基本信息
- 项目名称：
- 分布式仿生救援机器蝎的研究与设计
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 分布式仿生救援机器蝎是为灾难救援而研制的，它的任务是在大地震后的地下废墟中参与救援并寻找幸存者。它是由主机器人与分布式探测机械蛋组成，其中主机器人配备了彩色摄像机、电子罗盘、测距定位系统和通讯等系统，而机械蛋的参与可以提高搜索和探测范围，并构建起一个分布式无线自组网络，将分布各处的机械蛋探测结果通过自组网发至主机器人或远处的救援人员，以提高救援效率。
- 详细介绍：
- 发生地震和煤矿安全事故时，由于事故现场地形复杂，使救援人员不能很好的开展救援活动。所以有必要设计一种救援机器人在大地震后的地下废墟中参与救援并寻找幸存者。 本机器人由主机器人与分布式探测机械蛋构成，其中主机器人配备了彩色摄像机、电子罗盘、测距定位系统和通讯等系统，而分布式探测机械蛋则有一些必要的传感设备和无线射频模块组成。机械蛋的参与可以提高机器人的搜索探测范围，并在救援现场构建起一个分布式无线自组网络，网络中的各个探测机械蛋将分布各处的探测结果通过自组网转发至主机器人或远处的救援人员，以提高救援效率。 一、主体机器人的设计： 1、机械部分 底盘的设计： 为适应在不同的地形环境，我们采用履带式机器人底盘。设计中采用了机械臂辅助行走的方案设计使得机器人的行走方案得以简化的同时不减其越障能力。 机械臂的设计： 机械臂的设计摆脱了传统，不仅可以用来拿握物品，更有辅助履带行走的功能，当机器人遇到难以通过的障碍物的时候，此时机械臂将发挥强大的作用。机械臂采用推杆电机，每个推杆电机的推力都在300kg以上，这就很好的解决了它的辅助行走动力问题。机器人的手臂主要完成以下几个功能：抓举物体，伸展等。采用二自由度，同时结合车体的移动可以完成较大范围的探测。通过控制推杆电机的伸展和收缩实现机械臂的运动。 机器蝎动作控制： 机器蝎的控制主要包括行进控制、机械臂控制和变形控制等方面。机器蝎需要控制在一个合适的速度行驶，在救援的过程中既要以较快的速度找到救援地点，又要防止因为碰撞而影响或灾难地恶略的环境。小车的速度是由两只24V 240W的直流电机控制。为了能够驱动如此大功率的两台电动机我们选用了FSBB20CH60的高性能功率模块。 主控电机驱动： 智能功率模块是电力集成电路的一种，集功率器件( IGBT)、驱动电路和保护功能于一体,内部含有门极驱动控制、故障检测和多种保护电路，其核心器件是IGBT。智能功率模块与以往IGBT模块及驱动电路的组件相比具有许多优点：内含驱动电路、过电流保护(OC)、短路保护(SC)、驱动电源欠压保护(UV)、过热保护和故障输出(FO)等。因此作为次分布式仿生救援机器蝎的主控电机驱动，其有着相当高的可靠性。 2.数据采集 图像采集子系统：用于操作人员观察机器人自身状态和环境情况,并且要求能够按照操作人员需要,搜寻目标并识别。因此需要安装云台摄像机搜寻和识别救援目标,安装几个小摄像头观察自身状态。 环境信息采集子系统：采集周围环境信息,用于对比赛环境进行地图绘制和机器人自身定位。对比一些测量手段,超声波测距及电子罗盘具有数据获取速度快,实时性强数据量大,精度较高主动性强,能全天候工作全数字特征,信息传输、加工、表达容易等等优势。因此选用超声波及电子罗盘构建环境地图。 3.网络传输系统 数据通过无线网络传输，控制台计算机和机器人上的凌动N270平台各安装有一块TL-WN322G+ 54M无线USB网卡。他们之间通过TP-LINK公司生产的TL-WR741N150M无线宽带路由器组成无线局域网。该网络采用IEEE 802.11g协议，传输距离室内最远100米；室外最远300米。