機(jī)電綜合實(shí)踐開(kāi)題報(bào)告

機(jī)電綜合實(shí)踐開(kāi)題報(bào)告選題名稱：救援機(jī)器人選題背景及意義：（不少于300字）救援機(jī)器人是為救援而采取先進(jìn)科學(xué)技術(shù)研制的機(jī)器人，是一種專門用于災(zāi)難后在廢墟中尋找幸存者執(zhí)行救援任務(wù)的機(jī)器人。本課題擬研制一臺(tái)配備雙攝像頭系統(tǒng)及五自由度機(jī)械臂的可變式履帶救援探索機(jī)器人。該機(jī)器人可以適應(yīng)多種地形的行進(jìn)，多方位的采集與傳輸圖像信息，準(zhǔn)確抓取目標(biāo)物體。在兩個(gè)月的時(shí)間內(nèi)，本課題小組將完成機(jī)器人的系統(tǒng)確定及方案設(shè)計(jì)，機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及材料分析，電路設(shè)計(jì)及電子元器件安裝和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及編程，并且完成組裝，實(shí)驗(yàn)與調(diào)試，最后進(jìn)行答辯。該探索類機(jī)器人本應(yīng)該配備了彩色攝像機(jī)，熱成像儀和通訊系統(tǒng)，但由于外部條件限制，本課題只能研制一個(gè)小型的簡(jiǎn)易救援機(jī)器人。文獻(xiàn)檢索及調(diào)研情況—國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀分析：（不少于1000字）世界各地，由于自然災(zāi)害，恐怖活動(dòng)和各種突發(fā)事件等災(zāi)難頻發(fā)，在災(zāi)難救援中，救援人員只有非常短的時(shí)間用于在倒塌的廢墟中尋找幸存者，否則發(fā)現(xiàn)幸存者的幾率幾乎為零。在這種緊急而危險(xiǎn)的環(huán)境下，救援機(jī)器人可以為救援人員提供幫助。地震和礦難是自然界最可怕的現(xiàn)象，有歷史記錄以來(lái)，地震和礦難已經(jīng)導(dǎo)致無(wú)法估計(jì)的財(cái)產(chǎn)損失，并且?jiàn)Z取了千百萬(wàn)人的生命。常常并不是地震和礦難本身奪取人的生命，而是地震和礦難發(fā)生時(shí)造成的建筑的損害以及塌方雪崩海嘯等造成人員傷亡。其中地震過(guò)程中房屋倒塌導(dǎo)致人員被困的情況更為常見(jiàn)。因此，將靈活小巧不懼傷害的救援機(jī)器人用于救援和復(fù)雜的災(zāi)難環(huán)境下搜救和營(yíng)救幸存者，是機(jī)器人學(xué)中的一個(gè)新型而富有挑戰(zhàn)性的課題。救援機(jī)器人在救援工作中相比人有許多優(yōu)點(diǎn)：1.可以連續(xù)執(zhí)行乏味的搜索救援任務(wù)，而不會(huì)感到疲倦；2.不怕火，濃煙等危險(xiǎn)和有害條件；3.可以進(jìn)入危險(xiǎn)地帶拍攝與救援；4.重量輕，不易引起建筑物的二次坍塌，靈活性強(qiáng)，可以進(jìn)入狹窄地帶。目前救援機(jī)器人的主要研究方向：運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)；2.自主導(dǎo)航技術(shù)；3.通訊控制技術(shù)4.探測(cè)感知技術(shù)國(guó)外研究現(xiàn)狀：在國(guó)外，救援機(jī)器人發(fā)展迅速，技術(shù)日益成熟，并進(jìn)入實(shí)用階段，日本，美國(guó)，英國(guó)等都已開(kāi)始裝備使用。在災(zāi)難現(xiàn)場(chǎng)中，救援機(jī)器人應(yīng)能夠迅速找到幸存者位置。日本一些科學(xué)家研制出一種可以在廢墟中爬行的小型機(jī)器人，它們可以承擔(dān)營(yíng)救被困于地震廢墟中的幸存者的重任。據(jù)《新科學(xué)家》周刊稱，這種機(jī)器人可以通過(guò)有節(jié)奏的收縮運(yùn)動(dòng)沿著地面爬行。由于這種機(jī)器人的寬度僅有幾厘米，遙控人員可以利用磁場(chǎng)原理推動(dòng)機(jī)器人在細(xì)小的墻壁裂縫中穿行，它的身上除了安裝有照明燈泡和攝像機(jī)之外，還配備有一系列用來(lái)測(cè)量輻射程度或氧氣含量等指標(biāo)的傳感器。這些指標(biāo)可以顯示某個(gè)區(qū)域是否安全，以便救援人員對(duì)被困者實(shí)施營(yíng)救。