機械創(chuàng)新設(shè)計大賽生命探測與救援機器人說明書

1、設(shè)計說明書作 品 生命探測與救援機器人 設(shè) 計 者 指導(dǎo)老師 桂林航天工業(yè)高等?？茖W(xué)校摘 要：近半個世紀來美好的家園飽受災(zāi)難摧殘，災(zāi)難的烙印深深地刻在了每個地球人心中，當(dāng)災(zāi)難（譬如地震、礦難、房屋倒塌、泥石流等等）發(fā)生后，如何安全有效地搜尋幸存者以及對幸存者生命的及時探測救援已成為當(dāng)前一大社會難題。目前的生命探測儀大致可認為三類：光學(xué)生命探測儀、熱紅外生命探測儀和聲波生命探測儀。針對災(zāi)難后復(fù)雜的現(xiàn)場環(huán)境，現(xiàn)存生命探測儀都存在著許多不足之處（例如有的地方無法深入探測、受有線的限制、通訊信號干擾嚴重等等）。本創(chuàng)新設(shè)計的生命探測與救援機器人兼有生命探測與及時救援兩大功能。外形設(shè)計比較獨特，能在較狹小

2、、較復(fù)雜的環(huán)境下自由穿梭，完成對生命的搜尋、定位、安撫和有效救援。設(shè)計書中對機械結(jié)構(gòu)、行走、定位、對話、救援以及控制部分作了設(shè)計分析。本設(shè)計中的生命探測與救援機器人是一款實用的新型機器人，形體小，功能全，具有廣泛的應(yīng)用前景。關(guān) 鍵 詞：生命探測與救援 機器人 創(chuàng)新設(shè)計abstract: in nearly half a century, the disaster from disaster in the deep imprint every man on the beautiful earth, when disaster (such as earthquakes, coal mines, t

3、he houses collapsed and mudslides, etc.), how to effectively to search for survivors and to detect the timely rescue survivors life has become a social problem.now that the life can be roughly three: panificio thermal infrared detectors, optical life life and acoustic life detector probe.after the d

4、isaster scene in the complex environment and living life detectors are there exist many deficiencies in some places cannot (for example, by cable of deep detection limit, communication signal interference serious, etc.).this innovative design of life and rescue robot with life and timely rescue two

5、big functions.appearance design is unique, can be in a narrow and complex environment free of life, complete the search and rescue, comfort and effective orientation.in the design of mechanical structure, walk, orientation, dialogue, rescue and control are analyzed.design and analysis shows that the

6、 design of life and rescue robot is a practical new-type robot, it has a broad prospect of application.keywords: life detection and rescue robot creative design目 錄前 言1第1章 機器人外形機械結(jié)構(gòu)設(shè)計4第2章 控制機器人行走、生命探測及對話6第3章 生命定位與及時救援8第4章 無線控制模塊9結(jié)束語12致 謝12附 錄單片機串口接收和處理數(shù)據(jù)程序 13附 錄vb程序代碼 15參考文獻 19前 言隨著家園變得越來越美好，更加富麗堂皇，然

7、而大自然的承載能力有限，建設(shè)的同時大自然也遭受了極大的破壞。近年來災(zāi)難頻繁來襲，意外事故也層出不窮的發(fā)生。作為地球上的一員，有責(zé)任對共同的家園負責(zé)，有責(zé)任奉獻出一份愛心。很多時候不能阻止某些災(zāi)難的發(fā)生，但是都應(yīng)為災(zāi)難后生命的救援、重建家園等貢獻一份微薄之力。在此基礎(chǔ)上，針對（地震、礦難、火災(zāi)、房屋倒塌等等）災(zāi)難后的救援，本機械創(chuàng)新設(shè)計大賽我們的參賽作品是一款“生命探測與救援機器人”，其外形如圖1所示。圖1 生命探測與救援機器人外形本創(chuàng)新設(shè)計的作品是集機、電、光、通信等技術(shù)一體化的產(chǎn)品，形體小，功能全，可以在災(zāi)后救援環(huán)境惡劣的情況下，完成對生命的尋找探測、位置確定以及實施多項救援功能等。主要由前

