机电综合实践开题报告

机电综合实践开题报告选题名称：救援机器人选题背景及意义：（不少于300字）救援机器人是为救援而采取先进科学技术研制的机器人，是一种专门用于灾难后在废墟中寻找幸存者执行救援任务的机器人。本课题拟研制一台配备双摄像头系统及五自由度机械臂的可变式履带救援探索机器人。该机器人可以适应多种地形的行进，多方位的采集与传输图像信息，准确抓取目标物体。在两个月的时间内，本课题小组将完成机器人的系统确定及方案设计，机器人机械结构设计及材料分析，电路设计及电子元器件安装和控制系统设计及编程，并且完成组装，实验与调试，最后进行答辩。该探索类机器人本应该配备了彩色摄像机，热成像仪和通讯系统，但由于外部条件限制，本课题只能研制一个小型的简易救援机器人。文献检索及调研情况—国内外现状分析：（不少于1000字）世界各地，由于自然灾害，恐怖活动和各种突发事件等灾难频发，在灾难救援中，救援人员只有非常短的时间用于在倒塌的废墟中寻找幸存者，否则发现幸存者的几率几乎为零。在这种紧急而危险的环境下，救援机器人可以为救援人员提供帮助。地震和矿难是自然界最可怕的现象，有历史记录以来，地震和矿难已经导致无法估计的财产损失，并且夺取了千百万人的生命。常常并不是地震和矿难本身夺取人的生命，而是地震和矿难发生时造成的建筑的损害以及塌方雪崩海啸等造成人员伤亡。其中地震过程中房屋倒塌导致人员被困的情况更为常见。因此，将灵活小巧不惧伤害的救援机器人用于救援和复杂的灾难环境下搜救和营救幸存者，是机器人学中的一个新型而富有挑战性的课题。救援机器人在救援工作中相比人有许多优点：1.可以连续执行乏味的搜索救援任务，而不会感到疲倦；2.不怕火，浓烟等危险和有害条件；3.可以进入危险地带拍摄与救援；4.重量轻，不易引起建筑物的二次坍塌，灵活性强，可以进入狭窄地带。目前救援机器人的主要研究方向：运动控制技术；2.自主导航技术；3.通讯控制技术4.探测感知技术国外研究现状：在国外，救援机器人发展迅速，技术日益成熟，并进入实用阶段，日本，美国，英国等都已开始装备使用。在灾难现场中，救援机器人应能够迅速找到幸存者位置。日本一些科学家研制出一种可以在废墟中爬行的小型机器人，它们可以承担营救被困于地震废墟中的幸存者的重任。据《新科学家》周刊称，这种机器人可以通过有节奏的收缩运动沿着地面爬行。由于这种机器人的宽度仅有几厘米，遥控人员可以利用磁场原理推动机器人在细小的墙壁裂缝中穿行，它的身上除了安装有照明灯泡和摄像机之外，还配备有一系列用来测量辐射程度或氧气含量等指标的传感器。这些指标可以显示某个区域是否安全，以便救援人员对被困者实施营救。这种机器人由若干个装有铁磁微粒、水以及润滑剂的橡胶囊组成，爬行时所受阻力很小。每两个橡胶囊之间由一副橡胶棒连接，通过磁场的作用推动机器人前行。研制这款机器人的佐贺公司将在西雅图召开新闻发布会，并在会上演示机器人具体操作情况。该公司表示，与此前一些可以行走、飞行或是依靠轮子滑行的机器人相比，这款新型机器人的稳定性更强，因而实用性也更强。国内研究现状：在国内，救援机器人的研究刚刚起步，但发展很快。中科院沈阳自动化所在2002年研制了一种蛇形机器人，由16个单自由度关节模块和蛇头蛇尾组成，在监控系统无线控制下可以实现蜿蜒前行，后退，侧移，翻滚等多种动作，并能通过安装在蛇头上的微型摄像头传回监控系统。10月28日，山东济南举行的2007中国机器人大赛上，成都信息工程学院、西北工业大学、国防科技大学等院校研发的救援机器人进行了比赛和演示。这些机器人在模拟现实的环境中完成了移动、定位、目标搜索、救援等行动。广州小学生许岩松发明地震救援机器人“地震救援希望之星”，最前端装有摄像头,观察到的图像就会传输到另一端的电脑显示器上,成为救援人员的“火眼金睛”。而它的尾部安上了温度传感器,能够感测到火灾。一旦发现有受难者,机器人可以启用前端的夹子把人夹出危险区域。这项发明在今年广州市青少年机器人竞赛上获得了第一名。