六足爬行機器人設(shè)計

精選文庫目錄1 引言1.1 智能爬行搜救機器人機器人研究目的和意義.11.2智能爬行搜救機器人研究概況及發(fā)展趨勢.12 機械結(jié)構(gòu)與芯片簡介2.1 機器人機械結(jié)構(gòu).32.2 機器人運動原理.32.3 驅(qū)動裝置選擇.52.4 機器人實物圖.62.5 硬件結(jié)構(gòu)介紹.72.6 單片機芯片介紹.82.7 編碼解碼芯片介紹.133 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計3.1 上位機控制.163.1.1 程序語言及串口通訊.163.1.2 人機交互界面.173.2 基于無線的智能控制.193.2.1 無線發(fā)射模塊.193.2.2 無線接收模塊.234 結(jié)論.29參考文獻.30致謝.31-文華學(xué)院畢業(yè)設(shè)計1 引言1.1 智能爬行搜救機器人研究目的和意義本文近年來，多發(fā)的自然災(zāi)害（如地震、火災(zāi)、洪水）、人為的恐怖活動、武力沖突及各種生化病毒、有毒物質(zhì)、輻射等恐怖不斷威脅著人類的安全，使得人們普遍關(guān)注對各種災(zāi)害的應(yīng)急能力、災(zāi)后的快速響應(yīng)處理能力。在突發(fā)恐怖事件、自然災(zāi)害及意外傷害發(fā)生后，巨大的災(zāi)害往往造成大范圍的建筑物坍塌和人員傷亡，現(xiàn)場搜索與救援成為人不最為緊急的工作。然而現(xiàn)場多為坍塌環(huán)境，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、不穩(wěn)定，有些狹小空間救援人員和搜救犬根本無法進入，從而使搜救范圍限制在倒塌建筑物表面范圍。救援人員進入建筑物也將有巨大的風(fēng)險，其體重和移動可能會引起建筑物進一步倒塌，造成對救援人員和幸存者的再次傷害。因此，救援隊員必須在結(jié)構(gòu)工程師進行評估，并對不穩(wěn)定的倒塌結(jié)構(gòu)進行支撐加固后才能進入，這個過程延誤了搜救受災(zāi)者的時間。同時，由于搜尋空間條件惡劣，易導(dǎo)致救援隊員勞累，從而易對周圍建筑結(jié)構(gòu)作出錯誤判斷，錯過沒有知覺受災(zāi)者的概率上升，而且救援人員也存在重大的健康風(fēng)險和安全風(fēng)險，影響救援工作的快速展開將機器人技術(shù)、營救行動技術(shù)、災(zāi)害學(xué)等多學(xué)科知識有機融合，研制與開發(fā)用于搜救與營救的救援機器人，將有效地提高救援的效率和減少救援人員的傷亡。 搜救機器人是指用在災(zāi)后非結(jié)構(gòu)環(huán)境下執(zhí)行搜索與救援任務(wù)的特種機器人。機器人在搜索與救援過程中明顯具有以下幾個方面的優(yōu)勢。（1） 在發(fā)生倒塌后，機器人可以立即展開對幸存者的搜索，進入結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定的建筑物，降低救援隊員的風(fēng)險，為搜救工作節(jié)約時間（2） 可以進入狹窄空間，擴展搜救專家的工作范圍。建筑物倒塌會形成各種各樣的空間，這些空間可能就會有幸存者，但搜救人員難以進入，而機器人卻可以一展身手。（3） 可以攜帶多種傳感器，探測幸存者空間狀況，在機器人軟件的幫助下對搜索區(qū)域?qū)嵭型暾娜S搜索，繪制結(jié)構(gòu)圖，提升工作效率和可靠性。搜救機器人可以攜帶溫度探測器、一氧化碳探測器、爆炸界限探測器、氧氣、PH探測器、輻射探測器和殺傷性武器探測器，從而測定空氣讀數(shù)，探測有害物質(zhì)，分析后向救援人員提出警告。 同時由于機器人技術(shù)發(fā)展極為迅猛，用于偵察和作戰(zhàn)等軍事領(lǐng)域的機器人，由于其特殊用途受到了各國軍方的廣泛關(guān)注。許多軍用機器人的研究成果直接應(yīng)用于國家安全領(lǐng)域，在維護國家安定，保障人民生活安全方面發(fā)揮了很大作用。軍用的地面移動機器人在各種復(fù)雜環(huán)境下具有較高的機動性，可以代替人類進入一些危險未知的環(huán)境，適應(yīng)于國防和民用等多個領(lǐng)域，而且在反恐斗爭中葉可以發(fā)揮很大作用。