8、導(dǎo)裝置（頭部）和輸料管、探測、通話、計算機控制等部分組成。前導(dǎo)裝置的設(shè)計考慮到救援環(huán)境的惡劣，外形采用了橢圓球形，安裝有夜視攝像頭、無線對話機以及輸送養(yǎng)料的輸料管等?？赏ㄟ^計算機無線控制前導(dǎo)裝置在細長狹小的空間中行走，完成對生命的尋找探測和位置的確定。控制流程如圖2所示。在救援時，救援人員通過前導(dǎo)裝置的夜視攝像頭進行探路，再通過搖控器控制其在廢墟中自由穿梭。當(dāng)發(fā)現(xiàn)被困者時，救援人員可通過夜視攝像頭觀測到被困者的情況，還可以通過對話機與被困者進行對話，較詳細地了解被困者所處狀況。并且可通過對話對被困者進行安撫與心理疏導(dǎo)。根據(jù)觀測到的情況和被困者的位置，可立即開展救援工作。圖 2控制流程同時，該作

9、品還具有給被困者輸送救援物資的功能，可通過雙通道輸料管輸送養(yǎng)料，給被困者輸送氧氣、輸送水、營養(yǎng)液等維持人體生命所需要的必要養(yǎng)分。該作品相對現(xiàn)有的生命探測儀有著以下幾種創(chuàng)新點:1、為使前導(dǎo)裝置行動范圍大，形體設(shè)計成橢圓球形，并使其盡量?。ㄩL256mm）。 機器人腳設(shè)計為陀螺型，并開有輻射式槽，以保證在任意側(cè)傾角下都可行走。2、在探測功能方面具有多項功能，可以完成：對生命的尋找探測和位置確定、可觀測到被困者的狀況、可與被困者進行對話，進行心理疏導(dǎo)等。3、在救援方面，可通過雙通道輸料管給被困者輸送氧氣、水、營養(yǎng)液等維持人體生命所需要的必要養(yǎng)分。4、該作品將生命探測、對話與及時救援等功能集為一體，與現(xiàn)

10、有的生命探測儀相比功能更多，更能滿足災(zāi)難后環(huán)境下的實施要求。5、控制方面完全采用無線控制。作品意義 1、能夠讓更多被困的生命重獲新生。2、解決了狹小空間對生命搜救及救援的難題。3、相比許多生命探測儀、救援人員的生命得到了保障，救援人員可遠距離控制機器人，并達到更好的探測和救援效果。4、雙通道輸料管給被困者輸送氧氣、水、營養(yǎng)液等維持人體生命所需要的必要養(yǎng)分。起到及時救援的作用，解決了眼睜睜看著被困者生命消失問題。5、能夠發(fā)現(xiàn)被困著是否存活，減小災(zāi)難后疫情發(fā)生的可能性。 第 1 章 機器人外形機械結(jié)構(gòu)設(shè)計考慮到救援環(huán)境的復(fù)雜性、惡劣性及不可預(yù)測性。在綜合各個可能采取的方案的優(yōu)缺點后，設(shè)計了一款微型

11、生命探測與救援機器人。本機器人外形主體采用圓柱形，四腳為陀螺輪，靠近尾部的兩陀螺輪為驅(qū)動輪，靠近頭部的兩輪為轉(zhuǎn)向輪，如圖3、4所示。圖 3 機器人外形主體圖 4 機器人腳（陀螺）通過分析、計算與測試，機器人換向裝置需要較大的驅(qū)動力，且采用無線電信號控制，經(jīng)過綜合考慮運用了齒輪齒條相嚙合的換向裝置，具體結(jié)構(gòu)如圖5所示：圖 5 換向裝置機器人外形主體結(jié)構(gòu)對稱，體積微小，即使翻轉(zhuǎn)，亦能在狹小空間繼續(xù)行走，適應(yīng)環(huán)境能力強。具體外形結(jié)構(gòu)方案如圖6所示： 圖 6 生命探測與救援機器人第 2 章 控制機器人行走、生命探測及對話2.1 機器人行走機器人頭部安裝有微型無線夜視攝像頭，可實現(xiàn)觀測、提供控制行走的信

12、息等功能，如圖7所示。圖 7 微型無線夜視攝像頭行走過程中，攝像頭將機器人前方及周圍所處環(huán)境的畫面?zhèn)骰赝獠恳曨l接受設(shè)備（pc），救援人員通過分析畫面來控制機器人如何行走。為了增加攝像頭在工作時的可視范圍，我們在攝像頭連接桿上設(shè)置了可擺動的機械結(jié)構(gòu)，通過外部控制，攝像頭能在四個方向上自由擺動，以增加可視范圍，達到更好的探測效果。如圖8所示。圖 8 減速傳動驅(qū)動裝置2.2 生命探測、對話救援人員運用外部控制器控制機器人行走，可通過攝像頭傳輸回的畫面來控制機器人在狹小空間里自由穿梭，同時救援人員通過畫面來觀察是否有生命存在，實現(xiàn)生命探測。通過觀察與手機的對話功能來確定被困著是否存活，對話亦能了解被困

