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第四届全国大学生机械创新设计大赛
广西赛区竞赛
参赛作品：穿越者救援机器人
学校：桂林电子科技大学信息科技学院
参赛学生：宾显文、潘久辉、李秋菊、刘江、李菲阳
指导老师：莫荣、郭振军
目录
摘要 (2)
1、研制背景及意义 (2)
2、设计方案 (2)
2.1机械系统 (3)
2.1.1行进模块 (3)
2.1.2转动和连接模块 (5)
2.1.3视频模块 (6)
2.2电气系统 (6)
2.2.1电气系统设计方案 (6)
2.2.2舵机驱动模块 (7)
2.2.3软件设计 (9)
3.样机制作及性能分析 (10)
4.创新点及应用 (11)
附录一 (13)
附录二 (16)
摘要
穿越者援救机器人是采用AT89s52单片机控制蛇体的行动。

此作品由接收装置、发送装置两大主要部分组成，细分为语音模块、视频模块、输送模块、旋转模块、行进模块。

蛇体援救机器采用有线控制的方式，可以克服信号干扰的问题。

作品的头部安装有摄像头，援救人员可以进行远程作业，通过摄像头了解灾难现场的状况。

蛇体的头部同时配备有语音模块，可以与受害者进行直接联系，舒缓受害者的情绪，给予他精神上的鼓励，同时带给他救援信息。

除此之外救援人员可以控制穿越者援救机器人的输送模块，通过软管给受害者供给水、营养液和流质食品，给予受害者另一份力量，与灾难斗争。

这样的作品带来了双赢的效果，即降低了救援人员的危险系数，同时提升了受害者的获救几率。

1、研制背景及意义
近年来，全世界范围内，自然灾害频频发生，使人民的精神和物质上遭受到严重的打击。

在众多的自然灾难中，地震破坏是致命的，很难避免。

地震发生时，地面剧烈颠簸摇晃，直接构成建筑物的破坏，地表的破坏，水体的震荡；间接引起火灾、水灾、毒气泄漏、细菌和放射性污染、疫病蔓延等等次级灾害。

震后的场景众所周知，震后的救援工作也尤为艰巨，当遇到受害者被困于狭小空间时更是进退两难。

本作品是针对于狭小空间救援的救援工作。

本着降低了救援人员的危险系数，提升受害者的获救几率这两大目标，设计了此作品。

蛇体救援机器头部安装的摄像头可以给外部援救人员提供有利的信息，以便调整方案，争取救援时间。

地震发生时的房屋倒产生大量的粉尘及颗粒物，极易导致受害者窒息，当发现被困于狭小空间的受害者时，不仅要考虑如何尽快将其救出，也应该及时的送水、营养液等，缓解不利症状。

灾难发生时，受害者不仅需要物质上的支持，也需要精神上的激励，蛇体机器人上的语音系统可以实现与受害者直接语音对话，给予意志薄弱的受害者一个精神支柱。

基于以上所述，本作品有重要的实际意义，它不仅可以降低援救人员的危险系数，还可以提升受害者的获救几率。

2、设计方案
整个系统由发送装置、接收装置两大部分组成。

以穿越者援救机器人为载体，各个装置分工合作，各自完成指定的目标。

图1为穿越者援救机器人总方案的组成方框图。

图1穿越者救援机器人总方案的组成方框图
当发现受困于狭小空间的受害者时，启动穿越者援救机器人，外部救援人员通过穿越者援救机器人头部安装的摄像头，了解路况，通过摄像头回馈的图像显示，应用控制主板即发送装置控制穿越者援救机器人的行进路线。

穿越者援救机器人携带的接收装置收到指令信号，进行相应的动作。

穿越者援救机器人到达目的地后，向受害者输送水、营养液和流质食品等。

前部的摄像头可以上下左右转动，实现实地考察的效果，有效的收集到有利的信息。

同时也可以进行语音对话，能更清楚地了解到受害者的状况，获取更可靠的信息。

由上述过程可以看出，整个系统主要由各装置机械结构和必要的电气系统组成。

此系统的语音模块和视频模块可以应用现成的产品改造，最重要的是穿越者穿越者援救机器人的行进问题。

此系统行进工程中要实现左右转动以及上下转动。

根据系统的要求，我们选用AT89S52作为核心控制器件。

这样实现系统控制思路清晰，控制比较简洁。

系统结构组成框图如图2所示：
图2系统结构组成框图
整个系统分为机械系统设计和电气系统设计，机械部分包括前进模块、旋转模块、视频模块、语音模块、输送模块，电气部分主要是按键选择模块和核心电路控制模块。

