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6通訊排障機(jī)器人設(shè)計思路……………………………………………………………11 6.1通訊方面……………………………………………………………………………12 6.2電力方面……………………………………………………………………………13 6.3地面廢墟方面………………………………………………………………………13 6.4通訊排障機(jī)器人的設(shè)計……………………………………………………………14 7通訊排障機(jī)器人的擴(kuò)展………………………………………………………………18 7.1思路介紹……………………………………………………………………………19 8通訊排障機(jī)器人個部位介紹及其運(yùn)動分析…………………………………………20 8.1履帶…………………………………………………………………………………20 8.1.1履帶穩(wěn)定性分析…………………………………………………………………21 8.2后背儲存箱…………………………………………………………………………23 8.3空降設(shè)備……………………………………………………………………………24 8.4雷達(dá)裝置……………………………………………………………………………25 8.4.1雷達(dá)支架氣動部分設(shè)計…………………………………………………………25 8.5小型遙控探索機(jī)器人………………………………………………………………27 8.5.1小型遙控探索機(jī)器人力學(xué)分析…………………………………………………28 結(jié)束語 ……………………………………………………………………………… 31 致謝 ……………………………………………………………………………………32 1 引言 隨著地球進(jìn)入地球板殼的活躍期和人類對環(huán)境的肆意破壞?，F(xiàn)在世界上各種各樣的災(zāi)難越來越多，發(fā)生頻率也越來越高，地震、海嘯、雪災(zāi)、火山爆發(fā)等等災(zāi)難也頻頻發(fā)生。當(dāng)災(zāi)難來臨時候，通常會對災(zāi)區(qū)產(chǎn)生許許多多的破壞，就拿地震來說，當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生后，房屋的倒塌，地面的開裂。還有供電設(shè)備、通訊設(shè)備、等被破壞。食品問題，衛(wèi)生問題，救援問題，通訊問題，等等問題困擾著人們。因此人們想盡辦法，想讓救援變得更加快速、更加準(zhǔn)確、更加科學(xué)、更加有效。但是要做到這些，就要必須保障信息之間的互相傳送的順暢，因為這樣能及時了解災(zāi)區(qū)受災(zāi)情況和災(zāi)區(qū)還需要一定的電力，才能保證醫(yī)療等設(shè)備的正常運(yùn)作。 摘要 就因為有了這些所需要克服的困難，我們所構(gòu)想的通訊排障機(jī)器人從此就產(chǎn)生了。它能給災(zāi)區(qū)提供信號，保證通話和數(shù)據(jù)信息的傳輸，它還具有太陽能發(fā)電功能，能給災(zāi)區(qū)在夜間進(jìn)行照明，并且提供電力，而我設(shè)計的通訊排障機(jī)器人擴(kuò)展模塊，對通訊排障機(jī)器人進(jìn)行了改良，它可以進(jìn)行遠(yuǎn)距離空投，還具有小型生命探測機(jī)器人，還能進(jìn)行地面的勘察。 關(guān)鍵詞 災(zāi)難 救援 通訊 電力供應(yīng) 機(jī)器人 1．1慧魚組合模型簡介 “慧魚組合模型”（Fischertechnik），又簡稱“慧魚”，是由德國發(fā)明家Arthur Fischer 博士在1964 年從其專利“六面拼接體”的基礎(chǔ)上發(fā)明的。它由各種型號和規(guī)格的零件構(gòu)成，類似于積木。零件的種類很多，幾乎包括了機(jī)械課程和日常生活中的所有零件，如機(jī)械零件：連桿、凸輪、齒輪（普通齒輪、錐齒輪、斜齒輪、內(nèi)嚙合齒輪、外嚙合齒輪等）、蝸輪、蝸桿、螺桿、鉸鏈、帶、鏈條、軸（直軸和曲軸）、聯(lián)軸器、彈簧、減速器、齒輪箱、車輪等；電氣零件：直流電機(jī)、燈泡、電磁氣閥、行程開關(guān)、傳感器（光敏、熱敏、磁敏、觸敏）、可調(diào)直流變壓器、電腦接口板、PLC 接口板、紅外線發(fā)射接收裝置等；氣動零件：儲氣罐、汽缸、活塞、氣彎頭、手動氣閥、電磁氣閥、氣管等。 由這些零件的不同組合便可構(gòu)造出各式各樣的模型，這些模型主要可分為兩大類：技術(shù)組和機(jī)器人組。技術(shù)組又包括傳感器技術(shù)組、氣動技術(shù)組、汽車技術(shù)組、太陽能技術(shù)組、萬能組合包。機(jī)器人組又包括3D 機(jī)器人、計算機(jī)器人、實驗機(jī)器人、工業(yè)機(jī)器人、移動機(jī)器人和氣動機(jī)器人。 在慧魚實驗過程中，通過對各類模型的認(rèn)識和組裝，從而可以熟悉并掌握各類機(jī)械設(shè)備和自動化裝置的常用結(jié)構(gòu)和工作原理。在模型的組建中，將運(yùn)用到機(jī)械加工、氣動技術(shù)、電子電路和軟件編程等知識，從而加深了對這些相關(guān)課程的理解。另外通過慧魚模型的搭建和組裝也培養(yǎng)了實際動手的能力、解決實際問題的能力和創(chuàng)新設(shè)計的能力。 慧魚組合模型實驗與傳統(tǒng)實驗比較 與傳統(tǒng)實驗相比較，慧魚組合模型實驗主要具有如下幾個特點： 1．實踐性更強(qiáng)，提高動手能力 在傳統(tǒng)實驗里，主要是課程中的具體原理或理論的驗證性實驗，如機(jī)械原理中齒輪范成實驗，主要是為了驗證齒輪的加工原理；再如機(jī)械設(shè)計中的帶傳動實驗主要是為了驗證帶傳動中的兩個重要的現(xiàn)象——彈性滑動和打滑。這些傳統(tǒng)型實驗更好的理解課本的理論知識有很大的幫助，具有課本結(jié)合性強(qiáng)的特點。 而在慧魚組合模型里，主要是一些工程應(yīng)用中的實際模型，與實際工程結(jié)合較為緊密，如在萬能組合包中，有風(fēng)扇、虎鉗、機(jī)械式起重機(jī)和建筑式起重機(jī)等模型，這些模型都是日常生活中的實例，較為真實的“再現(xiàn)”了這些具體的設(shè)備或儀器。這些模型的工作原理基本上都用到了書本中的理論知識，從中可以很清楚地看到理論與實際的具體結(jié)合，因此具有更強(qiáng)的實踐性。 2． 知識面更廣，培養(yǎng)綜合素質(zhì)人才 而在慧魚實驗中，實驗的內(nèi)容涉及面極廣，不僅包括傳統(tǒng)機(jī)械相關(guān)的實驗內(nèi)容，而且還涉及到了能源(包括太陽能)、氣動、遙控（如傳感器技術(shù)）、自動控制（PLC 控制、單片機(jī)控制）、軟件編程（慧魚公司自帶的編輯軟件LLWin 3.01 ）等多學(xué)科的知識，最重要是它能夠把這些很好地知識結(jié)合起來，并體現(xiàn)到某個模型中。如在烘干機(jī)實驗中，這個模型實驗就是很好的模仿了公共場所的烘干機(jī)，當(dāng)把手放到風(fēng)扇出口處，風(fēng)扇就會開始旋轉(zhuǎn)，對手進(jìn)行烘干；當(dāng)把手拿走時，風(fēng)扇就停止旋轉(zhuǎn)。在這個實驗中就用到了機(jī)械知識（機(jī)械的齒輪傳動），自動控制知識（電路和傳感器應(yīng)用）和軟件編程知識（控制軟件的編制）。 