机器人组计划书

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1、 1瑞萨杯 2011 全国大学生电子设计竞赛开开 关关 电电 源源 模模 块块 并联系统并联系统Rescuing machine dog策划书参参赛团队赛团队：梦：梦飞扬飞扬队员队员：安：安红红宣宣 丁慧丁慧 朱朱阁阁马马春友春友 田田苏苏慧敏慧敏 弋弋伟伟国国2尊敬的评委：尊敬的评委：您好！感谢您在百忙之中阅读这篇策划书。您好！感谢您在百忙之中阅读这篇策划书。我们是来自大西北的一支创新团队，作为一名大学生，我们是来自大西北的一支创新团队，作为一名大学生，作为西部地区的一名学子，我们多么渴望让每一个人知作为西部地区的一名学子，我们多么渴望让每一个人知道，我们这些大学生是怎样关心百姓，关注国家的

2、。道，我们这些大学生是怎样关心百姓，关注国家的。随着科技的进步，机器人技术已经在新技术革命中随着科技的进步，机器人技术已经在新技术革命中成为迅速发展起来的一种高新技术，为了积极参与校园成为迅速发展起来的一种高新技术，为了积极参与校园活动和响应学校的号召，提高自身的学习积极性、创新活动和响应学校的号召，提高自身的学习积极性、创新意识和勇于实践的科学精神，特此设计了这款救机器人。意识和勇于实践的科学精神，特此设计了这款救机器人。机器人的设计是一个复杂的工作，工作量很大，涉及机器人的设计是一个复杂的工作，工作量很大，涉及的知识面很广，由于设计者水平有限，所以作品尚有许的知识面很广，由于设计者水平有限

3、，所以作品尚有许多纰漏和不足之处，请评多纰漏和不足之处，请评委指正。委指正。3设计团队设计团队：梦飞扬梦飞扬机器人简介机器人简介机器人名：机器人名： 仿生救援机器狗仿生救援机器狗机器人类型：机器人类型： 地震灾害救援地震灾害救援机器人规格：机器人规格：长长*宽宽*高（高（cm）：）：60*45* 504摘 要在世界各地，由于自然灾害和各种突发事故等原因，灾难经常发生。 在灾难救援中，救援人员只有非常短的时间(约 48 小时)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0。 在这种紧急而危险的环境下，救灾机器人可以为救援人员提供帮助。 因此，将具有自主智能的救灾机器人用于危险和复杂的

4、灾难环境下“搜索和营救” ( SAR)幸存者，是机器人学中的一个新兴而富有挑战性的领域。防灾、减灾和救灾事关人民生命和财产安全,是国家公共安全的重要组成部分，面临极其危险和恶劣的灾难救援环境, 救援机器人的参与可以有效地提高救援的效率和减少施救人员的伤亡，它们不但能够帮助工作人员执行救援工作，而且能够代替工作人员执行搜救任务 本文中设计的救援机器人具有较高的运动能力，能自动越过障碍物而且又具有较低的重心，越障时不会失去牵引力，可以实现寻迹检测，自动避障和自动排除险情并控制机械臂准确定位，通过单片机控制抢险执行开关进行抢险。 关键词: 救援机器狗，救援，避障， 单片机5第一章第一章 绪绪 论论1

5、.1 研究背景仿生学的范围很广，譬如雷达是对蝙蝠超声测距能力的模仿，而机翼使用的防震措施则借鉴了蜓蜻翅膀的结构。仿生机器人运动学是仿生学的一个很重要的发展。人类在智慧上超出动物很多，但在特定环境的适应上就要比动物差很多。虽然人发明了很多的技术弥补了这一不足，但明显可以看到，舰船的灵活性比不上鱼类，飞机的灵活性比不上鸟类甚至昆虫，车辆的地形适应性比不上四条腿的动物。仿生运动的研究可以弥补我们这方面的不足，对社会产生大的经济效益。救援机器狗的研究可以满足一些行业的需求。救援机器狗由于其天生的多关节、多自由度，多冗余自由度，可以有多种运动模式，可以满足在复杂环境中搜救、侦查、排除爆炸物等反恐任务。1

6、.2 国内外机器人发展现状及趋势1.2.1 水下仿生机器人水下机器人由于其所处的特殊环境 ,在机构设计上比陆地机器6人难度大.在水下深度控制、 深水压力、 线路绝缘处理及防漏、 驱动原理、 周围模糊环境的识别等诸多方面的设计均需考虑.以往的水下机器人采用的都是鱼雷状的外形 ,用涡轮机驱动 ,具有坚硬的外壳以抵抗水压.由于传统的操纵与推进装置的体积大、 重量大、 效率低、 噪音大和机动性差等问题一直限制了微小型无人水下探测器和自主式水下机器人的发展.鱼类在水下的行进速度很快 ,金枪鱼速度可达 105km /h,而人类最快的潜艇速度只有 84km /h .所以鱼的综合能力是人类目前所使用的传统推进