這類機器人的主要應(yīng)用領(lǐng)域包括以下幾個方面：（1）戰(zhàn)場偵察與環(huán)境探測 在移動平臺上裝備攝像頭、安全激光測距儀、夜視裝置和衛(wèi)星全球點位儀等設(shè)備，通過無線電或光纜操縱，完成偵察和監(jiān)視敵情、情報收集、目標(biāo)搜索和自主巡邏等任務(wù)。還可以進入一些人類無法進入或適應(yīng)的危險環(huán)境，完成規(guī)模戰(zhàn)爭和反恐作戰(zhàn)中的偵察任務(wù)。（2）高度機動與協(xié)同作戰(zhàn) 由于體積較小、機動能力較強，機器人能快速部署，完成偵察、警戒、目標(biāo)突擊、追擊乃至解救人質(zhì)、街巷戰(zhàn)斗、反恐作戰(zhàn)、反裝甲作戰(zhàn)等武器裝備，使之具備強大的攻擊殺傷力，特別適用于城市和惡劣環(huán)境下（如核、生、化戰(zhàn)場等）的局部戰(zhàn)爭和信息戰(zhàn)爭。（3）探測危險與排除險情在戰(zhàn)場上或工程中，常常會遇到各種各樣的意外。這時，微型移動機器人就會發(fā)揮很好的作用。美國軍方曾廣泛使用智能車輛掃除路邊炸彈、尋找地雷和銷毀地雷。民用方面，可以探測化學(xué)泄露物質(zhì)，可以進行地鐵滅火，以及在強烈地震發(fā)生后到廢墟中尋找被埋人員等。（4） 安全檢測與受損評估第 1頁共 32頁 文華學(xué)院畢業(yè)設(shè)計在工程建設(shè)領(lǐng)域，除可對水庫堤壩、江河大壩進行質(zhì)量和安全性檢測之外，還可應(yīng)用于碼頭、橋墩等被撞后的受損程度探測評估。在制造領(lǐng)域，可用于工業(yè)管道中機械損傷，裂紋等缺陷的探尋，對輸油和輸氣管道線的泄露和破損點的查找和定位等。還可用于機場、車站等一些人口密集型場所，對來往人群、貨物進行安全監(jiān)控，也可以直接布置在客機機艙中執(zhí)行檢查危險物品的任務(wù)。 這些特種機器人技術(shù)集機械、電子、新材料、傳感器、計算機、智能控制與網(wǎng)絡(luò)通信等多門科學(xué)于一體，是一種具有基礎(chǔ)性、戰(zhàn)略性和前瞻性的高新技術(shù)。對這種機器人的研究，將為未來地面戰(zhàn)爭、反恐事業(yè)和民用工業(yè)的發(fā)展提供技術(shù)上的有力支持。1.2 智能爬行搜救機器人研究概況及發(fā)展趨勢 2002年開始, 日本文化科學(xué)部確立了“ 大都市大震災(zāi)減災(zāi)特別計劃” 的研究計劃,進一步開發(fā)在地震中使用的救援機器人。 研發(fā)內(nèi)容包括用于觀察災(zāi)難環(huán)境的機器人系統(tǒng)、傳感技術(shù)、人類接口技術(shù)和系統(tǒng)集成。川崎市為該項目建立了公用試驗場地,并建立了國際救援系統(tǒng)研究所。目的是實現(xiàn)在非常困難的大規(guī)模災(zāi)害搜救活動中, 即使是在混亂中也能對進行情報收集和判斷, 根據(jù)災(zāi)害狀況進行最優(yōu)的救助。計劃中主要研究工作有對機器人、智能傳感器、攜帶終端裝置和人機接口等進行研究開發(fā), 進行能動地、智能地情報收集, 用網(wǎng)絡(luò)進行情報的傳遞、匯總和歸納等。日本東京工業(yè)大學(xué)的廣獺是最早從事搜救機器人研究的學(xué)者之一, 從仿生的角度和基于超機械系統(tǒng)的思想先后研制了多系列搜救機器人樣機?！?9.11” 事件后, 災(zāi)難搜救機器人技術(shù)在美國日益受到重視?！?.11 ” 事件的災(zāi)難現(xiàn)場救援認(rèn)為是災(zāi)難救援機器人的第一次實際應(yīng)用。在紐約世界貿(mào)易中心遭到恐怖襲擊發(fā)生后幾小時, 美國“ 機器人輔助搜救中心” 應(yīng)紐約市緊急事務(wù)管理辦公室要求, 立即組織了一支由機器人專家和生產(chǎn)廠家技術(shù)人員構(gòu)成的隊伍。 