通過慧魚實驗不僅能夠掌握機(jī)械的主要知識，而且還可以了解到其他專業(yè)的基本知識，這樣就拓寬了他們的視野和知識面，有利于培養(yǎng)出高素質(zhì)的綜合類人才。 3． 創(chuàng)新性更高，增加研究性思維 如前所述，傳統(tǒng)型的實驗具有驗證性的特點，更注重的是對已學(xué)理論知識的驗證和理解，而且所涉及的內(nèi)容主要是機(jī)械相關(guān)的內(nèi)容，這樣就大大的限制了學(xué)生的想象和創(chuàng)意的空間，不利于學(xué)生的創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。 2 救援機(jī)器項目的研究意義 在世界各地，由于自然災(zāi)害、恐怖活動和各種突發(fā)事故等原因，災(zāi)難經(jīng)常發(fā)生。災(zāi)難過后，災(zāi)后７２小時是救援的關(guān)鍵時間。救援界認(rèn)為，在地震等自然災(zāi)害發(fā)生后，災(zāi)后最初的７２小時是能否成功解救被困人員的最佳時間。在此時間段內(nèi)，救活的存活概率極高。而隨著時間的推移，被壓埋者體力透支、心情絕望，生存希望變得渺茫。據(jù)統(tǒng)計，地震救援的最佳時間，應(yīng)該是震后第一天，此后埋壓人員的生還概率迅速下降。如果越拖越后，到后面，除非出現(xiàn)奇跡，否則幾乎沒有生還希望。 而且對于我們中國來說，人口密集度大，加上現(xiàn)在的土地越來越少，現(xiàn)在的建筑物都開始往高里面建造，還有地下面也開使開發(fā)，地鐵，地下商場，還有大型的商貿(mào)場所，文化娛樂中心這些的迅猛發(fā)展，城市里面的建筑物也不斷的增加。萬一地震發(fā)生在城市的中心，后果不堪想象。 地震后存在易二次倒塌建筑物的現(xiàn)場，施救人員無法深入進(jìn)行偵察或施救，人們急于探知災(zāi)難現(xiàn)場的內(nèi)部險情，但又不敢或無法接近或進(jìn)入災(zāi)難現(xiàn)場。此時，救援機(jī)器人的參與可以有效地提高救援的效率和減少施救人員的傷亡，它們不但能夠幫助工作人員執(zhí)行救援工作，而且能夠代替工作人員執(zhí)行搜救任務(wù)，在災(zāi)難救援中起著越來越重要的作用。 房屋倒塌，地面裂痕，救援人員在在這種緊急而危險的環(huán)境下，救災(zāi)機(jī)器人可以為救援人員提供幫助。 因此，將具有自主智能的救災(zāi)機(jī)器人用于危險和復(fù)雜的災(zāi)難環(huán)境下“搜索和營救” ( SAR)幸存者，是機(jī)器人學(xué)中的一個新興而富有挑戰(zhàn)性的領(lǐng)域。 我國一些地方建筑由于利益的驅(qū)動，使建筑商所建筑的房子的抗震級素很低，質(zhì)量問題很嚴(yán)重，不安全因素很多，萬一地震了，火災(zāi)、煤氣管道的泄露，很容易發(fā)生爆炸或者大火。現(xiàn)在的災(zāi)害事故頻繁發(fā)生，災(zāi)害事故危害嚴(yán)重，傷害人員多。然而災(zāi)難發(fā)生的原因極為復(fù)雜，是偶然性和必然性的結(jié)合，各類災(zāi)害事故存在突發(fā)性、災(zāi)難性、破壞性和繼發(fā)性特點。因此，研究地震救災(zāi)新裝備是一項緊迫任務(wù)。 有的地震發(fā)生后，災(zāi)區(qū)情況完全不清楚，里面通訊完全中斷，要是現(xiàn)在救護(hù)人員無法進(jìn)入危險區(qū)域，被埋人員有可能只能等著死神的來臨了。要是完全靠救援人員進(jìn)行救援的話。余震，救援人員體力不支，心理問題等一系列問題還會對救援人員造成傷害，撇開這些不說，救援人員也需要休息，不可能24小時不間斷不停歇，不吃飯，不喝水的工作下去。隨著科技的發(fā)展，機(jī)器人將被應(yīng)用到各種救災(zāi)領(lǐng)域。 救災(zāi)機(jī)器人利用自身的優(yōu)點，能迅速找到被埋人員的位置，降低事故危害性，對提高救災(zāi)效率具有重大意義。 2.1 城市地震救援面臨的困難 城市搜索與救援這個概念脫胎于城市地震災(zāi)害緊急援救，包括定位，營救和對狹小空間中受災(zāi)者進(jìn)行醫(yī)療急救。目前，城市搜救工作已擴(kuò)展到對山體滑坡、火山爆發(fā)、海嘯以及恐怖主義襲擊事件。 倒塌建筑物造成的生存空間非常狹小，以至于許多情況下搜索人員和搜索犬不能進(jìn)入，使搜索范圍限制在倒塌建筑物表面范圍?，F(xiàn)在城市里面高樓大廈可謂是無處不見，要是地震了，高層建筑物的倒塌，人員被埋，在倒塌后，靠近外面的被困人員相對于被埋人員來說較容易的獲救，而再廢墟深處的人員就難以被救援人員發(fā)現(xiàn)并且去拯救他，但是在現(xiàn)在機(jī)器人人技術(shù)的誕生和技術(shù)的發(fā)展給人們帶來了希望。 在2001年9月11日的時候，機(jī)器人在世貿(mào)中心襲擊事件中的應(yīng)用，取得了不錯的效果。 圖1 SEA-RAI可在水上疾馳以檢查受損的橋并渡運(yùn)可發(fā)射的浮空機(jī)器人。 圖2 INUKTUN EXTEREME 可穿越困難地形以向生還者發(fā)出雙路音頻。 圖3 CATERPILLAR 可在瓦礫中蜿蜒行進(jìn)，頂部帶有攝像頭可尋找生還者。 2.2 救援隊面臨的困難 實踐表明，在救援人員在現(xiàn)場實施救援過程中存在著許許多多的各種限制和困難例如： 1．當(dāng)救援人員進(jìn)入災(zāi)區(qū)倒塌的房屋廢墟上，或者在廢墟上搭建一些設(shè)備比如說傳感器、支撐架，或者救援隊員的體重和移動也可能會引起建筑物的進(jìn)一步倒塌，因此救援隊員必須在結(jié)構(gòu)工程師進(jìn)行評估之后才能進(jìn)入。 在這次汶川大地震的時候，一個七層的學(xué)生公寓在完整的情況下，受到余震后發(fā)生傾倒，雖然建筑物結(jié)構(gòu)完整，但建筑物也可能隨時發(fā)生破壞，救援人員進(jìn)入建筑物將有巨大風(fēng)險。此外，大型的教學(xué)樓由于樓層的疊狀倒塌使救援工作更加困難。救援人員只能通過表層進(jìn)入建筑物，而這種倒塌限制救援隊員進(jìn)入底層部分，由于建筑物局部不嫩夠支撐救援人員在建筑物上的活動，很有可能進(jìn)行進(jìn)一步的倒塌的危險。而救援人員可能由于建筑物倒塌造成壓埋，所以不穩(wěn)定的倒塌結(jié)構(gòu)需要經(jīng)過支撐加固后，救援隊員才能夠安全進(jìn)入。這個過程又需要時間，而對于災(zāi)區(qū)來說時間就是生命！ 2．救援人員無法進(jìn)入狹窄和不穩(wěn)定的建筑物。由于人身體結(jié)構(gòu)的因素，我們不能進(jìn)入狹小的空間。對那些被困人員也無法施救，就拿汶川地震來說，有些死著被復(fù)雜的建筑物給埋了，進(jìn)去的空間非常狹小，不能對其施救，導(dǎo)致搜救犬發(fā)現(xiàn)被困人員后，救援人員無法對其施救，最后還是死在廢墟之中。 3.由于需要進(jìn)入的空間無光，或者自然光很弱，救援人員需要裝備的幫助才行，像這樣一些礦工頭盔，可旋轉(zhuǎn)的光學(xué)搜索儀等物品來搜救，這樣以來救援人員很容易疲勞，一旦疲勞了就會使救援人員反映慢，有可能忽略了沒有知覺的受困著[1]。 2.3 機(jī)器人在救災(zāi)方面的優(yōu)勢 現(xiàn)在的機(jī)器人在城市救援和搜救中有很大的優(yōu)勢，隨著現(xiàn)代機(jī)器人發(fā)展迅猛，機(jī)器人的技術(shù)也越來越成熟其優(yōu)點主要表現(xiàn)在： 1．房子倒塌后，機(jī)器人可以立刻工作，可以馬上對幸存者進(jìn)行搜救，為搜救工作節(jié)約時間。