13、著當(dāng)前所處狀況，救援人員即可選擇何種救援方案，也可給予被困著心理安撫，激發(fā)被困者求生斗志，配合救援人員實施有效救援。 圖 9 對話模塊（手機）第 3 章 生命定位與及時救援3.1 生命定位在機器人內(nèi)安裝有g(shù)ps生命定位裝置。經(jīng)過微型無線夜視攝像頭與紅外傳感器探測，發(fā)現(xiàn)生命后，救援人員即可最終確定被困著所處位置，及時開展救援工作。3.2 救援災(zāi)后如何進行有效救援是當(dāng)前一大難題，許多情況下災(zāi)難發(fā)生后由于救援工作的延緩、無法救援等眾多因素影響，眼看被困者生命在狹小的廢墟中慢慢消失。本設(shè)計中就較好的解決這方面的難題，機器人內(nèi)部安裝有雙通道輸料管，發(fā)現(xiàn)被困者后，通過控制，雙通道輸料管能及時給予被困者輸送

14、氧氣、水、營養(yǎng)液等維持人體生命所需要的必要養(yǎng)分。第 4 章 無線控制模塊控制端電路原理圖，如圖9所示，其中包含了pc機與單片機的串口通信、電平之間的轉(zhuǎn)換、以及單片機輸出控制繼電器，來達到控制無線模塊tx2和rx2的目的。圖9 控制端電路原理圖通過visual basic 軟件進行編程，建立操作管理界面，由串口控件控制，對單片機的輸出進行操作。為了讓機器人適應(yīng)環(huán)境能力更強, 達到設(shè)計的基本要求,在控制模塊中設(shè)置了機器人前后左右變換、攝像頭方位調(diào)整、通話模塊等功能的控制。隨著控制模塊的增加也使機器人實用功能更加全面。機器人無線控制發(fā)送與接收模塊：軟件管理界面如圖10所示:圖10 軟件管理界面如結(jié)束

15、語本設(shè)計中的生命探測與救援機器人成功解決了狹小空間生命探測以及及時有效生命救援的兩大社會難題。生命探測與救援機器人具有外形設(shè)計獨特、適應(yīng)環(huán)境能力強、易于操作、操作方便等特點。生命本無價，本設(shè)計中的產(chǎn)品相對現(xiàn)存的生命探測儀功能更多、更加集中，能起到的作用更大，更能滿足災(zāi)難救援現(xiàn)場的要求。機器人實用性強、安全可靠，是真正適合災(zāi)后生命探測與救援的產(chǎn)品。相信上述這些優(yōu)點對于我們設(shè)計的生命探測與救援機器人市場前景和市場競爭力都有著很大的優(yōu)勢。 致 謝光陰似箭，歲月如梭。即將畢業(yè)的我們能夠參加這次難得的創(chuàng)新設(shè)計大賽覺得意義重大，在這里千言萬語都難以表達我們心中澎湃的心情。能夠參加本次大賽是我們大學(xué)中難得的

16、機會，是對所學(xué)專業(yè)知識的一次全方位運用，是對自己能力的一種檢測與鍛煉。從我們最初的一點設(shè)想，再到我們設(shè)想的實現(xiàn)，在指導(dǎo)老師的指導(dǎo)和大力支持，我們團隊成功誕生了。從腦海的構(gòu)想至二維圖的基本完成以及無線控制方面的種種進展，我們都以笑臉相迎。經(jīng)過討論研究我們有了統(tǒng)一的想法，很快我們的構(gòu)想似乎變成了現(xiàn)實。殊不知眾多困難悄然來臨，我們的產(chǎn)品名叫“生命探測與救援機器人”，與人生命密切相關(guān)。產(chǎn)品的外形設(shè)計、可行性分析、材料的選用、如何無線控制、選擇怎樣的行走方式、怎樣實現(xiàn)我們預(yù)想的幾個重大功能等等。每一步都得做十分縝密的思考與實驗。就我們所學(xué)的知識想解決所有問題存在著眾多困難，可是在困難面前我們沒有低頭，通