下面分别介绍系统的设计与实现过程。

2.1机械系统
2.1.1行进模块
系统的行进模块设计成四个关节，分别编号A、B、C、D。

其中A、C 节方向相同，B、D 节方向相同。

穿越者穿越者援救机器人以A 关节为头部，一般情况下，A、C 节正向前进，B、D 节的轮子仍然转动。

假如穿越者穿越者援救机器人九十度翻转，则B、D 节正向前进，A、C 节仍然转动。

车轮的正反转使用直流电机控制。

图3为行进模块的机构模型图
图3行进模块的机构模型图
此系统的设计可以比较有利的克服环境因素，灾难现场的路面绝对不会是平坦的，这样的设计能保证穿越者穿越者援救机器人能在坎坷的道路上，依然能够比较快速的到达目的地。

将A、B、C、D 四个关节设计成长方体，A、B、C 这三个关节都安装有后盖，用于各关节间的连接。

利用U 型支架以及两个舵机将后一个关节与前一关节相连。

电机的安装：为了减少每一节的长度，作品采用一组小齿轮带动车轮的转动。

如图4
所示为穿越者穿越者援救机器人直流电机的安装图。

D 关节C 关节
B 关节A 关节
车轮安装
方法
由于穿越者穿越者援救机器人一般情况下，以A、C 节为正向前进，D 关节的车轮与地面的摩擦比较大，会对其行进速度有一定的影响，所以我们在其尾部安装上两个万向轮。

所下图5所示，为尾部万向轮安装模型图。

图5穿越者援救机器人尾部万向轮安装模型图
2.1.2转动和连接模块
转动和连接模块由两个舵机搭建实现。

底部的舵机实现每个关节的左右转动，顶部的舵机实现每个关节的上下转动。

当穿越者穿越者援救机器人碰到障碍物时，可以起到避障的效果。

这样的设计使得穿越者穿越者援救机器人行动更加灵活，当遇到障碍物时不会一味的撞击，可以灵活的掉转。

旋转模块的机构模型图如图6
所示。

电机的安装模型
万向轮的安
装
2.1.3视频模块
在穿越者穿越者援救机器人的头部安装两个小型的舵机，控制摄像头的上下左右转动。

下图7为视频模块的机构模型图。

图7视频模块的机构模型图
应用舵机能够灵活的控制摄像头的旋转。

这样的设计有利于扩大视觉范围，能更好的看清周围的环境。

各关节之间的链接方式如下图8所示。

图8BCD 关节间的链接机构模型图
A、B、C 个关节尾部都用角铝固定一个后盖，利用B、C、D 关节前部的U 型支架将个关节链接起来。

2.2电气系统
2.2.1电气系统设计方案
当穿越者穿越者援救机器人碰到障碍物时，援救人员可以通过A
单片机的按键控制视频模块结构模型
ABC 关节的尾部
免障碍，以至于整体翻转时，B、D 关节（侧面）电动机转变成行进轮，机器人继续行进。

行进过程中，可以控制摄像头可以上下左右转动，使其更好的收集到周围的信息。

对于穿越者穿越者援救机器人需要解决的几个问题是：
1、各个关节电机的正反转及停止控制；
2、舵机的旋转设计；
3、多个舵机的协作运动；
4、确定控制逻辑。

根据上述问题可以确定单片机的控制点数的选择。

针对电机与舵机运转方式不同，系统通过不同的控制线路来分别控制电机与舵机的运转。

另外，系统中要求对摄像头进行旋转控制。

基于上述考虑，电机分为了正向、反向，舵机分为以舵机自身为y 轴的正负x 轴运动，特别将控制摄像头的舵机控制设置为4个按键直接控制。

对于电机和舵机的控制都采用单片机直接控制的模式，通过软件和继电器改变电机正反转。

整个控制系统分为两个模块：发送模块和接收模块。

发送模块包括电机运转控制选择和舵机控制选择。

其中，蛇形机器人的前进和后退（既电机的正反转）各设置一个按键，控制摄像头的两个舵机各设置两个按键。

蛇形机器人A 关节的左转和右转各设置一个按键。

系统分别设置了：5组按键:第一组：前进按键，后退按键;第二组：左转按键，右转按键；第三组：摄像头左转按键，摄像头右转按键；第四组：摄像头抬升按键，摄像头下降按键。

（当翻转时除第一,二组不变。

第三组与第四组功能互换。

）接收模块置与机器人尾部由有线线路连接至发送模块。

控制系统组成框图，如图9
所示。

图9控制系统组成框图
2.2.2舵机驱动模块
RS-485总线标准适应了多点通信的需要,且允许多到32个驱动器和32个接收器联接于单总线,因而实现了真正的多点总线结构。

RS485的接收器灵敏度为士0.2V,最大通信距离可达1200m,驱动器可以经受总线竞争和总线故障。

鉴于RS-485强大的多点通信功能以及远距离传输特性,
本系统中采用它来实现单
用MAXIM公司的MAX485接口芯片,来连接单片机与RS-485。

图为单片机使用MAX485构成的RS-485半双工点对点通信电路。

该电路中,单片机负责发送指令,数据通过RS-485到达云台,云台只被动地接收数据,执行单片机指令。

图10中,单片机的TXD、RXD连接到MAX485的4和1引脚,P1.0连接到2、3引脚。

只需通过电路接口扩展,便可简单地实现点对多点通信控制,即一台单片机控制多台并行工作。

图10利用MAX-485构成的RS-485半双工点对点通信电路
图11发送模块原理图
由图可知，发送模块由单片机最小系统、正5V直流稳压部分、MAX485基本原理图、P0口的排阻、按键模块、电源显示灯这五个部分组成。

外部援救人员通过按键模块对穿越者穿越者援救机器人进行操作。

信号通过MAX485传输。

图12接收模块原理图
接收模块由单片机最小系统、直流减速电机正反转控制模块、电源显示灯、正5V 直流稳压电源模块、舵机连接端口这六个部分组成。

这一部分安装在穿越者穿越者援救机器人的尾部，通过MAX485接收发送模块的信号。

随后进行相应的作业。

2.2.3软件设计
（a）发送模块软件设计
(b)接收模块软件设计
3.样机制作及性能分析
穿越者穿越者援救机器人由语音模块、视频模块、输送模块、旋转模块、行进模块和核心单片机控制模块等六大部分组成。

该系统样机图见下图12
所示。

图12穿越者穿越者援救机器人系统样机
样机整体机构主要由厚度为4mm的塑料板组装而成，外表喷上银白色漆。

系统的语音对讲模块与视频模块有现有的产品改装而成。

其中语音模块由全双工电话改装。

系统的输送模块由一根外部直径为8mm的软管加上一个小型水泵组成。

旋转模块由两个型号为sg5010的舵机、舵机杯轴、舵机支架组装而成。

行进模块由两个25*12的万向轮、多个裁好的塑料板、41转的直流电机、直径为6mm长度为110mm轴和匹配的轴承构成、内径为4mm的齿轮和内径为6的齿轮、直径为125的铝质车轮；塑料板运用角铝来固定，角铝的孔径为4mm。

内径为4mm的齿轮与41转的直流电机配合，内径为6mm的齿轮与轴配合，构成直流电机的传动。

行进模块构成了机器人的整体，关节之间的链接有舵机的配套U型支架链接，使得后一关节的U型支架与前一关节的后半相接。

此系统采用两块单片机控制。

A单片机通过MAX485将信号传给B单片机。

使得系统能达到前进及左右转的效果。

4创新点及应用
1）整个系统采用两块单片机控制器控制系统各个装置，完成了整个系统所有任务，
同时小舵机对摄像头的控制使摄像头运动灵活，取景优良，便于观察地形。

3）采用U型支架机构实现关节相连，结构简单，加工方便，各关节组装方便，制造成本低。

4）信号线集成于机器人拖动的水管，通信可靠性高；
5）机器人所拖动的水管可以为受困者提供水源和其他营养物质，提高救援和生还几率；
6)机器人携带语音系统，可以进行语音对话，更好地了解受害者状况，安抚受害者，减轻心理压力，增强信心；
7)机器人携带高清摄像头，可以实现视频显示，以便救援人员了解内部的地形和受困者基本情况；
8)运用有线供电和控制，可以保证机器人长时间的可靠运行。

5结论
穿越者穿越者援救机器人系统可用于地震、矿难救援，物资运送，信息通联；担负在人员难以进入的狭窄地区运送救援物资的任务，减少了救援的时间，延长了受困人员的可等待救援时间，减少搜救人员的投入，有效防止二次事故的发生，节约了成本，提高了工作效率，进而大大增加了救援的成功率，同时还能代替人类从事危险性高和狭小难以进入的地方进行勘探作业，具有重要的实际意义和较大的推广价值。

附录一、工程图
图141转的直流电机
图2内径为4mm的齿轮
图3内径为6mm的齿轮
图4
车轮与轴
图5扭力为4.5kg的大舵机与扭力1.6kg 的小舵机
图6
各关节的框架图
尾部
侧面
图7
固定角铝的类型
图8
舵机与机器人前部摄像头的安装侧面角铝
尾部角铝电机固定
角铝。