文献检索：【1】徐保国，尹怡欣，周美娟智能移动机器人技术现状及展望[J]机器人技术与应用.2007，3：29-34【2】欧青立，何克忠室外智能移动机器人的发展及其相关技术研究[J]机器人，2000,22（6）：519-526【3】刘进长，辛建成机器人世界[M]河南科学技术出版社2000：93-104【4】徐国华，谭民等移动机器人的发展状况及其趋势[J]机器人技术用与应用2001，3：7-14【5】李磊，叶涛等移动机器人技术研究现状与未来机器人2002,24（5）：476-480【6】王挺，王越超，赵忆文多机构符合智能机器人的研制[J]机器人2004,26（4）：289-294【7】汪新越障机器人控制系统设计[D]中国科技大学学位论文2005，5【8】龙斌基于机体姿态调整的非结构化环境机器人机构研究[D]东华大学学位论文2006【9】吴大林，马吉胜，王兴贵履带车辆地面力学仿真研究[J]计算机仿真，2004，12：42-44【10】韩宝坤，张宇，李晓雷履带模型与仿真[J]计算机仿真2003，5：7-9【11】尚建忠，罗自荣，徐小军，黒沫等变形履带机器人中国，国家发明专利，201010104944,2010.4.9【12】高峻峣国外军用地面机器人系统综述[J]机器人，2003,25（7）：746-755【13】陈旭武国外军用地面机器人的研制现状[J]黄石理工学院院报2006,22（3）：80-82【14】陈淑艳，陈文家履带式移动机器人研究综述[J]机电工程2007,24（12）：109-112【15】孙恒，陈作模机械原理（第六版）[M]北京：高等教育出版社2001【16】王良曦，王红岩车辆动力学[M]北京国防工业出版社2008【17】张克键车辆动力学[M]北京：国防工业出版社2001【18】高连华，刘雨发履带车辆动力学[M]北京：装甲兵工程学院1987【19】袁浩UG机械设计实例教程[M]北京：化学工业出版社2007【20】吴振彪工业机器人[M]武汉：华中科技大学出版社2006【21】孟庆鑫，王晓东机器人技术基础[M]哈尔滨工业大学出版社2006：3-8【22】濮良贵，纪名刚机械设计[M]高等教育出版社2001：235-239【23】贾耀卿，夏恭忱机械设计手册[M]中国标准出版社1995拟定的实现原理与方案：（不少于1000字）总体介绍本课题小组的机器人拟使用履带进行行进。为了适应多样的地形与前进方式，拟设计成可变形履带式机器人。该机器人采用前端带鳍状肢的履带设计进行辅助越障，可变式鳍状肢履带具备良好的机动性能，在越障、跨沟、攀爬等方面具有明显优势，运动范围和能力都大大提高，更能适应各种不同的复杂环境。该机器人车体装有机械手和云台。示意图如下：图1履带式救援探索机器人示意图履带式前进系统包含三台电机，两台控制两侧履带运动，另一台用来控制鳍状肢的运动。云台1号摄像头观察系统包含2个自由度的控制，保证最大的视角。该机器人上安装的5自由度机械臂末端装有2号摄像头。机械臂由旋转台，大臂，肘部，小臂，手腕组成，是一个具有五种动作的关节型机械手。机械手动作方式可以单独行动，也可以组合或者同时进行。可以根据控制装置来选择控制方式。机械手的动力采用直流电机和舵机的混合搭配方式，并选择闭环控制（除舵机外）。机械手的夹持和手腕旋转由舵机控制，其余关节由直流电机控制，全部由PWM控制。机械手有五个自由度。机器人的控制系统拟采用freescale的控制芯片。这款芯片只含有8通道的PWM，由于包括运动系统部分的电机有10台，而一台电机的正反转需要2个PWM通道控制。由于机器人、1号摄像头及机械手不是同时运动。且只有舵机需要保持通电才能自锁。所以，利用多组继电器，可以选择特定的电机的驱动芯片组进行控制，节约单片机I/O口资源。并且，直流电机选定行星齿轮的减速器，在断电状态下可以自锁。模块介绍：【机械手系统】机械手的工作原理：机械手的运动由腰部传动，上臂传动，前臂传动，肘部传动和腕部传动五部分组成。腰部由底座上的直流电机直接传动；上臂定在腰部底板上，安装在腰部上的直流电机通过传动带动上臂左右摇摆或运动；肘部固定在上臂末端，其直流电机固定在大臂上，通过传动带动肘部；小臂固定在肘部末端，通过肘部上的直流电机传动带动小臂运动；舵机固定在小臂末端，通过传动带动手腕的转动。【视觉系统】该机器人使用了机体上和机械臂上两个摄像头，组成视觉系统，来完成图像采集。摄像头通过射频发送信号，接收器接收到视频信后通过视频采集器转换后，利用USB接口与PC机连接。并在WINDOWSXP系统上VisualStudio2008开发平台下的C++界面程序中，利用MicrosoftDirectXSDK开发包中的directshow工具，配合OpenCV（OpenSourceComputerVisionLibrary），可以直接打开摄像头，接收信号。利用这类API接口，可以实现多线程控制。【无线控制系统】在PC机的程序中，通过Win32位控制台程序的键盘输入，可以选定特定的电机，并通过方向键进行电机的正反转。其实质是，识别键盘信号，编写串口，通过nrf905无线传输芯片与机器人上搭载的freescale芯片进行通信，从而达到远程控制设备的目的。