17、過回顧以往所學(xué)以及查找資料，不斷的嘗試，在指導(dǎo)老師的正確指導(dǎo)下我們遇到的困難被一個個克服。功夫不負有心人，最終得到了我們預(yù)想的結(jié)果。通過參加本次機械創(chuàng)新設(shè)計大賽，使我們終身受益，本次設(shè)計是對過去所學(xué)的一次大結(jié)合。經(jīng)過指導(dǎo)老師的精心指導(dǎo)，我們提前了解到了一些將來能派上用場的專業(yè)知識，對怎樣正確設(shè)計有了一個比較明確的認識?？傊@輩子我們都不會忘記這次難得的經(jīng)歷。在這里，我們要感謝我們的指導(dǎo)老師和為本次機械創(chuàng)新設(shè)計工作的所有相關(guān)人員！附錄單片機串口接收和處理數(shù)據(jù)程序如下所示：#include <reg51.h>#define count 10 / 定義接收緩沖區(qū)大小 unsigned

18、char buffercount; /定義接收緩沖區(qū)unsigned char point; /定義接收數(shù)據(jù)個數(shù)指示變量void uart_init(); /串口初始化函數(shù) unsigned char clu_checkdata(void); /計算校驗位函數(shù)/-/ 函數(shù)名稱： uart_init()串口初始化函數(shù)/ 函數(shù)功能： 在系統(tǒng)時鐘為12mhz時，設(shè)定串口波特率為9600bit/s/ 串口接收中斷允許，發(fā)送中斷禁止/初始化串行口和波特率發(fā)生器/-void uart_init() scon =0x50; /選擇串口工作方式，且準備接收應(yīng)答信號tmod =0x20; /定時器1工作在方式2

19、th1 =0xfd; /實現(xiàn)波特率9600（系統(tǒng)時鐘11.0592mhz）tl1 =0xfd; /低8位賦初值tr1 =1; /啟動定時器t1et1 =1; /定時器t1中斷允許位es=1; /串行口中斷允許位ps=1; /設(shè)計串行接口中斷優(yōu)先級ea =1; /單片機中斷允許/-/ 函數(shù)名稱： com_interrup()串口接收中斷處理函數(shù)/ 函數(shù)功能： 接收包括起始位's'在內(nèi)的十位數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)緩沖區(qū)/-com_interrupt(void) interrupt 4 using 3 unsigned char receivr_buffer; if(ri) /串行接口接收中斷標

20、志位，硬件置位，處理接收中斷 receivr_buffer=sbuf; /接收串口數(shù)據(jù) ri=0; /軟件清除中斷標志位 p1=receivr_buffer; /將緩沖數(shù)據(jù)送至p1端口 /-/ 函數(shù)名稱： 主函數(shù)/ 函數(shù)功能： 調(diào)度各子函數(shù)，完成通信過程/- void main(void) unsigned char checkdata; do uart_init(); /調(diào)用初始化串口函數(shù) while(1); 附錄vb程序代碼如下所示：private sub form_load()combo1.text = "com1"combo1.additem "com1&

21、quot;combo1.additem "com2"combo1.additem "com3"combo1.additem "com4"mscomm1.commport = 1mscomm1.settings = "9600,n,8,1"mscomm1.inputmode = 1mscomm1.inputlen = 0mscomm1.inbuffersize = 1024mscomm1.inbuffercount = 0mscomm1.outbuffersize = 512mscomm1.outbuffercoun

22、t = 0mscomm1.rthreshold = 1mscomm1.sthreshold = 1mscomm1.portopen = trueend subprivate sub command1_click() dim a(0) as bytecommand5.backcolor = &hc0c000command6.backcolor = &hc0c000command7.backcolor = &hc0c000command8.backcolor = &hc0c000if command1.backcolor = &hc0c000 then co

23、mmand1.backcolor = &hff command2.backcolor = &hc0c000 if command3.backcolor = &hc0c000 and command4.backcolor = &hc0c000 then a(0) = &h1 elseif command3.backcolor = &hff and command4.backcolor = &hc0c000 then a(0) = &h5 elseif command3.backcolor = &hc0c000 and com

24、mand4.backcolor = &hff then a(0) = &h9 end ifelse: command1.backcolor = &hc0c000 if command3.backcolor = &hc0c000 and command4.backcolor = &hc0c000 then a(0) = &h0 elseif command3.backcolor = &hff and command4.backcolor = &hc0c000 then a(0) = &h4 elseif command3.b

