机的内部电路舵机的工作原理是：WM信号由接收通道进入信号解调电路BA6688L的12脚进行解调，获得一个直流偏置电压。该直流偏置电压与电位器的电压比较，获得电压差由BA6688的3脚输出。该输出送入电机驱动集成电路BAL6686，以驱动电机正反转。当电机转速一定时，通过级联减速齿轮带动电位器Rw1旋转，直到电压差为0，电机停止转动.舵机的控制信号是PWM信号，利用占空比的变化改变舵机的位置。标准的舵机有3条导线

17、，分别是：电源线、地线、控制线，如图2.6所示。电源线和地线用于提供舵机内部的直流电机和控制线路所需的能源，电压通常介于46 V ，一般取5 V，以便给舵机供电的电源应能提供足够的功率6。控制线的输入是一个宽度可调的周期性方波脉冲信号，方波脉冲信号的周期为20ms（即频率为50Hz)。当方波的脉冲宽度改变时，舵机转轴的角度发生改变，角度变化与脉冲宽度的变化成正比。某型舵机的输出轴转角与输入信号的脉冲宽度之间的关系如图2.7所示。图2.6 标准舵机示意图第 5页共 32页 文华学院毕业设计图2.7 舵机的输出轴转角与输入信号的脉冲宽度之间的关系综合各方面考虑，选用的舵机为TOWERPRO，型号为SG90。其主要技术参数如下：外形尺寸：22*11.5*27mm重量：9g参数：无负载速度0.12/60度(4.8V)堵转扭矩：1.6Kg/厘米(4.8V)使用温度: -30摄氏度+60摄氏度使用电压：4-6V死区电压: 3.0V-5.0V 图2.8 第 6页共 32页文华学院毕业设计 2.5 硬件结构介绍2.5.1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电池，经过传统的78L05稳压电路给其单片机