智能搶險救災履帶式機器人 - 下載本文

摘 要

智能搶險救災履帶式機器人是一種具有可變形的多履帶的機器人平臺。它集成了機械工程、電子技術、智能控制、計算機科學等多學科領域先進研究成果,可應用于諸如地震、火災等災害的救援,能為決策指揮者提供包括現場實時視頻、現場環境溫濕度以及是否有生命跡象等信息。

本論文研究工作的目的是設計具有高通過性的、能攜帶多種救援設備的、具有可變形履帶的智能機器人。該機器人采用模塊化設計,便于根據不同任務添加不同配置,而且易于維修和保養。本設計采用了具有減震設計的可變形履帶雙車體結構,提高了機器人在復雜路況中的可通過能力。CAN(Controller Area Network)總線和多傳感器信息融合技術的應用使得機器人具有高度的自主決策能力,可在人員不便到達或者遠程遙控不起作用的環境中提供重要幫助。

本論文通過分析國內外經典的設計方案,從機器人的運動原理、運動結構、智能控制和功能分析等幾個方面展開研究。機器人的設計過程是,先利用機械工程原理設計出機器人移動底盤,然后在此基礎上通過CAN總線,利用多傳感器信息融合技術把分布在機器人車體各處的傳感器連接起來,實現智能控制。

關鍵詞:可變形; 模塊化; 智能控制; CAN總線; 信息融合

I

ABSTRACT

Intelligent emergency rescue and disaster relief caterpillar robot is one kind has the variability of the robot platform caterpillar. It integrates mechanical engineering, electronic technology, intelligent control, computer science science field advanced research achievements, can be used in applications such as earthquake and fire disaster rescue, can provide real-time field commanders decision-making include video, the environment temperature and humidity and whether any sign of life and other information.

This paper studies the purpose of the work is designed with high through the ability, carries a rescue equipment, has the variability of the crawler intelligent robot. The robot using modular design, facilitate according to different tasks adding different configuration, and easy to repair and maintenance. The design USES a earthquake-reduction design can double car body structure deformation crawler, improve the robot in the complex of the road by ability. CAN bus and the multi-sensor information fusion technology application makes robot are highly autonomous decision-making ability, CAN be in personnel arrive or inconvenience remote-guided doesn't work environment to provide important help.

This thesis analyzes the classic design at home and abroad, from the movement principle, movement structure, intelligent control and functional analysis of several aspects. The design process of the robot is that,first use the mechanical engineering principle to design the robot move chassis, and then based on this through the CAN bus, using multi-sensor information fusion technology in the distribution of robot body sensors everywhere,realizing intelligent control.

Keywords: variability; modular; intelligent control; CAN bus; information fusion

II

目 錄

摘 要 ....................................................................................................................................I ABSTRACT ......................................................................................................................... II 目 錄 ................................................................................................................................. III 1.緒論 .................................................................................................................................... 1

1.1課題研究背景和意義 ............................................................................................. 1

1.1.1課題研究背景 .............................................................................................. 1 1.1.2 課題研究意義 ............................................................................................. 1 1.2國內外研究綜述 ..................................................................................................... 1

1.2.1 國內研究概況 ............................................................................................. 1 1.2.2 國外研究概況 ............................................................................................. 2 1. 3 本文主要研究內容 ............................................................................................... 4 2.智能履帶式機器人的行走結構設計方案 ........................................................................ 6

2.1典型行走機構分析 ................................................................................................. 6 2.2智能履帶式機器人行走結構 ............................................................................... 10

2.2.1 機器人運動原理 ....................................................................................... 10 2.2.2 機器人運動狀態分析 ............................................................................... 10 2.2.3 機器人性能指標分析 ............................................................................... 11

3.機器人行走控制系統設計 .............................................................................................. 14

3.1總體設計方案 ....................................................................................................... 14

3.1.1 行走結構控制設計 ................................................................................... 14 3.1.2 機器人模塊化控制系統 ........................................................................... 17 3.2機器人傳動系統設計 ........................................................................................... 26

3.2.1行走驅動方案設計 .................................................................................... 26 3.2.2履帶變形方案設計 .................................................................................... 28 3.3 機器人驅動功率分析 .......................................................................................... 31

3.3.1 機器人行駛阻力計算 ............................................................................... 31 3.3.2 機器人電機及其驅動模塊 ....................................................................... 32

4.智能移動機器人關鍵技術 .............................................................................................. 33

4.1 多傳感器信息融合技術 ...................................................................................... 33 4.2 傳感器技術 .......................................................................................................... 39

III

4.3 無線技術 .............................................................................................................. 42 4.4 智能移動機器人技術在本設計中的具體應用 .................................................. 43 5.搶險救災機器人功能分析 .............................................................................................. 44

5.1機器人在搶險救災中的應用分析 ....................................................................... 44

5.1.1機器人在搶險救災中的應用研究 ............................................................ 44 5.1.2典型的機器人在搶救援中的具體應用分析 ............................................ 48 5.2機器人搭載的搶險救災儀器分析 ....................................................................... 49 5.3 本設計搭載設備分析 .......................................................................................... 50 6.總結與展望 ...................................................................................................................... 51

6.1 總結 ...................................................................................................................... 51 6.2 展望 ...................................................................................................................... 51 致 謝 ................................................................................................................................. 53 參考文獻 ............................................................................................................................. 54 附錄 ..................................................................................................................................... 57

IV

1.緒論

1.1課題研究背景和意義

1.1.1課題研究背景

在世界各地,由于自然災害、恐怖活動和各種突發事故等原因,災難經常發生。在災難救援中,救援人員只有非常短的時間用于在倒塌的廢墟中援救幸存者。實際經驗表明,超過48小時后被困在廢墟中的幸存者存活的概率變得越來越低。由于災難現場情況復雜,在救援人員自身安全得不到保證的情況下是很難進人現場開展救援工作的,此外,廢墟中形成的狹小空閥使得救人員甚至搜救犬也無法進入。在這種緊急而危險的環境下,將具有自主智能的救災機器人用于危險和復雜的災難環境下“搜索和營救”(SAR)幸存者,是機器人學中的一個新興而富有挑戰性的研究課題。救災機器人可以在災難發生后第一時間進人災難現場尋找幸存者,對被困人員提供基本的醫療救助服務,進入救援人員無法進入的現場搜集有關信息并反饋給救援指揮中心等。在近期發生的地震,泥石流,煤礦安全事故,火災,化學危險品和放射性物質泄漏以及燃燒等災難的救援中中,機器人正在發揮越來越大的作用。

1.1.2 課題研究意義

為了滿足救援的工作需要,國內外很多研究機構開展了大量的研究工作,可在災難現場廢墟中狹小空間內搜尋的各類機器人如可變形多態機器人、蛇形機器人等相繼被開發出來。為了能更好的進行搶險救災工作,通過對近些年國內外出現的各種救災機器人的研究,以及在實際中的使用情況的了解,結合最新的機器人救災技術,開發出一款具有高度智能化的多功能的搶險救災履帶式機器人。

1.2國內外研究綜述

1.2.1 國內研究概況

我國的機器人研究相對開始較晚。先后經歷了上世紀70年代的萌芽期,80年代的開發期和90年代的適用化。

我國大約有30家左右的高等院校和研究院所在從事各類機器人的研究工作,在40多年來,已在機器人的感覺識別,操作、移動技術,人機接口技術,智能化技術

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