25、ackcolor = &hc0c000 and command4.backcolor = &hff then a(0) = &h8 end ifend ifmscomm1.output = a()end subprivate sub command2_click()dim a(0) as bytecommand5.backcolor = &hc0c000command6.backcolor = &hc0c000command7.backcolor = &hc0c000command8.backcolor = &hc0c000if comm

26、and2.backcolor = &hc0c000 then command2.backcolor = &hff command1.backcolor = &hc0c000 if command3.backcolor = &hc0c000 and command4.backcolor = &hc0c000 then a(0) = &h2 elseif command3.backcolor = &hff and command4.backcolor = &hc0c000 then a(0) = &h6 elseif comm

27、and3.backcolor = &hc0c000 and command4.backcolor = &hff then a(0) = &ha end ifelse: command2.backcolor = &hc0c000 if command3.backcolor = &hc0c000 and command4.backcolor = &hc0c000 then a(0) = &h0 elseif command3.backcolor = &hff and command4.backcolor = &hc0c000

28、then a(0) = &h4 elseif command3.backcolor = &hc0c000 and command4.backcolor = &hff then a(0) = &h8 end ifend ifmscomm1.output = a()end subprivate sub command3_click() command5.backcolor = &hc0c000: command6.backcolor = &hc0c000: command7.backcolor = &hc0c000: command8.bac

29、kcolor = &hc0c000dim a(0) as byteif command3.backcolor = &hc0c000 thencommand3.backcolor = &hffcommand4.backcolor = &hc0c000 if command1.backcolor = &hc0c000 and command2.backcolor = &hc0c000 then a(0) = &h4 elseif command1.backcolor = &hff and command2.backcolor = &a

30、mp;hc0c000 then a(0) = &h5 elseif command1.backcolor = &hc0c000 and command2.backcolor = &hff then a(0) = &h6 end ifelse: command3.backcolor = &hc0c000: command4.backcolor = &hc0c000 if command1.backcolor = &hc0c000 and command2.backcolor = &hc0c000 then a(0) = &h

31、0 elseif command1.backcolor = &hff and command2.backcolor = &hc0c000 then a(0) = &h1 elseif command1.backcolor = &hc0c000 and command2.backcolor = &hff then a(0) = &h2 end ifend ifmscomm1.output = a() end subprivate sub command4_click()command5.backcolor = &hc0c000: comma

32、nd6.backcolor = &hc0c000: command7.backcolor = &hc0c000: command8.backcolor = &hc0c000dim a(0) as byteif command4.backcolor = &hc0c000 thencommand4.backcolor = &hffcommand3.backcolor = &hc0c000 if command1.backcolor = &hc0c000 and command2.backcolor = &hc0c000 then a(

33、0) = &h8 elseif command1.backcolor = &hff and command2.backcolor = &hc0c000 then a(0) = &h9 elseif command1.backcolor = &hc0c000 and command2.backcolor = &hff then a(0) = &haend ifelse: command3.backcolor = &hc0c000: command4.backcolor = &hc0c000 if command1.backc

34、olor = &hc0c000 and command2.backcolor = &hc0c000 then a(0) = &h0 elseif command1.backcolor = &hff and command2.backcolor = &hc0c000 then a(0) = &h1 elseif command1.backcolor = &hc0c000 and command2.backcolor = &hff then a(0) = &h2 end ifend ifmscomm1.output = a()

35、end subprivate sub command5_click() dim a(0) as byteif command5.backcolor = &hc0c000 and command1.backcolor = &hc0c000 and command2.backcolor = &hc0c000 then command5.backcolor = &hff: command6.backcolor = &hc0c000: command7.backcolor = &hc0c000: command8.backcolor = &hc0

36、c000 a(0) = &h10: mscomm1.output = a()else: command5.backcolor = &hc0c000 if command1.backcolor = &hc0c000 and command2.backcolor = &hc0c000 then a(0) = &h0: mscomm1.output = a() end ifend ifend subprivate sub command6_click() dim a(0) as byteif command6.backcolor = &hc0c000

37、and command1.backcolor = &hc0c000 and command2.backcolor = &hc0c000 then command6.backcolor = &hff: command5.backcolor = &hc0c000: command7.backcolor = &hc0c000: command8.backcolor = &hc0c000 a(0) = &h20: mscomm1.output = a()else: command6.backcolor = &hc0c000 if command1.backcolor = &hc0c000 and command2.backcolor = &hc0c000 then a(0) = &h0: mscomm1.output = a() end ifend