第 2頁共 32頁意大利羅馬大學(xué)系統(tǒng)科學(xué)與工程學(xué)院人工智能實驗室啟動了“ 搜救工程” 加拿大國防部從國防安全的角度制定了搜救機器人研究計劃 英國、伊朗等國也涌現(xiàn)了許多救援機器人研究者和搜救機器人比賽的參與者 第 3頁共 32頁文華學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 1.4 智能爬行搜救機器人的關(guān)鍵性能 救援機器人的關(guān)鍵性能主要有以下幾個方面: l 存活能力l 運動能力l 感知能力l 通訊能力l 作業(yè)能力存活能力: 救援機器人的存活能力主要是機器人本體的可靠性、耐用性和適應(yīng)性問題。災(zāi)難后環(huán)境中存在毒氣、毒液、生化、放射性、非常溫和二次倒塌等危險, 機器人對環(huán)境的適應(yīng)特別重要。在溫度方面,災(zāi)難后環(huán)境存在高溫可能, 機器人本體必須能夠克服條件的影響, 設(shè)計時在材質(zhì)的選擇上需要進行周密的慮。在救援機器人的能源供給方面, 需要采用有線和無線相結(jié)合的方式, 以保障救援機器人足夠的動力和工作時間。應(yīng)該具有自適應(yīng)能力, 具有預(yù)見能力。它們應(yīng)該能適應(yīng)環(huán)境, 適合完成挑戰(zhàn)性的工作, 并且具有智能以至于能夠應(yīng)對由各種不穩(wěn)定和不確定的因素所引起的干擾。 運動能力:災(zāi)難救援環(huán)境對機器人的運動能力要求較高,機器人移動平臺十分重要。機器人必須不斷地翻越各種垂直的障礙物, 平臺的穩(wěn)定性和自調(diào)整能力很重要, 要盡可能避免由從高度墜下而將機器人摔碎。目前解決這些困難的方法是設(shè)計一種蛇形機構(gòu), 這種機構(gòu)已被證實是有效的搜救機構(gòu)之一。災(zāi)難后環(huán)境存在松軟的灰土地面、由于消防用水或漏水導(dǎo)致的泥濘路面及坎坷不平的廢墟地面等多種地面地形, 機器人必須具有高度的地面適應(yīng)性能, 在輪式、履帶式和腿式等移動機構(gòu)當(dāng)中,履帶、輪、腿復(fù)合的復(fù)合移動機構(gòu)將被廣泛采用。感知能力:對救援機器人而言, 救援機器人的傳感器是最脆弱的元件, 它主要有三個方面的傳感要求對機器人的控制、對環(huán)境的檢測和對遇難者的發(fā)現(xiàn)。機器人的控制方面, 為了讓機器人正常工作, 必須對機器人的位置、姿態(tài)、速度和系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)等進行檢測, 系統(tǒng)可以采用傳統(tǒng)機器人的攝像機、激光測距儀、超聲測距儀、接觸和接近傳感器、紅外線傳感器和雷達(dá)定位傳感器等。新的技術(shù)如數(shù)字溫度攝像機具有很好的識別能力, 但是對操作者具有很高的要求。地面穿透雷達(dá)、微波雷達(dá)、激光探測儀具有很好的效果, 但是系統(tǒng)的花費和能量消耗均較多, 另外的一種可能就是利用人工智能技術(shù)、納米技術(shù)或仿生技術(shù)來開發(fā)價格低傳感器。救援機器人多傳感器之間存在信息的處理和融合問題。通信能力:操作人員和機器人之間的通信、操作人員和遇難者之間的通信和多救援機器人之間的通信。所有的通信通常采用無線的方式。理想的情況是自主機器人具有通過災(zāi)難現(xiàn)場一切環(huán)境的能力, 對遇難者進行定位,與救援隊伍進行通訊和聯(lián)系實際上, 這里包含了大量的軟件處理與計算, 機器人自身難以獨立完成,人機交互的介入是必要和必須的。多救援機器人之間的通訊, 受到廢墟遮擋的影響, 目前還不能夠很好地在救援機器人系統(tǒng)中實現(xiàn), 但是它也是迫切需要解決的問題之一。機器人的作業(yè)能力是機器人的存活能力、運動能力、感知能力、通信能力和人機交互有機結(jié)合的體現(xiàn),它主要包括以下幾個方面： l 勘探l 搜尋l 救助1.5 災(zāi)難搜救機器人發(fā)展方向1、多種技術(shù)融合化 2、多智能體網(wǎng)絡(luò)化 文華學(xué)院畢業(yè)設(shè)計2 機械結(jié)構(gòu)與芯片簡介2.1智能機器人機械結(jié)構(gòu)圖 2.1 是本文設(shè)計智能爬行搜救機器人的三維結(jié)構(gòu)示意圖。 