機(jī)器人是由電子儀器和其他材料制成的，具有可復(fù)制性，即使機(jī)器人發(fā)生意外，仍然可以制造出具有相同功能的機(jī)器人。 2．機(jī)器人它可以進(jìn)入平常難以達(dá)到的空間。能讓搜救人員知道廢墟下的情況，是不是值得去救援，建筑物倒塌后就會產(chǎn)生各種各樣的空間，通過機(jī)器人進(jìn)去后找出幸存者的位置，然后通過信號告知給地面人員，讓地面人員可以知道幸存者位置，然后進(jìn)行施救?，F(xiàn)在這種機(jī)器人已經(jīng)有了，例如SHIGEO HIROSE研制出的一種三自由度的爬行機(jī)器人，他可以在彎曲的廢墟中爬行，也能在平坦的路面爬行[2]。 圖4 機(jī)器人Souryu 3．機(jī)器人可以攜帶多種傳感器，可以搭建在機(jī)器人身上，可以很方便的探測幸存者空間狀況，在機(jī)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，提高工作效率和可靠性。搜救機(jī)器人可以攜帶溫度探測器，探測人體溫度，給機(jī)器人一個引導(dǎo)，在運(yùn)用其他的探測，等配合后，經(jīng)過分析后向救援人員提出意見和建議。 圖5 機(jī)器人測量脈搏 4．紐約世貿(mào)中心襲擊事件中，機(jī)器人在搜救過程中發(fā)揮了很大的作用，在最初的10天里，機(jī)器人幫助紐約消防局和聯(lián)邦緊急事件管理局小組找到了至少5位受災(zāi)者，這些受災(zāi)者都是機(jī)器人在人和搜救犬不能進(jìn)入得空間找到的[3-4]。 3 救災(zāi)機(jī)器人研究現(xiàn)狀 近年來，特別是“9.11”事件以后，世界上許多國家開始從國家安全戰(zhàn)略的角度研制出各種反恐防暴機(jī)器人、災(zāi)難救援機(jī)器人、工業(yè)機(jī)器人、等一些危險作業(yè)機(jī)器人用在了災(zāi)難的防護(hù)和救援上面。同時現(xiàn)在救援機(jī)器人也有著潛在的應(yīng)用背景和市場，一些公司也介入了救援機(jī)器人的研究與開發(fā)。此外，一些機(jī)器人比賽也增加了機(jī)器人救援競賽的比賽項目，比如說，這次我們參加的“第四屆全國大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計大賽慧魚組（2010）競賽”為救援理論和技術(shù)提供仿真研究的試驗平臺。目前，災(zāi)難救援機(jī)器人技術(shù)正從理論和試驗研究開始慢慢的向大學(xué)生，向?qū)嶋H應(yīng)用開始發(fā)展。在災(zāi)難中和災(zāi)難的救援中，機(jī)器人作為一種有效的手段，將成為社會基礎(chǔ)建設(shè)中不可缺少的部分。 4 國內(nèi)外的救援機(jī)器人研究現(xiàn)狀 4.1 日本 日本他是一個地震率非常高的一個國家。它處于地球板塊的活躍板塊，日本在救援機(jī)器人方面開展了相對全面的工作。自從日本有次，有名的阪神大地震開始后的十幾年時間里面，日本在災(zāi)難援救防護(hù)方面已經(jīng)形成了完備的國家體系。這一點值得我們國家學(xué)習(xí)和借鑒，其實日本早在以前就確立了“大都市大震減災(zāi)特別計劃”以研究如何盡量減少人、物等災(zāi)害損失為目的，研究地震防災(zāi)對策的理論科學(xué)和基本技術(shù)，進(jìn)一步開發(fā)在地震中使用救援機(jī)器人，其中很多人很多單位參加了這個項目，包括，大學(xué)、公司還有國家機(jī)關(guān)等。主要研究災(zāi)難中的機(jī)器人系統(tǒng)、傳感技術(shù)、人類控制技術(shù)、和系統(tǒng)集成。 日本東京工業(yè)大學(xué)是最早從事救援機(jī)器人研究的的大學(xué)之一，他們從仿生學(xué)的角度和基于超機(jī)械系統(tǒng)的思想后研制了“ACM”“GENBU”“SOTYU”等多系類救援機(jī)器人樣機(jī)，在仿生機(jī)械及災(zāi)難救援應(yīng)用研究方面，有了卓越的研究成果。圖6為日本東京工業(yè)大學(xué)研制的部分機(jī)器人 圖6日本東京工業(yè)大學(xué)研制的部分機(jī)器人 圖7多節(jié)履帶 日本東京工業(yè)大學(xué)，還提出了一種新的救援機(jī)器人平臺，如圖7，這個機(jī)器人由多節(jié)履帶車連接而成的，它能進(jìn)入狹窄的空間，相鄰單元之間由2個主動的自由度關(guān)節(jié)連接或3隨動自由度關(guān)節(jié)連接[5]，具有很多好的越障能力和地面適應(yīng)能力。 4.2 美國 在“9.11”事件后，災(zāi)難救援機(jī)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(jī)器人的第一次實際應(yīng)用。在紐約世界貿(mào)易中心受到恐怖襲擊發(fā)生后的幾個小時，美國“機(jī)器人輔助搜救中心”立即組織了一支由機(jī)器人專家和生產(chǎn)廠家技術(shù)人員構(gòu)成的隊伍，攜帶可以使用的機(jī)器人，趕赴世貿(mào)中心廢墟現(xiàn)場，想救援部隊，提供了技術(shù)支持，其中有圖8的PACKBOT，圖9的SOLEM 圖8 PACKBOT 圖9 SOLEM 在美國。多個高校的研究中心，國家研究機(jī)構(gòu)和公司也同時進(jìn)行了救援機(jī)器人的研究，南佛羅里達(dá)大學(xué)在乃救援機(jī)器人研究中心研制出圖10所示的安裝有醫(yī)學(xué)傳感器的救援機(jī)器人。這種機(jī)器人底部采用可變形履帶驅(qū)動具有較高的運(yùn)動和探測能力，同時機(jī)器人能在災(zāi)難現(xiàn)場獲取幸存者的生理信息和環(huán)境信息，并將其傳送到外界。 圖10 安裝有醫(yī)學(xué)傳感器的救援機(jī)器人 圖11 所示的救援機(jī)器人URBIE系列是美國DARPA高技術(shù)辦公室支持的戰(zhàn)術(shù)移動機(jī)器人計劃中，有JPL\IROBT\CMU\USC多家單位共同研制的災(zāi)難救援機(jī)器人。URBIE研制的初衷是用于城市的軍用和警用，但是他童言能夠用于城市災(zāi)難環(huán)境的探測和救援作業(yè)，特別是采用輪、腿、履帶復(fù)合式的移動機(jī)構(gòu)是機(jī)器人具有更強(qiáng)的運(yùn)動能力。 圖11 救援機(jī)器人URBIE系列 4．3 中國 在我國，一些專家學(xué)者也意識到了災(zāi)難救援等危險作業(yè)機(jī)器人技術(shù)研究的重要性，國內(nèi)的許多高校和研究所在海難救援機(jī)器人、自主救援無人機(jī)和地面一定特種作業(yè)機(jī)器人等救援機(jī)器人技術(shù)方面開展了研究。 對災(zāi)難救援而言，在消防機(jī)器人研究方面已經(jīng)取得了顯著的成績。由公安部傷害消防研究所、上海交通大學(xué)、和傷害消防局三家單位共同承擔(dān)的國家863項目圖12“履帶式、輪式消防滅火機(jī)器人”研制成功并順利通過國家驗收。消防滅火機(jī)器人，是一種結(jié)合多種消防手段為一體的新型消防設(shè)備。 圖12 履帶式、輪式消防滅火機(jī)器人 在836計劃的資助下，中國科學(xué)院沈陽自動化研究所開展了多項危險作業(yè)和極限作業(yè)機(jī)器人研究，其中救援機(jī)器人是重要的一部分。