【电机驱动】利用BTS7960、BTS7970芯片搭设驱动模块。【前进系统的机械设计】拟定机器人长50cm，宽30cm，高15cm，最大行进速度是0.1m/s，最大抓取质量是0.5kg，爬坡倾角是30度，可持续工作时间为6h。【开发环境】PC机（上位机）：VisualStudio2008+MicorsoftDirectXSDK+OpenCVOpenCV是Intel®开源计算机视觉库。它由一系列C函数和少量C++类构成，实现了图像处理和计算机视觉方面的很多通用算法。OpenCV拥有包括300多个C函数的跨平台的中、高层API。它不依赖于其它的外部库——尽管也可以使用某些外部库。DirectShow是微软公司提供的一套在Windows平台上进行流媒体处理的开发包，9.0之前与DirectX开发包一起发布，之后包含在windowsSDK中。运用DirectShow，本小组可以很方便地从支持WDM驱动模型的采集卡上捕获数据，并且进行相应的后期处理乃至存储到文件中。单片机：CodeWarriorV5.0。CodeWarrior是由Metrowerks公司提供的专门面向Freescale所有的MCU与DSP的嵌入式应用开发的软件工具。其中包括集成开发环境IDE、处理器专家、全芯片仿真、可视化参数显示工具、项目工程管理、C交叉编译器、汇编器、链接器以及调试器。CodeWarrior拥有智能的代码调试检错功能，能够检查程序代码中的语法错误，并且给出提示以便让用户修改，错误排除后通过编译链接就可以生成可执行代码。CodewarriorIDE中的mc9s12xs128.h文件对所有寄存器对应的存储映射地址都进行了宏定义，开发者在软件开发时直接调用这些宏就可以了。而且，这些宏的名称都与说明文档上相应寄存器的名称相同或类似，这样，很便于对所需单片机的开发。可行性分析：（不少于300字）机器人采用前端鳍状肢履带设计。可变式鳍状肢履带具备良好的机动性能，在越障、跨沟、攀爬等方面具有明显优势，运动范围和能力都大大提高，更能适应各种不同的复杂环境。美国Packrot机器人与国产DragonGuardX3B反恐机器人均采用前端鳍状肢履带设计。美国IRobot公司生产的Packbot系列机器人和Foster-miller公司研制的Talon机器人较为盛名，并在伊拉克战争中得以成功应用。在白井良明编著的《机器人工程》一书中详细介绍了机械手的运动，控制与感觉系统。机械手可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。在救援机器人上采用机械手的做法，是合理而又必须的。视觉系统上采用双摄像头，1号摄像头用于观察整个机器人所处的环境，2号摄像头配合机械手进行物体抓取。摄像头可以选用USB2.4G微型SyntekSTK1160摄像头。该摄像头:380线1/3索尼，水平解晰度，支持高品质画面播放；内置可充锂电池，连续工作时间1~2小时；内置麦克风，支持语音监控；可选4频道设置以控干扰，满足该课题的要求；空旷无障碍无线传输距离：(实测10-30米）；有阻（室内）无线传输距离：几米内（一堵墙实测）。重量仅60g方便机械手搭载。同时，相对应的视频采集卡：

USB2.0接口，支持热插拔，无需拆机箱；FULLDL高分辨率，PAL：352X288、640X480、720X576或全屏清晰高像素显示；可捕捉高品质动态及静态画面；兼容Win2000/XP/VISTA；一路AV及一路S端子视频输入，一路USB输出。并自带SDK开发包，该视频采集卡满足课题需求。目前程序利用集成Directshow的方式，将抓取的视频流转换为OPENCV可编辑的图片格式IplImage，不用安装庞大的DirectX/PlatformSDK。在vc6.0中测试将该代码移植到mfc下时(特别是显示到控件上时)，性能不如OPENCV中的CvCapture；mfc下显示使用CvvImage对象的DrawToHDC方法。最明显的差别在cpu使用率上，即使都开到多线程中，DirectShow采集图像的方法仅仅显示cpu使用率就高达60%，拖动时能高达80%，且资源释放缓慢；但是采用CvCapture，即使带上一些图像处理步骤，cpu使用率也基本在50%以下。所以，本课题暂不移植到MFC下。动力源作为直流电机，可以选择12V/1A左右的电机，即保证了动力，又不会使得电源部分变得复杂。直流电机控制利用BTS7960芯片，该芯片支持0-45V,±40A输出，且输入和输出是隔离的。根据IN