這種機(jī)器人由若干個(gè)裝有鐵磁微粒、水以及潤(rùn)滑劑的橡膠囊組成，爬行時(shí)所受阻力很小。每?jī)蓚€(gè)橡膠囊之間由一副橡膠棒連接，通過(guò)磁場(chǎng)的作用推動(dòng)機(jī)器人前行。研制這款機(jī)器人的佐賀公司將在西雅圖召開(kāi)新聞發(fā)布會(huì)，并在會(huì)上演示機(jī)器人具體操作情況。該公司表示，與此前一些可以行走、飛行或是依靠輪子滑行的機(jī)器人相比，這款新型機(jī)器人的穩(wěn)定性更強(qiáng)，因而實(shí)用性也更強(qiáng)。國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀：在國(guó)內(nèi)，救援機(jī)器人的研究剛剛起步，但發(fā)展很快。中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化所在2002年研制了一種蛇形機(jī)器人，由16個(gè)單自由度關(guān)節(jié)模塊和蛇頭蛇尾組成，在監(jiān)控系統(tǒng)無(wú)線控制下可以實(shí)現(xiàn)蜿蜒前行，后退，側(cè)移，翻滾等多種動(dòng)作，并能通過(guò)安裝在蛇頭上的微型攝像頭傳回監(jiān)控系統(tǒng)。10月28日，山東濟(jì)南舉行的2007中國(guó)機(jī)器人大賽上，成都信息工程學(xué)院、西北工業(yè)大學(xué)、國(guó)防科技大學(xué)等院校研發(fā)的救援機(jī)器人進(jìn)行了比賽和演示。這些機(jī)器人在模擬現(xiàn)實(shí)的環(huán)境中完成了移動(dòng)、定位、目標(biāo)搜索、救援等行動(dòng)。廣州小學(xué)生許巖松發(fā)明地震救援機(jī)器人“地震救援希望之星”，最前端裝有攝像頭,觀察到的圖像就會(huì)傳輸?shù)搅硪欢说碾娔X顯示器上,成為救援人員的“火眼金睛”。而它的尾部安上了溫度傳感器,能夠感測(cè)到火災(zāi)。一旦發(fā)現(xiàn)有受難者,機(jī)器人可以啟用前端的夾子把人夾出危險(xiǎn)區(qū)域。這項(xiàng)發(fā)明在今年廣州市青少年機(jī)器人競(jìng)賽上獲得了第一名。文獻(xiàn)檢索：【1】徐保國(guó)，尹怡欣，周美娟智能移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)現(xiàn)狀及展望[J]機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用.2007，3：29-34【2】歐青立，何克忠室外智能移動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展及其相關(guān)技術(shù)研究[J]機(jī)器人，2000,22（6）：519-526【3】劉進(jìn)長(zhǎng)，辛建成機(jī)器人世界[M]河南科學(xué)技術(shù)出版社2000：93-104【4】徐國(guó)華，譚民等移動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展?fàn)顩r及其趨勢(shì)[J]機(jī)器人技術(shù)用與應(yīng)用2001，3：7-14【5】李磊，葉濤等移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)研究現(xiàn)狀與未來(lái)機(jī)器人2002,24（5）：476-480【6】王挺，王越超，趙憶文多機(jī)構(gòu)符合智能機(jī)器人的研制[J]機(jī)器人2004,26（4）：289-294【7】汪新越障機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D]中國(guó)科技大學(xué)學(xué)位論文2005，5【8】龍斌基于機(jī)體姿態(tài)調(diào)整的非結(jié)構(gòu)化環(huán)境機(jī)器人機(jī)構(gòu)研究[D]東華大學(xué)學(xué)位論文2006【9】吳大林，馬吉?jiǎng)伲跖d貴履帶車輛地面力學(xué)仿真研究[J]計(jì)算機(jī)仿真，2004，12：42-44【10】韓寶坤，張宇，李曉雷履帶模型與仿真[J]計(jì)算機(jī)仿真2003，5：7-9【11】尚建忠，羅自榮，徐小軍，黒沫等變形履帶機(jī)器人中國(guó)，國(guó)家發(fā)明專利，201010104944,2010.4.9【12】高峻峣國(guó)外軍用地面機(jī)器人系統(tǒng)綜述[J]機(jī)器人，2003,25（7）：746-755【13】陳旭武國(guó)外軍用地面機(jī)器人的研制現(xiàn)狀[J]黃石理工學(xué)院院報(bào)2006,22（3）：80-82【14】陳淑艷，陳文家履帶式移動(dòng)機(jī)器人研究綜述[J]機(jī)電工程2007,24（12）：109-112【15】孫恒，陳作模機(jī)械原理（第六版）[M]北京：高等教育出版社2001【16】王良曦，王紅巖車輛動(dòng)力學(xué)[M]北京國(guó)防工業(yè)出版社2008【17】張克鍵車輛動(dòng)力學(xué)[M]北京：國(guó)防工業(yè)出版社2001【18】高連華，劉雨發(fā)履帶車輛動(dòng)力學(xué)[M]北京：裝甲兵工程學(xué)院1987【19】袁浩UG機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)例教程[M]北京：化學(xué)工業(yè)出版社2007【20】吳振彪工業(yè)機(jī)器人[M]武漢：華中科技大學(xué)出版社2006【21】孟慶鑫，王曉東機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)[M]哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社2006：3-8【22】濮良貴，紀(jì)名剛機(jī)械設(shè)計(jì)[M]高等教育出版社2001：235-239【23】賈耀卿，夏恭忱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M]中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社1995擬定的實(shí)現(xiàn)原理與方案：（不少于1000字）總體介紹本課題小組的機(jī)器人擬使用履帶進(jìn)行行進(jìn)。為了適應(yīng)多樣的地形與前進(jìn)方式，擬設(shè)計(jì)成可變形履帶式機(jī)器人。該機(jī)器人采用前端帶鰭狀肢的履帶設(shè)計(jì)進(jìn)行輔助越障，可變式鰭狀肢履帶具備良好的機(jī)動(dòng)性能，在越障、跨溝、攀爬等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，運(yùn)動(dòng)范圍和能力都大大提高，更能適應(yīng)各種不同的復(fù)雜環(huán)境。該機(jī)器人車體裝有機(jī)械手和云臺(tái)。示意圖如下：圖1履帶式救援探索機(jī)器人示意圖履帶式前進(jìn)系統(tǒng)包含三臺(tái)電機(jī)，兩臺(tái)控制兩側(cè)履帶運(yùn)動(dòng)，另一臺(tái)用來(lái)控制鰭狀肢的運(yùn)動(dòng)。云臺(tái)1號(hào)攝像頭觀察系統(tǒng)包含2個(gè)自由度的控制，保證最大的視角。該機(jī)器人上安裝的5自由度機(jī)械臂末端裝有2號(hào)攝像頭。機(jī)械臂由旋轉(zhuǎn)臺(tái)，大臂，肘部，小臂，手腕組成，是一個(gè)具有五種動(dòng)作的關(guān)節(jié)型機(jī)械手。機(jī)械手動(dòng)作方式可以單獨(dú)行動(dòng)，也可以組合或者同時(shí)進(jìn)行?？梢愿鶕?jù)控制裝置來(lái)選擇控制方式。機(jī)械手的動(dòng)力采用直流電機(jī)和舵機(jī)的混合搭配方式，并選擇閉環(huán)控制（除舵機(jī)外）。機(jī)械手的夾持和手腕旋轉(zhuǎn)由舵機(jī)控制，其余關(guān)節(jié)由直流電機(jī)控制，全部由PWM控制。機(jī)械手有五個(gè)自由度。機(jī)器人的控制系統(tǒng)擬采用freescale的控制芯片。這款芯片只含有8通道的PWM，由于包括運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)部分的電機(jī)有10臺(tái)，而一臺(tái)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)需要2個(gè)PWM通道控制。由于機(jī)器人、1號(hào)攝像頭及機(jī)械手不是同時(shí)運(yùn)動(dòng)。且只有舵機(jī)需要保持通電才能自鎖。所以，利用多組繼電器，可以選擇特定的電機(jī)的驅(qū)動(dòng)芯片組進(jìn)行控制，節(jié)約單片機(jī)I/O口資源。并且，直流電機(jī)選定行星齒輪的減速器，在斷電狀態(tài)下可以自鎖。