圖13a為蛇形機(jī)器人樣機(jī)，旨在用于非結(jié)構(gòu)環(huán)境中探測和災(zāi)難救援作業(yè)。該蛇形機(jī)器人可以根據(jù)地面狀況采用蜿蜒、伸縮、側(cè)移和翻滾等多種運(yùn)動步態(tài)，在監(jiān)控系統(tǒng)控制的無線控制下，具有一定的三維運(yùn)動能力，并可通過安裝在蛇頭上的微型攝像頭蔣現(xiàn)場圖像傳回監(jiān)控系統(tǒng)。 圖11 沈陽自動化研究所研究的機(jī)器人 5 機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢 從機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展水平來看，機(jī)器人主要經(jīng)歷了簡單的可編程機(jī)器人，低級智能機(jī)器人和高級智能機(jī)器人三代。 機(jī)器人有幾個方面是我們有必要去發(fā)展的理由:一個是機(jī)器人干人不愿意干的事，比如說從事，有毒的、有害的、高溫的或危險的，把人從這樣的危險的環(huán)境中解放出來，同時機(jī)器人可以干不好干的活，比方說在汽車生產(chǎn)線上我們看到工人天天拿著一百多公斤的焊鉗，一天焊幾千個點，就重復(fù)性的勞動，一方面他很累，但是產(chǎn)品的質(zhì)量仍然很低；另一方面機(jī)器人干人干不了的活，這也是非常重要的機(jī)器人發(fā)展的一個理由，比方說人們對太空的認(rèn)識，人上不去的時候，叫機(jī)器人上天，上月球，以及到海洋，進(jìn)入到人體的小機(jī)器人，以及在微觀環(huán)境下，對原子分子進(jìn)行搬遷的機(jī)器人，都是人們不可達(dá)的工作。 機(jī)器人有三個發(fā)展階段，一種是第一代機(jī)器人，那么也叫示教再現(xiàn)型機(jī)器人，它是通過一個計算機(jī)，來控制一個多自由度的一個機(jī)械，通過示教存儲程序和信息，工作時把信息讀取出來，然后發(fā)出指令，這樣的話機(jī)器人可以重復(fù)的根據(jù)人當(dāng)時示教的結(jié)果，再現(xiàn)出這種動作，比方說汽車的點焊機(jī)器人，它只要把這個點焊的過程示教完以后，它總是重復(fù)這樣一種工作，它對于外界的環(huán)境沒有感知，這個力操作力的大小，這個工件存在不存在，焊的好與壞，它并不知道，那么實際上這種從第一代機(jī)器人，也就存在它這種缺陷[6]。因此，在20世紀(jì)70年代后期，人們開始研究第二代機(jī)器人，叫帶感覺的機(jī)器人，這種帶感覺的機(jī)器人是類似人在某種功能的感覺，比如說力覺、觸覺、滑覺、視覺、聽覺和人進(jìn)行相類比，有了各種各樣的感覺，比方說在機(jī)器人抓一個物體的時候，它實際上力的大小能感覺出來，它能夠通過視覺，能夠去感受和識別它的形狀、大小、顏色。? 　　那么第三代機(jī)器人，也是我們機(jī)器人學(xué)中一個理想的所追求的最高級的階段，叫智能機(jī)器人，那么只要告訴它做什么，不用告訴它怎么去做，它就能完成運(yùn)動，感知思維和人機(jī)通訊的這種功能和機(jī)能，那么這個目前的發(fā)展還是相對的只是在局部有這種智能的概念和含義，但真正完整意義的這種智能機(jī)器人實際上并沒有存在，而只是隨著我們不斷的科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，智能的概念越來越豐富，它內(nèi)涵越來越寬。 6 通訊排障機(jī)器人設(shè)計思路 地震、雪災(zāi)、海嘯災(zāi)難在世界范圍內(nèi)頻頻發(fā)生，還記得2008年5月12日14時28分04秒，8級強(qiáng)震猝然襲來，大地顫抖，山河移位，滿目瘡痍，生離死別……西南處，國有殤。這是新中國成立以來破壞性最強(qiáng)、波及范圍最大的一次地震。地震重創(chuàng)約50萬平方公里的中國大地! 截至2009年5月25日10時，遇難69227人，受傷374643人，失蹤17923人。其中四川省68712名同胞遇難，17921名同胞失蹤，共有5335名學(xué)生遇難或失蹤。直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)8451億元。 這是中華人民共和國自建國以來影響最大的一次地震。震級是自1950年8月15日西藏墨脫地震(8.5級)和2001年昆侖山大地震（8.1級）后的第三大地震，直接嚴(yán)重受災(zāi)地區(qū)達(dá)10萬平方公里。 6.1 通訊方面 有了這次慘烈的教訓(xùn)，我們應(yīng)該在這次事件中吸取教訓(xùn)。所以我們反思，地震這個是無法預(yù)測和分析出來的自然現(xiàn)象，但是我們能在地震過后進(jìn)行救援這個方面動腦子，想辦法，如何抓緊時間，如何更加快速，如何更加有效、科學(xué)的進(jìn)行救援。 大地震發(fā)生以后，原本發(fā)揮主體作用的固定、移動電話，因為通信基礎(chǔ)設(shè)施的損毀，已經(jīng)徹底不能發(fā)揮作用。但是，沒有消息是最壞的消息。災(zāi)情、救災(zāi)的各種消息對于各界都有非常重要的作用。 這次地震發(fā)生后，首先是通訊完全中斷，救援的人們和關(guān)心里面災(zāi)情的人們還有受災(zāi)的人們完全沒辦法得知里面或者外面的情況，現(xiàn)在的人類要是失去了信息就等于是“瞎子”，其實這點和戰(zhàn)爭中的偵查很像，要是不知道里面情況也不能貿(mào)然前進(jìn)，也不能分析出里面災(zāi)情的具體情況。這次的汶川地震發(fā)生后，由于中國雷達(dá)衛(wèi)星系統(tǒng)現(xiàn)在還不是很完善，“北斗七星”計劃現(xiàn)在還沒完全實施，這次的汶川地震受災(zāi)后的衛(wèi)星地圖還是靠美國的援助，提供衛(wèi)星技術(shù)下顯示的汶川地震后的全貌。所以說信息是非常重要的東西，要是我們能保證通信的正常運(yùn)作，災(zāi)區(qū)信號能暢通，就算是手機(jī)信號通暢也許還能少死些人……還能讓救援部隊知道被困在哪里。一直到5月13日21∶06，汶川地震震中映秀鎮(zhèn)，在與外部失去聯(lián)系長達(dá)33個小時后，首次通過衛(wèi)星電話向成都抗震救災(zāi)指揮中心匯報了當(dāng)?shù)貫?zāi)情?！靶l(wèi)星電話”這種原本“沉寂”的通信方式開始在抗震救災(zāi)工作中發(fā)揮起重要作用。 “不到關(guān)鍵時刻，不知道衛(wèi)星通信有多么重要；不到關(guān)鍵時刻，不知道我們的衛(wèi)星保障系統(tǒng)有多么脆弱?！北本┼]電大學(xué)電信學(xué)院博士王凱亮說到。 在地震災(zāi)區(qū)搶救通訊設(shè)備，在冒著余震，落石，還是很危險的，就拿這次汶川地震來說，有一位中國移動成都通信建設(shè)工程局一處員工——劉建秋，“5。12汶川特大地震災(zāi)害”發(fā)生前一直在阿壩州馬爾康進(jìn)行中國移動村通工程建設(shè)。地震發(fā)生后，中國移動緊急動員，安排所有施工部門立即投入搶險救災(zāi)。 劉健秋所在搶險隊共36名隊員奉命趕赴災(zāi)區(qū)，在第一時間打通 “馬爾康——理縣——汶川”重要通信光纜，恢復(fù)汶川對外聯(lián)系。 2008年5月16日13：30，正在馬爾康至理縣段的古爾溝鎮(zhèn)附近進(jìn)行光纜搶險施工的劉建秋同志不幸被理縣突發(fā)5.9級強(qiáng)烈余震所造成的山體滑坡飛石擊中，劉建秋當(dāng)即被送入解放軍臨時醫(yī)療站治療，終因失血過多，搶救無效，于今晨9：00犧牲，英年36歲。