把无线路由器置于操控台和机器人之间的高处,使无线路由器和两块无线网卡之间的障碍物尽可能少,充分的利用了无线网络的覆盖区域,并且尽量减小了无线信号的衰减,使传感器信息和控制信号能够传输的距离更远。 二、分布式机械蛋的设计： 微型机械蛋的设计目的微型机械蛋体积小重量轻，活动灵活。 1、主控模块：完成探测，信息采集分析，RSSI定位定向。 2、微型机械蛋：采用蛋形结构，体积小方便进入复杂地形，可以发出光芒可使人看到！ 生命信号探测模块：人声识别结合热释红外传感器搜寻幸存者。 3、自主导航模块：电子罗盘结合超声波传感器实现微型机械但在复杂地形的自主导航。 定位模块：利用RSSI定位算法实现微型机。 械蛋的实时定位，并通过无线网传输给主控模块。 4、自组网：实现当微型机械蛋与主控模块距离过远时采用自组网的形式传回当前数据。
作品图片
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 救援机器蝎设计、发明的目的： 近年来随着接连不断的局部战争的爆发和恐怖事件的发生，因救援及排险而造成的二次伤害已成为公众关注的焦点问题，采用机器人参与这些工作可明显降低人员的再伤害。 基本思路： 根据机器人设计及应用领域，对机器人进行设计。首先机器人必须进入救援现场才能实施救援，而救援现场地形复杂，采用机械臂辅助履带式行走方案可以较好的保持其越野能力，同时为了进一步增强探测范围，采用分布式机械蛋，进行分布探测。 创新点： 首先设计采用机械臂辅助行走，大大提高了机器蝎的环境适应力，使其在保持较强越野能力的同时简化行走方案。其次分布式机械蛋的参与可以提高机器人的搜索探测范围，并在救援现场构建起一个分布式无线自组网络，将分布各处的机械蛋探测结果转发至远处的救援人员，大大提高了救援效率。 关键技术： 1、机器人主题的设计 2、分布式系统的应用 3、传感设备的综合应用
科学性、先进性
- 作品通过对相关图表数据的分析、论文的参考以及相关报道的了解，采用合理的力学分析，建立了分布式仿生救援机器蝎的系统模型。设计思路清晰，功能合理， 通过对相关资料及报道的了解，一些发达国家机器人的研究一直处在世界的前沿，我国发展还处在功能性的可实现研究阶段，机器人用于救援也是最近几年才发展起来的研究方向。本作品结合机器人与物联网技术并结合应用于灾后救援，具有一定先进性
获奖情况及鉴定结果
- 本作品曾在2010年中国机器人大赛（7月18—20日，鄂尔多斯）公开赛救援小组中斩获佳绩，荣获季军。
作品所处阶段
- 作品主体已基本完成，各个模块也调试成功，即将进入最后的整体的组装及调试阶段
技术转让方式
- 无
作品可展示的形式
- 1：论文展示 2：视频展示 3：现场实物展示
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 分布式仿生救援机器蝎是为灾难救援而研制，使用在地震的灾后救援，危险物品的排除及危险环境的探查领域。 机器人配备了彩色摄像机、电子罗盘、测距定位系统和通讯等系统，并可由机械蛋在现场构建起一个分布式无线自组网络，将机器人及分布各处的机械蛋探测结果通过自组网发至主机器人或远处的救援人员，救援效率高。 随着近年来接连不断的局部战争的爆发和恐怖事件的发生，由机器人参与的救援机排险工作因其可明显降低工作中人员的再伤害必将成为公众关注的焦点问题并具有广泛的应用前景。
同类课题研究水平概述
- 国外尤其是美国一些发达国家机器人的研究一直处在世界的前沿，国内发展较落后，机器人的设计还处在功能性的可实现研究阶段，机器人用于救援也是最近几年才发展起来的研究方向，而结合机器人与物联网技术并应用于灾后救援的尚未见报道。