模塊介紹：【機(jī)械手系統(tǒng)】機(jī)械手的工作原理：機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)由腰部傳動(dòng)，上臂傳動(dòng)，前臂傳動(dòng)，肘部傳動(dòng)和腕部傳動(dòng)五部分組成。腰部由底座上的直流電機(jī)直接傳動(dòng)；上臂定在腰部底板上，安裝在腰部上的直流電機(jī)通過(guò)傳動(dòng)帶動(dòng)上臂左右搖擺或運(yùn)動(dòng)；肘部固定在上臂末端，其直流電機(jī)固定在大臂上，通過(guò)傳動(dòng)帶動(dòng)肘部；小臂固定在肘部末端，通過(guò)肘部上的直流電機(jī)傳動(dòng)帶動(dòng)小臂運(yùn)動(dòng)；舵機(jī)固定在小臂末端，通過(guò)傳動(dòng)帶動(dòng)手腕的轉(zhuǎn)動(dòng)?！疽曈X(jué)系統(tǒng)】該機(jī)器人使用了機(jī)體上和機(jī)械臂上兩個(gè)攝像頭，組成視覺(jué)系統(tǒng)，來(lái)完成圖像采集。攝像頭通過(guò)射頻發(fā)送信號(hào)，接收器接收到視頻信后通過(guò)視頻采集器轉(zhuǎn)換后，利用USB接口與PC機(jī)連接。并在WINDOWSXP系統(tǒng)上VisualStudio2008開(kāi)發(fā)平臺(tái)下的C++界面程序中，利用MicrosoftDirectXSDK開(kāi)發(fā)包中的directshow工具，配合OpenCV（OpenSourceComputerVisionLibrary），可以直接打開(kāi)攝像頭，接收信號(hào)。利用這類API接口，可以實(shí)現(xiàn)多線程控制?！緹o(wú)線控制系統(tǒng)】在PC機(jī)的程序中，通過(guò)Win32位控制臺(tái)程序的鍵盤輸入，可以選定特定的電機(jī)，并通過(guò)方向鍵進(jìn)行電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。其實(shí)質(zhì)是，識(shí)別鍵盤信號(hào)，編寫串口，通過(guò)nrf905無(wú)線傳輸芯片與機(jī)器人上搭載的freescale芯片進(jìn)行通信，從而達(dá)到遠(yuǎn)程控制設(shè)備的目的?！倦姍C(jī)驅(qū)動(dòng)】利用BTS7960、BTS7970芯片搭設(shè)驅(qū)動(dòng)模塊?！厩斑M(jìn)系統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)】擬定機(jī)器人長(zhǎng)50cm，寬30cm，高15cm，最大行進(jìn)速度是0.1m/s，最大抓取質(zhì)量是0.5kg，爬坡傾角是30度，可持續(xù)工作時(shí)間為6h?！鹃_(kāi)發(fā)環(huán)境】PC機(jī)（上位機(jī)）：VisualStudio2008+MicorsoftDirectXSDK+OpenCVOpenCV是Intel?開(kāi)源計(jì)算機(jī)視覺(jué)庫(kù)。它由一系列C函數(shù)和少量C++類構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)了圖像處理和計(jì)算機(jī)視覺(jué)方面的很多通用算法。OpenCV擁有包括300多個(gè)C函數(shù)的跨平臺(tái)的中、高層API。它不依賴于其它的外部庫(kù)——盡管也可以使用某些外部庫(kù)。DirectShow是微軟公司提供的一套在Windows平臺(tái)上進(jìn)行流媒體處理的開(kāi)發(fā)包，9.0之前與DirectX開(kāi)發(fā)包一起發(fā)布，之后包含在windowsSDK中。運(yùn)用DirectShow，本小組可以很方便地從支持WDM驅(qū)動(dòng)模型的采集卡上捕獲數(shù)據(jù)，并且進(jìn)行相應(yīng)的后期處理乃至存儲(chǔ)到文件中。單片機(jī)：CodeWarriorV5.0。CodeWarrior是由Metrowerks公司提供的專門面向Freescale所有的MCU與DSP的嵌入式應(yīng)用開(kāi)發(fā)的軟件工具。其中包括集成開(kāi)發(fā)環(huán)境IDE、處理器專家、全芯片仿真、可視化參數(shù)顯示工具、項(xiàng)目工程管理、C交叉編譯器、匯編器、鏈接器以及調(diào)試器。