7、和控制装置所无法比拟的 ,鱼类的推进方式已成为人们研制新型高速、 低噪音、 机动灵活的柔体潜水器模仿的对象.仿鱼推进器效率可达到 70%90% ,与水的相对速度比螺旋桨推进器小得多 ,有效地解决了噪音问题.美国麻省理工学院和日本都研制出了仿鱼机器人。在国内 ,中科院沈阳自动化研究所和北京航空航天大学机器人研究所已研制了机器鱼样机.图 1 就是北京航空航天大学机器人研究所研制的机器鱼样机。美国罗克威尔公司和 IS 机器人公司研制的扫雷机器蟹 ,如图 2所示,得到了美国国防高级研究计划局及海军研究局的资助.这种扫雷机器蟹可以隐藏在海浪下面 ,在水中行走 ,也可以通过振动 ,将整个身子隐藏在泥沙中.

8、扫雷机器蟹长约 560mm,重 10 . 4kg .它还装备了多个状态传感器和集成的控制系统 ,并且每条腿都具有 2 个运7动自由度 ,当地形改变时 ,通过这些系统可迅速地调整机器人的姿态和运动方式 ,使机器人能稳定、 迅速地到达目标区域.当遇到水雷时 ,就把它抓住 ,等待控制中心的命令.一旦收到信号 ,就会自己爆炸 ,同时引爆水雷.水下机器鱼和机器蟹的灵活性远远高于现有的潜艇 ,几乎可以达到水下任何区域 ,由人遥控 ,它可轻而易举地进入海底深处的海沟和洞穴 ,可用于测绘海洋地图 ,检测水下污染 ,拍摄海洋生物.也可以悄悄地溜进敌方的港口 ,进行侦察而不被发觉.作为军用侦察和科学探索的工具 ,

9、其发展和应用的前景十分广阔分广阔.1.2.2 空中仿生机器人空中机器人即具有自主导航能力 ,无人驾驶的飞行器.这类机器人活动空间广阔、 运动速度快 ,居高临下而不受地形限制. 在军事、森林火灾以及灾难搜救中 ,前景极好.其飞行原理分为:固定翼飞行、8旋飞行和扑翼飞行.目前国内外广泛关注的微型飞行器侧重于扑翼机的研究.它模仿鸟类或昆虫的扑翼飞行原理 ,将举升、 悬停和推进功能集于一个扑翼系统 ,可以用很小的能量做长距离飞行 ,同时具有较强的机动性 ,适合于长时间无能源补给及远距离条件下执行任务.美国加州大学伯克利分校的科学家们利用仿生学原理制造出了世界上第一只能飞翔的“ 机器蝇 ” ,如图 3

10、所示他们利用一种类似玻璃纸的原料聚酰亚胺 ,造出了只有长 10mm,宽 3mm,厚 0 . 005mm 的仿生翅膀.它能够每秒钟扇动 150 下 ,而且还让机器蝇实现了绑在一根细线上的半自主飞行.其重量只有 0 . 1g,身高不到 30mm,在 100m 上空飞行 ,人们用肉眼几乎发现不了它 ,而它却可以拍出极为清晰的照片传回来.美国五角大楼对有望成为“ 微型间谍 ” 的机器蝇极为重视 ,设想机器蝇在未来战争中 ,可以进行空中侦察 ,甚至可以带上微型炸药 ,袭击指定目标.在未来的机器蝇身上 ,将安装许多传感器和微型摄像机 ,可以用来发现森林火灾 ,在灾难中搜寻废墟中的幸存者.1.2.3 地面仿

11、生机器人美国、日本、 德国、 英国、 法国等国家都开展了蛇形机器人的研究 ,并研制出许多样机.日本东京大学的 Hir ose 教授从仿生学的角度 ,在 1972 年研制了第一台蛇形机器人样机.美国卡内基 -梅隆大学近日研究出一种可以攀爬管道的蛇形机器人 ,这种蛇形机器人9大部分由轻质的铝或塑料组成 ,最大也只有成人手臂大小.机器人配有摄像机和电子传感器 ,可以接受遥控指挥.蛇形机器人可以成功上下一根塑料管道 ,并可以跨越废墟碎片间的巨大空隙以及在草丛中来去自由.让蛇形机器人在坍塌废墟中穿梭 ,能更快地找到幸存者 ,为灾难救援工作带来了技术突破.在国内 ,上海交通大学、 中科院沈阳自动化研究所、