這樣的血一般的事實呈現(xiàn)在我們面前，我們要是有機(jī)器人人能提供信號服務(wù)，能給災(zāi)區(qū)帶來信號的話該多好。 我曾經(jīng)看到過這樣一個新聞，地震那時候一則電話拯救了一個200多人的旅游團(tuán)，要是他們打不出那個電話，他們就會被餓死，渴死在那個地方，可見那時的信號是多么的寶貴。 6.2 電力方面 地震發(fā)生后，電力站必定給毀掉，醫(yī)療，民用，等一系需要用到電的地方都停止了供電，夜晚就完全的一片漆黑，沒有燈光，沒有聲音，死一般的寂靜，還伴隨著一陣陣的余震……當(dāng)救援隊員來臨的時候，醫(yī)療設(shè)備由于沒有電力供應(yīng)，等同于一堆廢銅爛鐵，在漆黑的夜里也要進(jìn)行救援，因為時間就是生命，在一開始的幾晚里面，都是用微弱的小燈，和靠著月光的亮度進(jìn)行救援的，一塊塊磚塊搬走，要是有電力的供應(yīng)，要是有大型照明設(shè)備多好，電力能給醫(yī)療設(shè)備和一些機(jī)器提供電力供應(yīng)，給人們帶來光明，光明就相當(dāng)于生命。 要是沒有電力，災(zāi)區(qū)何等的恐怖。要是醫(yī)院停電了，醫(yī)院的病人會怎么樣？要是警察局停電了，警察如何工作？等等一些重要部門有時候是不能停電的。 在地震以后，發(fā)電站基本處于癱瘓狀態(tài)了，電力基本就停止供應(yīng)了，要想有發(fā)電設(shè)備也不能馬上投入到使用。要是有個太陽能發(fā)電設(shè)備進(jìn)入災(zāi)區(qū)，進(jìn)行發(fā)電和產(chǎn)電多好。 6.3 地面廢墟方面 地震，海峽，雪災(zāi)，泥石流，等大型災(zāi)難發(fā)生后，地面有許多高高低低，和震塌房子的碎石，掉落地面，有些小型車輛不能通過，我們設(shè)計的機(jī)器人，可以吧一些地面上的碎石清理出來，可以讓小車通過，這樣就保證了運(yùn)輸線路的暢通，這樣給救援能帶來方便。運(yùn)用同樣的清理道路功能也可適用清理雪災(zāi)路面?？梢郧謇沓鲆粋€合適的安全區(qū)域，沒有碎石，也可以給直升飛機(jī)提供一個安全的起降區(qū)域，避免滿地的廢墟，這樣直升飛機(jī)無法安全的停下來。 6.4 通訊排障機(jī)器人的設(shè)計 鑒于這樣的一種種救援遇到的困難，我們設(shè)計了一種全自動的通訊排障機(jī)器人。使實現(xiàn)以下的一些功能： 信號是一個非常關(guān)鍵的東西，在現(xiàn)在的社會里面，要是沒有信號，飛機(jī)不能飛，手機(jī)不能用，對于災(zāi)區(qū)信號也尤其的重要，往往一則電話能救出好多人，所以我們設(shè)計的機(jī)器人是想把信號放在第一位，因為有了信號才能有有效的組織，才能有“眼睛”，能發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，并且找到它，進(jìn)行施救。 這個有點類似于地面移動通信的轉(zhuǎn)發(fā)基站，但是優(yōu)點在于基站在天上，幾乎不受干擾，所以衛(wèi)星通信公司現(xiàn)在宣稱:只要你站的位置能夠看見太陽和月亮，我就能保證你通信沒有盲區(qū)，隨時通信。 而現(xiàn)在，大家都知道，我國的移動和聯(lián)通，包括全世界所有國家的民用移動通信系統(tǒng)。都不敢保證絕無通信盲區(qū)，我們的移動公司在中國因為起步較早，盲區(qū)少一些，現(xiàn)在也只敢說全中國百分之97以上網(wǎng)絡(luò)覆蓋。而衛(wèi)星通信，則可以保證絕無盲區(qū)，這個就是衛(wèi)星電話的優(yōu)勢。 可見在災(zāi)區(qū)來說可是一個救命的稻草，要是我們載發(fā)生災(zāi)難后把衛(wèi)星搬到地上面上保障通訊呢，所以我們設(shè)計出來個通訊機(jī)器人的總體思路就誕生了。 雷達(dá)功能主要運(yùn)用在災(zāi)區(qū)沒有信號后，一個通訊保障，它一方面可以給災(zāi)區(qū)的手機(jī)提供信號來源，讓手機(jī)信號直接通過雷達(dá)信號的傳輸，在打出去，這樣就能讓手機(jī)有信號通過傳輸，還能定位手機(jī)所在的部位，通過搜救隊員努力還能進(jìn)行救援。 還有個功能是提供給救援部隊用，那些無線設(shè)備就能靠這個通訊排障機(jī)器人進(jìn)行相互之間的通訊了。這樣可以取代一些小和頻率低的工作設(shè)備，這樣一個設(shè)備能多種用處 還有我們設(shè)計的機(jī)器人考慮到災(zāi)區(qū)缺乏電力，我們的機(jī)器人還裝有一個太陽能發(fā)電裝置。太陽能發(fā)電裝置不是個普普通通的就一塊太陽能板能搞定的，我簡單介紹下整個系統(tǒng)的構(gòu)造 利用太陽能發(fā)電系統(tǒng)由太陽能電池組、太陽能控制器、蓄電池（組）組成。如輸出電源為交流220V或110V，還需要配置逆變器。 他們之中，太陽能電池板是太陽能發(fā)電系統(tǒng)中的核心部分，也是太陽能發(fā)電系統(tǒng)中價值最高的部分。其作用是將太陽的輻射能力轉(zhuǎn)換為電能，或送往蓄電池中存儲起來，或推動負(fù)載工作。太陽能電池板的質(zhì)量和成本將直接決定整個系統(tǒng)的質(zhì)量和成本。 還有太陽能控制器的作用是控制整個系統(tǒng)的工作狀態(tài)，并對蓄電池起到過充電保護(hù)、過放電保護(hù)的作用。在溫差較大的地方，合格的控制器還應(yīng)具備溫度補(bǔ)償?shù)墓δ堋Ｆ渌郊庸δ苋绻饪亻_關(guān)、時控開關(guān)都應(yīng)當(dāng)是控制器的可選項。蓄電池：一般為鉛酸電池，小微型系統(tǒng)中，也可用鎳氫電池、鎳鎘電池或鋰電池。其作用是在有光照時將太陽能電池板所發(fā)出的電能儲存起來，到需要的時候再釋放出來。 逆變器：在很多場合，都需要提供220VAC、110VAC的交流電源。由于太陽能的直接輸出一般都是12VDC、24VDC、48VDC[7-11]。為能向220VAC的電器提供電能，需要將太陽能發(fā)電系統(tǒng)所發(fā)出的直流電能轉(zhuǎn)換成交流電能，因此需要使用DC-AC逆變器。在某些場合，需要使用多種電壓的負(fù)載時，也要用到DC-DC逆變器，如將24VDC的電能轉(zhuǎn)換成5VDC的電能（注意，不是簡單的降壓）。 由于我們慧魚材料的有限性，這次的太陽呢實驗沒能進(jìn)行下去，我們有用了一塊板簡單的代替了太陽能材料，我們只是進(jìn)行一個演示，說明他是一個可以發(fā)電的裝置，要是真正做起來也是可行的。 排障功能，也是我們機(jī)器人的一個優(yōu)勢，由于我們給我們所設(shè)計的機(jī)器人設(shè)計了一個會排障的爪子，在災(zāi)區(qū)地面全是廢墟的時候，可以利用爪子進(jìn)行排障，當(dāng)前面障礙物少的時候可以利用車的推力吧垃圾推到一邊，當(dāng)障礙物累計到一定量的時候我們就利用 爪子把障礙排除掉。 6.4.1通訊排障機(jī)器人公辦工作過程 現(xiàn)在世界上各種各樣的機(jī)器人越來越多，也越來月先進(jìn)，每個機(jī)器人它的每個用處都不一樣，有的專門滅火，有的專門排爆，有的專門清理障礙，我們設(shè)計的機(jī)器人是專門提供后勤保障之用的，現(xiàn)在這些機(jī)器人并不多，因為大家想的都是如何去救人，滅火。古人有云“兵馬未動，糧草先行”所以說，后勤保障是勝利的關(guān)鍵，從這點出發(fā)，我們的機(jī)器人就秉承這個傳統(tǒng)的理念，做一個后勤。 