CodeWarrior擁有智能的代碼調(diào)試檢錯(cuò)功能，能夠檢查程序代碼中的語(yǔ)法錯(cuò)誤，并且給出提示以便讓用戶修改，錯(cuò)誤排除后通過(guò)編譯鏈接就可以生成可執(zhí)行代碼。CodewarriorIDE中的mc9s12xs128.h文件對(duì)所有寄存器對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)映射地址都進(jìn)行了宏定義，開(kāi)發(fā)者在軟件開(kāi)發(fā)時(shí)直接調(diào)用這些宏就可以了。而且，這些宏的名稱都與說(shuō)明文檔上相應(yīng)寄存器的名稱相同或類似，這樣，很便于對(duì)所需單片機(jī)的開(kāi)發(fā)?？尚行苑治觯海ú簧儆?00字）機(jī)器人采用前端鰭狀肢履帶設(shè)計(jì)?？勺兪仅挔钪膸Ь邆淞己玫臋C(jī)動(dòng)性能，在越障、跨溝、攀爬等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，運(yùn)動(dòng)范圍和能力都大大提高，更能適應(yīng)各種不同的復(fù)雜環(huán)境。美國(guó)Packrot機(jī)器人與國(guó)產(chǎn)DragonGuardX3B反恐機(jī)器人均采用前端鰭狀肢履帶設(shè)計(jì)。美國(guó)IRobot公司生產(chǎn)的Packbot系列機(jī)器人和Foster-miller公司研制的Talon機(jī)器人較為盛名，并在伊拉克戰(zhàn)爭(zhēng)中得以成功應(yīng)用。在白井良明編著的《機(jī)器人工程》一書中詳細(xì)介紹了機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)，控制與感覺(jué)系統(tǒng)。機(jī)械手可通過(guò)編程來(lái)完成各種預(yù)期的作業(yè)任務(wù)，在構(gòu)造和性能上兼有人和機(jī)器各自的優(yōu)點(diǎn)，尤其體現(xiàn)了人的智能和適應(yīng)性。在救援機(jī)器人上采用機(jī)械手的做法，是合理而又必須的。視覺(jué)系統(tǒng)上采用雙攝像頭，1號(hào)攝像頭用于觀察整個(gè)機(jī)器人所處的環(huán)境，2號(hào)攝像頭配合機(jī)械手進(jìn)行物體抓取。攝像頭可以選用USB2.4G微型SyntekSTK1160攝像頭。該攝像頭:380線1/3索尼，水平解晰度，支持高品質(zhì)畫面播放；內(nèi)置可充鋰電池，連續(xù)工作時(shí)間1~2小時(shí)；內(nèi)置麥克風(fēng)，支持語(yǔ)音監(jiān)控；可選4頻道設(shè)置以控干擾，滿足該課題的要求；空曠無(wú)障礙無(wú)線傳輸距離：(實(shí)測(cè)10-30米）；有阻（室內(nèi)）無(wú)線傳輸距離：幾米內(nèi)（一堵墻實(shí)測(cè)）。重量?jī)H60g方便機(jī)械手搭載。同時(shí)，相對(duì)應(yīng)的視頻采集卡：

USB2.0接口，支持熱插拔，無(wú)需拆機(jī)箱；FULLDL高分辨率，PAL：352X288、640X480、720X576或全屏清晰高像素顯示；可捕捉高品質(zhì)動(dòng)態(tài)及靜態(tài)畫面；兼容Win2000/XP/VISTA；一路AV及一路S端子視頻輸入，一路USB輸出。并自帶SDK開(kāi)發(fā)包，該視頻采集卡滿足課題需求。目前程序利用集成Directshow的方式，將抓取的視頻流轉(zhuǎn)換為OPENCV可編輯的圖片格式IplImage，不用安裝龐大的DirectX/PlatformSDK。在vc6.0中測(cè)試將該代碼移植到mfc下時(shí)(特別是顯示到控件上時(shí))，性能不如OPENCV中的CvCapture；mfc下顯示使用CvvImage對(duì)象的DrawToHDC方法。最明顯的差別在cpu使用率上，即使都開(kāi)到多線程中，DirectShow采集圖像的方法僅僅顯示cpu使用率就高達(dá)60%，拖動(dòng)時(shí)能高達(dá)80%，且資源釋放緩慢；但是采用CvCapture，即使帶上一些圖像處理步驟，cpu使用率也基本在50%以下。所以，本課題暫不移植到MFC下。動(dòng)力源作為直流電機(jī)，可以選擇12V/1A左右的電機(jī)，即保證了動(dòng)力，又不會(huì)使得電源部分變得復(fù)雜。直流電機(jī)控制利用BTS7960芯片，該芯片支持0-45V,±40A輸出，且輸入和輸出是隔離的。根據(jù)IN