12、 国防科技大学等单位相继研制出了蛇形机器人样机. 图 4是国防科技大学研制的蛇形机器人样机。.这条长 1200mm,直径 60mm,重 1 . 8kg 的机器蛇 ,能扭动身躯 ,在地上或草丛中蜿蜒爬行 ,可前进、后退 ,转弯和加速 ,最大前进速度可达 20m /min,披上特制的“蛇皮 ” 后还能像蛇一样在水中游泳.机器蛇头部安装有视频监视器 ,可以将机器蛇运动前方的情况实时传输到电脑中 ,科研人员则可根据实时传输的图像观察运动前方的情景 ,不断向机器蛇发出各种遥控指令.101.2 . 4 仿人机器人自 1983 年以来 ,美国研制出一系列 7 自由度拟人单臂和双臂一体机器人 ,并已用于空间站

13、实验.1986 年美国犹他州大学工程设计中心研制成功了著名的 UT AHM IT 灵巧手 ,该手有 4 指 ,拇指 2关节 ,其余 3 指各有 3 关节 ,手指关节绳索驱动并设有张力传感器. 1990 年由贝尔实验室完成了灵巧手的软硬件控制系统 ,并模拟人手的拿、 夹、 抓、 握物体等多种动作进行了实验. 1992 年日本进行多指仿人手臂真实作业的研究 ,系统由主从手臂及传感控制系统组成 ,其灵巧手有 4 指 ,每指有 3 个关节 ,手具有 14 个自由度.随着多指灵巧手研究的发展 ,具有灵巧手的仿人臂及其系统的研究愈来愈受到重视.日本本田公司和大阪大学联合推出的 P1、 P2 和 P3 型仿

14、人步行机器人 ,将仿人机器人的研究推向一个崭新的高度.在 P3的基础上本田公司又研制了“Asi mo” 智能机器人 ,如图 6 所示 6 .“Asi mo” 机器人高 1 . 2m,体重 43kg,它可以爬楼梯 ,以 6km /h的速度奔跑 ,可以识别各种各样的声音 ,还能够通过头部照相机捕捉到的画面和事先设计好的程序识别人类的各种手势运动以及 10 种不同的脸型 ,可以和人手拉着手走路 ,使用手推车搬运物品等.国内一些科研院所也进行了仿人机器人的研究.北京航空航天大学机器人研究所在国家 “ 863“智能机器人主题支持下 ,研制出了能实现简单抓持和操作作业的 3 指 9 自由度灵巧手.哈尔滨工

15、业大学机11器人研究所研制了高灵活性的仿人手臂及拟人双足步行机器人 ,其仿人手臂具有工作空间大、 关节无奇异姿态、 结构紧凑等特点 ,通过软件控制可实现避障、 回避关节极限和优化动力学性能等.双足步行机器人为关节式结构 ,具有 12 个自由度 ,可以完成仿人步行的动作.1.2 . 5 生物机器人生物机器人即活体生物的人工控制 ,是生物学、信息学、 测控技术、 微机电系统技术高度发展并互相的产物.世界各国早已开展利用动物作战的研究 ,如训练狗钻入敌方要地将其炸毁 ,或利用海豚侦察潜艇等.现在更多的国家都在研究将微型传感器安装到动物的身上 ,使其进入人类无法到达的地方。.1995 年 ,日本东京大

16、学的 Shi moyama 教授领导的课题组研究蟑螂的控制技术 ,即把蟑螂头上的探须和翅膀切除 ,插入电极和微处12理器以及红外传感器,通过遥控信号产生电刺激 ,使蟑螂向特定的方向前进 ,如图 7所示。2002 年 ,美国纽约州立大学通过在老鼠体内植入微控制器 ,成功实现对老鼠的转弯、 前进、 爬树和跳跃等动作的人工控制. 国内的南京航空航天大学仿生结构与材料防护研究所在研制仿壁虎机器人的同时也在研究壁虎的人工控制技术 ,把微电极植入壁虎体内 ,通过电刺激模拟神经 ,来控制其运动。第二章第二章 系统总体方案的设计系统总体方案的设计移动机构作为救灾机器人的移动载体,必须具备以下特点:一定的移动速度和低能耗;良好的姿态稳定性和高运动精度;能够适应各种各样的地理环境,有一定的爬坡和越障能力。现有的救灾机器人移动机构主要有:无肢运动(以蛇形机器人为主) 、轮式、腿式、轮腿式和履带式等。 蛇形机器人具有运动稳定性好、适应地形能力强和高的牵引力等特点,但多自由度的控制困难,运动速度低;轮式机器人具有13结构简单、重量轻、轮