我們的通訊排障機(jī)器人是基于通訊，排障，電力照明，太陽能發(fā)電結(jié)合一體的機(jī)器人（圖12）。我們機(jī)器人整體是力量方方正正的機(jī)器人結(jié)構(gòu)體，形成一輛向方塊城堡的防御體，在車的前部有一對排障用的爪子當(dāng)遇到小型障礙物的時候利用車身自己馬達(dá)的動力，利用爪子的角度，把障礙物推到一邊，這個有點像推土機(jī)，他障礙物推到馬路一旁。當(dāng)障礙物累計到一定的時候，會碰到前面的4個接觸開關(guān)（圖13），然后車輛就會停止前進(jìn)，閉合著的爪子（圖14）通過一個馬達(dá)帶動鏈條，連天帶動蝸桿，蝸桿上的蝸桿塊就會向前移動，通過支撐板支開爪子把障礙一起推開，同時清理障礙（圖15），回收爪子，然后車輛繼續(xù)前進(jìn)，爪子的這個部分是一個自動循環(huán)部分， 多用途機(jī)械排障爪在鏟垃圾過程中，爪的變形和破壞的形式取決于碎石的狀態(tài)、大小，鏟刀的切削參數(shù)等因素。一般切削角可取 50°～70°。清除小型的碎石時，切削角可稍大些；清除大型的石頭時，需要較小的切削角。 只要障礙物多了就會重復(fù)動作，他的作用就是清理道路上的廢墟把一條道路清理出來給后續(xù)部隊進(jìn)入災(zāi)區(qū)，提供幫助。多用途機(jī)械排障爪是清理地面垃圾的主體部分，是我們設(shè)計的排障的一個主要功能用處，多用途機(jī)械排障爪鏟障礙物的過程是利用多用途機(jī)械排障爪機(jī)械的方法，將由汽車推力將路面垃圾與路面分離開來的過程。 我們車的主題部分是一個升降臺，（圖16）平時不使用雷達(dá)的時候，人們可以利用它作為一個運(yùn)輸平臺，上面可以放一些醫(yī)療、食品、帳篷等一些急需物品，可以利用機(jī)器人把他們帶到災(zāi)區(qū)里面。到到達(dá)后拿下來物品，我們就可以工作了，開始升降臺上升，通過前部的馬達(dá)帶動齒輪帶動蝸桿然后整個平臺上升，接著通過繞線器把尾部的升降臺往上啦，繩子收縮，拉動升降臺，升降臺做90°翻轉(zhuǎn)（圖17）。然后隱藏在多功能平臺下面有兩根柱子也會升起來。兩根柱子分別有2個獨立的功能，一個是雷達(dá)，一個是大功率照明燈。災(zāi)區(qū)發(fā)生災(zāi)難后通訊幾乎癱瘓，此時此刻我們的雷達(dá)可以為災(zāi)難現(xiàn)場提供通訊，可以把災(zāi)難現(xiàn)場的實際災(zāi)難情況第一時間反饋給指揮部，為營救方案提供最及時的信息。因地震導(dǎo)致電力設(shè)施的毀壞，災(zāi)難現(xiàn)場沒有任何電源，尤其在晚上。晚上沒有照明設(shè)施會給救災(zāi)進(jìn)度帶來很大的不便，我們機(jī)器人有大功率的照明設(shè)施，為災(zāi)難現(xiàn)場提供全方位照明，為在夜間工作帶來極大的方便。 在整個車身上我們安裝了兩個傳感器，一個安裝在車架下方，它是一個尋跡傳感器，它是更具光的反射來進(jìn)行尋跡的，現(xiàn)在的馬路上都有一條白色的線，我們就可以更具反光程度不同，進(jìn)行識別前進(jìn)。不過這個功能適合于掃雪。其他的是道路是它可以按照預(yù)先模擬還的路線進(jìn)行行走，當(dāng)偏離軌道就可以自動尋找路線，從而回到預(yù)先安排好的路線上。還有一個是光感傳感器，它則是安裝在機(jī)器人的側(cè)面，它的作用是用來尋找一個指定的光源，當(dāng)機(jī)器人尋找到預(yù)先設(shè)計好的光源時，機(jī)器人就知道已經(jīng)到達(dá)目的地了，然后根據(jù)預(yù)先設(shè)計好的程序開始工作。 圖12 通訊排障機(jī)器人 圖13觸控開關(guān) 圖14爪子閉合前 圖15 清理障礙 圖16 升降臺 圖17 升降臺翻轉(zhuǎn)后雷達(dá)上升 7． 通訊排障機(jī)器人的擴(kuò)展 我們設(shè)計的通訊排障機(jī)器人是有優(yōu)點和缺點并在的一個機(jī)器人，我們設(shè)計出來后發(fā)現(xiàn)這個機(jī)器人有些地方不是很好，結(jié)構(gòu)也不是穩(wěn)定，有些地方并不是很好，從這點出發(fā)，并且基于這些種種原因，我設(shè)計了一個通訊排障機(jī)器人的改良的版本，也可以說是直體現(xiàn)通訊機(jī)器人，的通訊功能，去掉了排障這個功能，通訊排障機(jī)器人擴(kuò)展型號就誕生了。 圖18 通訊排障機(jī)器人的擴(kuò)展型號 7.1 思路介紹 我所構(gòu)思的的機(jī)器人，他和通訊排障機(jī)器人基本構(gòu)思是一樣，主要是覺得某些地方的不足，然后我進(jìn)行改良，從圖紙和理論上進(jìn)行更正，從圖上看，最明顯的是去掉了機(jī)器人前面的排障用的爪子，還增加了一個小型探索機(jī)器人，他具有偵查地形。我把地盤進(jìn)行了改良，原來的輪子被我改掉了改成履帶式的了，在災(zāi)區(qū)，輪式的機(jī)器人很難前進(jìn)，畢竟輪式有他致命的弱點，輪胎的損壞，也不能進(jìn)行爬坡，也不能越障，還有下盤的不穩(wěn)定，容易陷入泥土中，而履帶卻沒有。而全方面的照明設(shè)備我也在機(jī)器人身上裝了6個，前面2個身體四周左邊2個右邊兩個這樣照明的范圍也很廣了。這樣就不會有盲區(qū)了而背部沒有裝有燈，應(yīng)為在背部肯定是屬于一個安全區(qū)域的，多了個燈也沒什么用處，背后肯定是屬于自己的安全點，有其他小型照明設(shè)備也夠了。 當(dāng)?shù)卣鸬臅r候，災(zāi)區(qū)交通肯定完全堵塞，光靠地面很難進(jìn)去的，也很難空投大型開拓設(shè)備，因為不知道里面的具體情況，而我設(shè)計的機(jī)器人可以進(jìn)行空投，后面的軍綠色的是個降落傘，可以分開變成4朵小傘，分別在通訊排障機(jī)器人的兩側(cè)有4個環(huán)，那個是掉降落傘用的，。這樣能穩(wěn)定的降落在地面。機(jī)器人質(zhì)地輕，面積小，可以通過這樣的來把通訊設(shè)備投放去災(zāi)區(qū)，可以利用小型機(jī)器人進(jìn)行地形的偵查。 而頂上的黑色的太陽能板充當(dāng)了雷達(dá)防護(hù)板，雷達(dá)不用的時候可以縮進(jìn)去，保護(hù)好雷達(dá)，避免應(yīng)為落石砸壞了。 8． 通訊排障機(jī)器人個部位介紹及其運(yùn)動分析 下面介紹每個機(jī)器人重要部位，以及部分的運(yùn)動分析 8.1 履帶 我設(shè)計的機(jī)器人主要是采用履帶行走，履帶就像是給機(jī)器人鋪了一個無限延長的軌道一樣，使它能夠平穩(wěn)、迅速、安全地通過各種復(fù)雜路況。由于接地面積大，所以增大了機(jī)器人在松軟、泥濘路面上的通過能力，降低了下陷量。由于履帶板上有花紋并能安裝履刺，所以在雨、雪、冰或上坡等路面上能牢牢地抓住地面，不會滑轉(zhuǎn)。由于履帶接地長度長，誘導(dǎo)輪中心位置較高，所以通過壕溝、垂壁的能力較強(qiáng)，我所設(shè)計的機(jī)器人一般能越壕寬度可達(dá)60米左右，因為我設(shè)計的機(jī)器人總廠才120厘米，可通過25厘米高的垂直墻。履帶還有一個特殊功能，在過河時，采取潛渡，在河底行走；若是浮渡履帶可以象螺旋槳一樣產(chǎn)生推進(jìn)力，驅(qū)使車輛前進(jìn)。 機(jī)器人重量大，用履帶的話可以減小單位面積壓力，對路面的要求可以小點。且防御性能和越野性能比輪式要好，輪式結(jié)構(gòu)比履帶簡單，一般都用于輕裝甲車輛，公路速度比履帶車輛好。維護(hù)方面也比履帶簡單得多。 