基于应急救援的机器人设计研究

基于应急救援的机器人设计研究摘要：
随着科技的不断进步和人们对生命安全的严重关注，援救机器人在应用领域
方面也有了很大的发展空间。

援救机器人是一种能够在危险环境下执行任务，提
供救援及支援服务的机器人。

本文所设计的应急救援机器人使用同轴麦轮作为机
械的移动的底盘。

能适应绝大多数地形。

并且能够很好的通过较为狭小的过道。

自适应能力极强。

底盘采用高度结构化。

更易于维修和拆卸。

机器人采用ABB
IRB460机械臂。

结构简单方便，工作效率高，采用快拆设计，通过两颗螺丝更换
更多类型机械爪，实现更多功能。

机器人整体体积不大易于搬运且结构化易于拆
卸和维修。

最后使用DR16作为接收器。

接受范围广。

可在一公里以外进行遥控，信号稳定且价格实惠。

关键词：结构化；救援；机器人；
引言：
目前，援救机器人广泛应用于自然灾害、人工灾害、救援等领域在现代社会
发展的进程中，人们的生活方式、生存环境和风险事件变得越来越复杂和多元化，同时人类也缺少对应的应急救援技术和设备，如遭受自然灾害、肆意街头暴力、
特大传染病、恐怖袭击等各种突发事件。

在应对这些突发事件时，应急救援机器
人的角色变得越来越重要，但是当前市场上缺少满足应急救援的特种车辆，在这
样的背景下，开发应急救援机器人项目势在必行。

一、应急救援机器人结构设计
1.应急救援小车核心参数
重量、尺寸等，其中尺寸和重心高度可参考1表。

表1应急救援机器人核心参数
名称参数
重量（kg）17.8
长、宽、高（mm）810.510.430
重心高度（mm）170
机械臂自由度3
移动速度（m/s）前进：3.9
平移：3.2
最大上坡度数（°）纵向：15
横向：14
2.底盘部分
小车底盘使用四麦克纳姆轮共轴结构，每个麦克纳姆轮由单独的3508电机
进行驱动。

轮组形式为电机-联轴器-麦轮。

根据测量，单个轮组宽度约为130mm。

因此四麦轮并排排布所需宽度约为520mm，小于最大宽度 1200mm。

因此理论上可
以使用普通麦轮进行设计。

其中有20mm 宽度用于轮组间隙以及两侧保护装置。

3.轮组及悬挂设计
由于麦克纳姆轮的工作性质：四个麦克纳姆轮同时着地且力度相同时底盘才
能正常运动。

由于考虑地上存在斜坡，起伏路面等复杂地形。

因此需要设计一种
基于共轴麦轮结构的悬挂来适应场地要求。

独立悬挂会导致四个麦轮的着地力度
不同，会影响机器人的调试与控制。

因此设计了一种共轴麦轮的自适应悬挂结构。

原理为通过平行双曲柄结构连接同侧的两个麦轮，从而实现麦轮的z轴自由度运动。

4.车架设计
车架整体通过铝方管与板材搭建，无加工件。

使用螺丝以及铆钉进行连接，无需焊接。

车架易损部位的铝方管内置填充件增加强度，车架可以分为内框架以及外框架两部分。

内框架用于连接轮组和机械臂，结构受力大，有铝方管内部填充内嵌件进行加固。

外框架用于安装外壳，保护框，硬件系统，主要受外部冲击力。

5.机械臂部分设计
1.夹爪设计
在本设计中，三自由度机械臂的手部采用了传统齿轮啮合传动电机来实现手指的开合运动。

电机通过法兰与手指齿轮相连接，齿轮的运动进而带动手指实现开合动作。

为了适应抓取物资，工具需求，手指内部被设计为弧形，并且为了增加手指与物体接触面积，手指内部的表面被设计成锯齿形，以增大摩擦力。

2.小臂结构设计
小臂采用了电机通过法兰联轴器与连杆相连的方式来实现俯仰运动。

具体而言，电机的转动通过法兰联轴器传递到连杆上，而连杆的另一侧则与小臂相连，进而带动小臂进行俯仰运动。

3.大臂结构设计
在本设计中，三自由度机械臂的大臂采用了电机通过法兰联轴器与大臂相连的方式来实现俯仰运动。

具体而言，电机的转动通过法兰联轴器传递到大臂上，而大臂连接着小臂，进而带动小臂和手部进行俯仰运动。

6.驱动电机选型
由于无刷电机节能效率高，工作稳定，寿命长，结合以往实践经验选用大疆RoboMaser系列无刷电机为备选电机，具体型号为M2006和M3508。

二、电控部分设计
1.全向移动算法
常规平衡车不需要进行横向运动，因此只需要使用陀螺仪对底盘角速度和底
盘角度进行闭环。

但是由于麦轮平衡车需要进行移动小陀螺等更加复杂的运动，需要更为精确的横向运动速度。

同时由于横向运动的速度传感器不方便感知（加速度传感器误差过大），因此为了更好的控制底盘三个方向的运动速度，在
控制算法的设计上，我们使用麦轮步兵的逆向运动学公式，对底盘电机速度进行
闭环。

该方法可以取消转向环，保证横向速度的精确输出。

2.运动学分析
对于全向运动的机器人，其逆向运动学公式可以简单的认为是三个方向速度
的相加，得到最终的四轮速度。

同轴麦轮的全向移动公式与普通麦轮车基本一致，但因电机朝向不同，其电机旋转方向会有所差异。

逆向运动学公式如下：
V1=VX+VY+K1VW
V2=-VX+VY-K2VW
V3=VX-VY-K2VW
V4=-VX-VY+K1VW
这里V1,V2,V3, V4,均为电机速度，而非轮子旋转速度。

K1, K2为轮子距离
旋转中心的距离。

最终，麦克纳姆轮平衡小车的控制流程如图2所示。

主要分为
两部分，第一部分为VX与底盘角度控制，第二部分为平移旋转控制。

分别由两
个控制模块并行计算，各自输出四轮速度。

图2底盘控制示意图
3.开发平台与开发环境
使用KEIL-MDK5作为软件开发平台，KEIL-MDK5对Cortext-M4有非常完善的支持体系，提供仿真调试功能，内置多种网络协议、封装实时操作系统、图形开发支持库等丰富资源。

本设计中电机采用CAN通信总线反馈转子机械位置、速度、电流、温度等信息，同时通过CAN总线接收主控核心板发送的控制信息。

本设计共开设一条CAN 总线，挂载4个电机。

结语：
随着社会的现代化发展，工厂，高楼，商场等会越来越多，自然灾害不可避免，那么应急救援机器人就可以应对不时之需。

传统救援方式也存在不少弊病，
一方面由于灾后空间狭小、环境恶劣等问题，救援人员难以深入现场；另一方面，二次灾害随时有可能发生，处置稍有不当就可能给救援人员也带来严重安全危害。

而机器人能够抵御各种恶劣环境的侵袭，轻松进出各种人类无法企及的场所，具
备高强适应性。

机器人所具有的强大功能，也使得其能够更加专业化和有针对性
的实施各种救援行动，让救援变得更加合理、高效、精准、安全以及全面。

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