其中 2 4 6 分別為轉(zhuǎn)動、豎直、水平驅(qū)動舵機，只要控制這三個舵機就可以控制上板和下板相對上下、前后、水平面轉(zhuǎn)動。1上板2轉(zhuǎn)動舵機3豎直移動排齒4豎直移動舵機和齒輪5水平移動排齒6水平移動舵機和齒輪7下板8上板足9下板足10水平定位齒輪圖2.1 機器人機構(gòu)圖2.2智能 機器人運動原理機器人6只足分別均分布在兩個等邊三角形的頂點上4。機器人在行走過程中，兩組足交替支撐。兩組足中的任一組三足可獨立支撐起整個機器人身體，機器人重心始終落在A組或B組三足的三角形區(qū)域內(nèi)，因此在平面爬行中沒有傾覆的危險。圖 2.2 機器人組合圖第 3頁共 32頁文華學(xué)院畢業(yè)設(shè)計如圖1.3所示，通過上下兩組腳的相互運動就可以滿足機器人多方位移動的需要：即上下板前后相互交替著地實現(xiàn)前后運動；上下板以三角形中點為軸相互轉(zhuǎn)動交替著地實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎運動。運動如圖2.3及2.4所示。圖2.3 機器人水平移動示意圖圖2.4 機器人轉(zhuǎn)動運動示意圖第 4頁共 32頁文華學(xué)院畢業(yè)設(shè)計2.3 驅(qū)動裝置選擇本文設(shè)計智能爬行搜救機器人采用了三個個舵機分別對直線驅(qū)動器、轉(zhuǎn)角驅(qū)動器以及垂直驅(qū)動器來進行精確控制。舵機是一種位置伺服的驅(qū)動器5。它接收一定的控制信號,輸出一定的角度,適用于那些需要角度不斷變化并可以保持的控制系統(tǒng)。舵機定位精確、輸出力矩較大、尺寸滿足要求，作為本設(shè)計的力驅(qū)動部件十分理想。以日本FUTABA-S3003型舵機為例,圖2.5是FUTABA-S3003 型舵機的內(nèi)部電路。圖2.5 FUTABA-S3003 型舵機的內(nèi)部電路舵機的工作原理是：WM信號由接收通道進入信號解調(diào)電路BA6688L的12腳進行解調(diào)，獲得一個直流偏置電壓。該直流偏置電壓與電位器的電壓比較，獲得電壓差由BA6688的3腳輸出。該輸出送入電機驅(qū)動集成電路BAL6686，以驅(qū)動電機正反轉(zhuǎn)。當(dāng)電機轉(zhuǎn)速一定時，通過級聯(lián)減速齒輪帶動電位器Rw1旋轉(zhuǎn)，直到電壓差為0，電機停止轉(zhuǎn)動.舵機的控制信號是PWM信號，利用占空比的變化改變舵機的位置。標(biāo)準(zhǔn)的舵機有3條導(dǎo)線，分別是：電源線、地線、控制線，如圖2.6所示。電源線和地線用于提供舵機內(nèi)部的直流電機和控制線路所需的能源，電壓通常介于46 V ，一般取5 V，以便給舵機供電的電源應(yīng)能提供足夠的功率6。控制線的輸入是一個寬度可調(diào)的周期性方波脈沖信號，方波脈沖信號的周期為20ms（即頻率為50Hz)。當(dāng)方波的脈沖寬度改變時，舵機轉(zhuǎn)軸的角度發(fā)生改變，角度變化與脈沖寬度的變化成正比。某型舵機的輸出軸轉(zhuǎn)角與輸入信號的脈沖寬度之間的關(guān)系如圖2.7所示。圖2.6 標(biāo)準(zhǔn)舵機示意圖第 5頁共 32頁 文華學(xué)院畢業(yè)設(shè)計圖2.7 舵機的輸出軸轉(zhuǎn)角與輸入信號的脈沖寬度之間的關(guān)系綜合各方面考慮，選用的舵機為TOWERPRO，型號為SG90。其主要技術(shù)參數(shù)如下：外形尺寸：22*11.5*27mm重量：9g參數(shù)：無負(fù)載速度0.12/60度(4.8V)堵轉(zhuǎn)扭矩：1.6Kg/厘米(4.8V)使用溫度: -30攝氏度+60攝氏度使用電壓：4-6V死區(qū)電壓: 3.0V-5.0V 圖2.8 第 6頁共 32頁文華學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 2.5 硬件結(jié)構(gòu)介紹2.5.1電源電路 智能救援機器人全部能量來源于位于機器人底部的電池，經(jīng)過傳統(tǒng)的78L05