而第一代通訊排障機(jī)器人，他擁有爪子可以吧路面的障礙清理掉，也是可以采用輪式的，輪式車輛主要是為了在平坦的公路上行駛，而再地震災(zāi)區(qū)上是沒有平坦的道路，只有各式各樣的路況。為了面對各種路況，而采用履帶式車輛。這種車輛的好處是，抓地力強(qiáng)，可以減小機(jī)器人對路面的壓力，防止陷入路面下，再懸掛系統(tǒng)方面要比輪式車輛要好，這樣可以使機(jī)器人在各種路況下，行駛的的更平穩(wěn)。由于輪胎對氣壓要求比較高，有時也很容易出現(xiàn)暴胎，對抗震救災(zāi)救援行動很大影響。輪胎和容易陷入泥濘的路面，但是履帶就不會陷入，由于它與地面的接觸面積要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于輪胎與地面的接觸面積，所以它就不會陷入泥濘的路面。因此我設(shè)計的機(jī)器人要采用履帶式而不用輪式。 我的機(jī)器人采用的履帶上的輪子的布局是第一個和最后一個作為張緊輪使用，使鏈條不會松動，掉下去，從而導(dǎo)致輪子里面的齒輪和履帶的齒條碰撞。 我使用2個主動輪（圖19從右往左），帶動前、中、后，三個輪子，這5個輪子采用齒輪之間的嚙合傳動（圖20），2個主動輪向后轉(zhuǎn)動的時候，帶動從動輪向前運(yùn)動。從動輪向前運(yùn)動，帶動履帶，履帶向后運(yùn)動，帶動整個車輛的倒退。這樣設(shè)計的目的使齒輪之間的嚙合變得緊湊，不在需要傳動裝置帶動其他輪子一起向一個方向運(yùn)動，這樣一來動力也會變得足，能越坡，前輪和底輪的角度為30°，按照理論算出來，可以越25°的坡度。 圖19 履帶底盤 圖20主動輪和從動輪 8.1.1履帶穩(wěn)定性分析 由于履帶是有電機(jī)帶動，所以容易出現(xiàn)履帶的移動速度不相等，是由于驅(qū)動左右履帶的電機(jī)在性能上的誤差，使左右電機(jī)的轉(zhuǎn)速不完全相同，囚此盡管給電機(jī)兩邊輸入完全相同的指令，也會出現(xiàn)左右履帶不相同的速度，從而導(dǎo)致機(jī)器人木身就存在偏離的內(nèi)在囚素。 圖21所示是機(jī)器人爬上一個傾角為25。的樓道時出現(xiàn)的側(cè)向傾斜，橫坐標(biāo)為機(jī)器人移動的距離，縱坐標(biāo)為機(jī)器人偏轉(zhuǎn)的角度。圖中顯示，機(jī)器人自主爬上樓梯時比，較容易偏離其預(yù)定的運(yùn)動方向，機(jī)器人爬的樓梯越長，其偏離直線的角度就越大，側(cè)向傾斜的程度越嚴(yán)重，當(dāng)機(jī)器人處于橫向狀態(tài)時，就很容易番羽下樓梯。 圖21 機(jī)器人爬樓時運(yùn)動姿態(tài)圖 經(jīng)過分析當(dāng)機(jī)器人爬上樓梯時假設(shè)其左右兩側(cè)的履帶速度分別為Vt和Vr，如圖22所示。根據(jù)履帶車輛的轉(zhuǎn)向理論可知，機(jī)器人不僅作平移運(yùn)動，同時作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，假設(shè)履帶中心距為b從而機(jī)器人回轉(zhuǎn)的角速度為 ω=（Vt-Vr）/b （8-1） 圖22 履帶速度偏差引起的偏離 顯然，當(dāng)機(jī)器人兩側(cè)履帶速度不等時，機(jī)器人就會按一定的弧線行走，速度差值越大，機(jī)器人的回轉(zhuǎn)半徑越小，其旋轉(zhuǎn)角速度越大，所以機(jī)器人的偏離就越嚴(yán)重，即偏轉(zhuǎn)角中越大，顯然當(dāng)機(jī)器人偏離到一定程度時，機(jī)器人就容易翻下樓梯。 機(jī)器人一般都有一些其它部分組成，由于機(jī)器人多個不同重量組成，他的重心很難保證，當(dāng)重心偏向左邊履帶時，其左邊履帶受到的摩擦阻力要比右邊履帶的摩擦阻力要大，這樣左邊履帶需要克服的扭距要比左邊的大，從而導(dǎo)致機(jī)器人側(cè)向傾斜。圖23所示機(jī)器人在坡度上的受力分析。 Fl和Fr分別為左右履帶的法句力，e為機(jī)器人重心的偏心距。根據(jù)力及力矩平衡條可求出左右履帶的法向力之比[11-16] Fl /Fr=(b+2e)/(b-2e) (8-2) 很容易看出當(dāng)e在左邊時，履帶左右法相力大于1，說明左邊履帶大于右邊履帶的法相力，反之則數(shù)據(jù)相反。 圖23機(jī)器人在樓梯上的受力分析 當(dāng)機(jī)器人越障時候，以速度V越上障礙物，l為履帶與地面觸長度重心位于障礙物支點。的左邊時，此時履帶底線與地面之間的夾角φ隨著時間t而逐漸增大，由圖24可得 sinφ=ho/(l-vt) 式中:ho障礙物高度，由于ho＜＜l,故φ值較小，sinφ≈φ此時機(jī)器人的角速度ω和加速度ε為 ω=φ=dφ/dt=vho/(l-vt)2 （8-3） ε=φ=d2φ/dt2=2v2ho/（l-vt）2 （8-4） 圖24機(jī)器人越上障礙物 分析表明，機(jī)器人在自我運(yùn)作時候，跨越復(fù)雜障礙時候，爬坡時候容易發(fā)生左右履帶的移動速度不足，甚至發(fā)生傾斜，側(cè)翻所以給機(jī)器人裝有個攝像頭，用人員來操控還是比較穩(wěn)定的。 8.2后背儲存箱 圖25為后備存儲箱，它是一個全封閉的環(huán)境，下面的們是利用馬達(dá)帶動，會繞著軸旋轉(zhuǎn)90°，下面的儲備箱是給放機(jī)器人的馬達(dá)、排線等一些機(jī)器人的控制設(shè)備，這樣保護(hù)起來，使機(jī)器人不容易受傷，不容易損壞。到達(dá)目的地時候，或者需要放出小機(jī)器人的時候，打開上面的艙門，上面的艙門是垂直打開的，只能打開一半，這樣是為了節(jié)約時間，要全打開，沒有那個必要。下面的艙門90°垂直打開后還能給小機(jī)器人利用下，當(dāng)做一個平臺起飛，和降落，讓小機(jī)器人探索地形，和探索存在的生命。上面的儲存箱，可以裝有一些小型機(jī)器人，目的是讓小機(jī)器人去探索環(huán)境。上面的儲備箱，前面半段是放有一個液壓泵，它是升降雷達(dá)之用，不過除了這些還有很大的空間，可以存食物，或者飲用水還有醫(yī)療用品。去救助災(zāi)區(qū)人民。 圖25 后備存儲箱 8.3空降設(shè)備 圖26為降落傘設(shè)備，它是由四朵小傘組成的，每個圓環(huán)就是一個降落傘的中心點，他于圖27上每個環(huán)配合，形成一個環(huán)對應(yīng)一個傘，到時降落的安全性和穩(wěn)定性就會大大提高，也不會出現(xiàn)大的震動。采用這個裝置是考慮到，在災(zāi)區(qū)的時候，地震肯定會把路面震塌，路也會斷斷續(xù)續(xù)的，震碎的石頭磚塊也到處是，這樣馬路上肯定不能一下子就進(jìn)入到災(zāi)區(qū)里面。既然陸地上一時半或進(jìn)去不了，我們就可以采用空投，在災(zāi)區(qū)每個地方投下幾個機(jī)器人，可以充分利用雷達(dá)，讓這幾個機(jī)器的使用范圍遍布災(zāi)區(qū)，給災(zāi)區(qū)帶來信號，同時還能放出小機(jī)器人進(jìn)行地震后的3維地圖繪制，這樣能讓救援組更方便，有了最新地圖的話指哪里就能去哪了。 圖26 降落傘 圖27降落傘搭扣 8.4雷達(dá)裝置 雷達(dá)是我設(shè)計的這個機(jī)器人的核心東西，主要是靠他工作，但是由于慧魚組的材料有限，我也不能真正的模擬出雷達(dá)的作用，這里也就畫了個圖，讓大家知道下，要是以后有機(jī)會還能進(jìn)行改進(jìn)和完全制造起來。 圖28為雷達(dá)保護(hù)狀態(tài)中的樣子，這時的雷達(dá)就藏在哪個黑色的盒子里面。這個是保護(hù)雷達(dá)用的，雷達(dá)也可以在這個里面工作，到時候我們只需采用透波材料即可。這樣子主要是為了防止雷達(dá)受到一些損失砸壞雷達(dá)，圖29上面的黑色太陽能板，是可以移動的，要是雷達(dá)要伸出來，進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸?shù)脑掍摶ＡУ奶柲馨逋ㄟ^里面的液壓裝置相互伸出，就讓板相互移動推到一定距離，為下面的雷達(dá)把窗戶打開，下面的雷達(dá)就能通過6個小型的液壓泵傳送，把雷達(dá)推上去。而下面的灰色的，在中間的是一個大型液壓泵，它可以吧這個雷達(dá)裝置托起來，在配合裝在這個雷達(dá)裝置四周的4個小泵，平穩(wěn)的把它托起來。圖30為裝置的開啟圖。 8.4.1雷達(dá)支架氣動部分設(shè)計 (設(shè)定一個氣缸的壓力為Y) 對于單個氣缸： S=r2=3.14 X (0.0055)2=9.5× (8-5) 對于六個氣缸： 4Y=4PS≥mg (8-6) P≥mg/6s=10×9.8/3×9.5×=0.31MPa (8-7) 圖28 雷達(dá)保護(hù)時 圖29 太陽能板 圖30 雷達(dá)升起 8.5小型遙控探索機(jī)器人 圖31為小型遙控探索機(jī)器人。是可以放在這個通訊機(jī)器人里面的，一個子塊。在地震時候要是沒有地震的全部災(zāi)區(qū)面貌圖，也很難進(jìn)行地面的評估，和找到一條很好的救援路線，和進(jìn)入點，因為有了這種想法，所以每個通訊機(jī)器人都搭載有這個小機(jī)器人，這個機(jī)器人可以多個搭載，方便快速的查找和掃描地形和搜索人員。這個機(jī)器人人裝有一個螺旋槳，它的功能和直升機(jī)一樣，垂直上下移動，下面的圓球有個洞的是一個攝像頭，和一個生命傳感器，每個小機(jī)器人拍攝的內(nèi)容都會傳送到通訊機(jī)器人的本體，然后進(jìn)行總結(jié)和編輯可以制成一張地圖，他在外面飛信時候還能去尋找生命跡象，他的4個角能進(jìn)行行走，還能伸縮，要是想爬坡，就可以向4足機(jī)器人一樣進(jìn)行爬坡，每個輪子都有一個單獨的動力，遇到障礙需要爬行時候，前面2個腿抬高，后面兩個腿給他一個推力，前面的腿就會放在了障礙物上，然后鎖腿，后面的腿伸長，前面的腿收回去，并且給它一個動力。這樣也能進(jìn)行簡單的爬坡，當(dāng)然這個機(jī)器人主要是靠飛信，這個小機(jī)器人需要人員的操控來完成它[16-21]。 圖31小型遙控探索機(jī)器人 8.5.1小型遙控探索機(jī)器人力學(xué)分析 小型遙控探索機(jī)器人的每條腿上有3個自由度，因此，有多種步態(tài)形式，先研究一種簡單步態(tài)形式下的目標(biāo)跟蹤問題。這種步態(tài)類似于輪滑溜冰中的外八字前進(jìn)步行，在這種步態(tài)下機(jī)器人后面的2條腿作周期性運(yùn)動以產(chǎn)生驅(qū)動力，2條前腿不動僅作為支撐(運(yùn)動原理見圖31)。選取圖31的坐標(biāo)系，設(shè)廣義坐標(biāo)為q，根據(jù)非完整系統(tǒng)的廣義Lagrange-Ruth方程得。 M(q)×q+ V(q×q)—E (q)t×A(q)tλ (8—8) 式子中M(q)為n×n的對稱正定慣性矩陣，V(q×q)為離心哥氏力向量，E (q)為n×r的輸入變換矩陣，r=n-m，t為t維控制輸入向量，設(shè)系統(tǒng)受到m個非完整約束的作用，則λ表示非完整約 束的m維Lagrange乘子向量，A(q)為Jocobian矩陣，日_A ( q)滿足關(guān)系式 A(q)q=0 (8—9) 設(shè)s1(q)，s2(q)……sn…m (q)為A（q）化零空間N（A）中的線性無關(guān)向量，則： A(q) S(q)=0 （8—10） 式子中S(q)=[ s1(q)，s2(q)……sn…m (q)] 由式（8-9）和式（8-10）知存在（n-m）維德速度向量Z=[Z1，…Zn-m]T滿足： q=S(q)z (8—11) 對式（8—11）求導(dǎo)得： Q=Sz+Sz （8—12） 帶入式子（8-8），兩邊同時乘以ST得： ST (MSz+MSz+V)= STET +STATλ： （8—13） 兩邊同時乘以（ST E）-1 得： H(q)z+G(q,z)=t (8-14) 根據(jù)動力分析的結(jié)果得出應(yīng)用上述控制方法，在小型遙控探索機(jī)器人上進(jìn)行了目標(biāo)跟蹤實驗 , 實驗結(jié)果如 圖 32圖 33所示 。圖 32（a）為目標(biāo)位于機(jī)器人上部時的跟蹤過程曲線 ,實線為機(jī)器人實際走過的路徑 ,虛線為期望路徑。機(jī)器人的初始位置不在期望路徑上，大約6 s 后機(jī)器人實現(xiàn)了目標(biāo)跟蹤 ,基本在期望的路徑上運(yùn)行。圖32(b) 、 (c)和(d)分別為機(jī)器人的位置誤差，Xe、Ye和姿態(tài)誤差θc曲線。圖33為目標(biāo)機(jī)器人下部時的跟蹤過程曲線，跟蹤時間大約為10S。從圖32、圖33看出，在在以上各種情祝下，跟蹤效果是非常令人滿意的[21-25]。 圖32目標(biāo)位于機(jī)器人上部時的跟蹤過程曲線 、 圖 33 　目標(biāo)位于機(jī)器人下部時的跟蹤過程曲線 研究了小型遙控探索機(jī)器人的目標(biāo)跟蹤問題 ,在建立非完整約束作用下動力學(xué)模型的基礎(chǔ)上 ,提出基于線性反饋控制的目標(biāo)跟蹤控制方法 ,設(shè)計了運(yùn)動學(xué)控制器并證明了閉環(huán)系統(tǒng)的指數(shù)漸進(jìn)穩(wěn)定性 ,最后,結(jié)果驗證了所提出的控制方法的可行性 。 結(jié)束語 這次的畢業(yè)設(shè)計，可謂是充滿艱辛和辛苦，但是也是很值得的，在這次畢業(yè)設(shè)計當(dāng)中大大的提高了我的動手能力，并且提高了我的思維空間的想象能力，把一些一塊一塊的慧魚零件搭建了起來一個機(jī)器人，這些也少不了老師和同學(xué)的幫助 在這次的畢業(yè)設(shè)計里面我努力了很多也學(xué)到和很多東西，多虧學(xué)校組織了這次的慧魚搭建機(jī)器的課題，這個課題充滿了樂趣。非常的有意義，并不是那樣的乏味和枯燥。 致 謝 本課題的研究工作是在劉艷和李連波老師的細(xì)心指導(dǎo)下，從構(gòu)思，想法可行性到最后的制作和畫圖。劉艷、李連波老師給了我莫大的幫助。兩位老師嚴(yán)謹(jǐn)、求實的治學(xué)態(tài)度，深邃的洞察力，高度的責(zé)任心和敬業(yè)精神，平易近人的工作作風(fēng)，一直深深的影響和激勵著我，使得我在學(xué)習(xí)和生活上受益匪淺。在畢業(yè)設(shè)計完成之時，謹(jǐn)向恩師們表示最衷心的感謝，并致以崇高的敬意。 同時我還要感謝我的同學(xué)們，他們也在我做畢業(yè)設(shè)計的時候給我提出一些意見和建議，并對我的分析中有問題的地方給予分析指正，對我的課題研究提供了不少的幫助。 最后我還要感謝我們的組員，在這次組員里面我們大家積極認(rèn)真的配合，才能順利完成這個項目和課題。 參考文獻(xiàn) [1] 安杰利斯, 宋偉剛. 機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)原理[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2004. 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