多功能救援机器人设计

编号: 毕业论文(设计)题目多功能救援机器人德州学院毕业论文（设计）开题报告书德州学院毕业论文（设计）中期检查表院(系)：机电工程系专业：机械设计制造及其自动化2012年04月21日目录1 引言 (1)2 总体设计方案 (2)3 设计方案 (3)3.1 机械结构设计 (3)3.2 电气控制设计 (5)3.3 电脑上位机控制软件 (8)4 理论设计计算 (9)4.1 齿轮设计 (9)4.2 链条设计 (12)5 工作原理及性能分析 (15)6 创新点及应用 (15)7 结论 (15)参考文献 (15)谢辞 (17)多功能救援机器人摘要：该机器人具有一定越障能力，可以在震后废墟中自由行走，可以攀爬楼梯，生命探测、协助救援、无光线搜救、数据信号传输等功能，还可以配载食品、水、急救包等物品。

机器人具有的音频探测、视频观测，探测温湿度、实现野外长距离通讯，传输野外恶劣环境实时视频图像，为抢险救援提供重要依据和支持，同时车体内部可以加上消毒剂，由机器人自带的喷头进行喷洒消毒剂。

解除了人在火灾现场、震后现场的危险劳动。

关键词：机器人视频观测生命探测抢险救援1 引言世界上许多国家都在研制军用机器人、探测机器人、救援机器人、扫雷机器人、排爆机器人和消防机器人等危险作业机器人。

救灾机器人是机器人的一个新兴发展领域，属于危险作业机器人的一个分支，具有危险作业机器人的特点。

在世界各地，由于自然灾害、恐怖活动和各种突发事故等原因，灾难经常发生。

在灾难救援中，救援人员只有非常短的时间(约48小时)用于在倒塌的废墟中寻找幸存者，否则发现幸存者的几率几乎为零。

在这种紧急而危险的环境下，救灾机器人可以为救援人员提供帮助。

因此，将具有自主智能的救灾机器人用于危险和复杂的灾难环境下“搜索和营救” ( SAR)幸存者，代替人来处理复杂坏境是机器人学中的一个新兴而富有挑战性的领域。

图1 恶劣的灾害现场环境2总体设计方案图2 机器人在危楼中搜救遇到地震、火灾或塌方等，经常会出现人不能亲自到一些危险地方实施救援的情况，于是往往会想到让机器人来完成这些艰巨任务。

不过一般机器人行动都不太利落，遇到障碍物通常只能绕道而行，绕不过去，则只能就此作罢，该机器人具有一定越障能力，可以在震后废墟、火灾现场中自由行走，可以攀爬楼梯，轻松地越过一般的障碍物（高度小于20cm），机器人随身携带的摄像机将沿途拍摄的景象通过无线连接发送给计算机，以便让救援人员做出搜寻参考。

此机器人还有一个麦克和喇叭，可以让营救人员与受伤者说话交流。

救灾机器人是机器人的一个新兴发展领域，属于危险作业机器人的一个分支，具有危险作业机器人的特点。

在世界各地，由于自然灾害、恐怖活动和各种突发事故等原因，灾难经常发生。

在灾难救援中，救援人员只有非常短的时间(约48小时)用于在倒塌的废墟中寻找幸存者，否则发现幸存者的几率几乎为零。

在这种紧急而危险的环境下，救灾机器人可以为救援人员提供帮助。

因此，将具有自主智能的救灾机器人用于危险和复杂的灾难环境下“搜索和营救” ( SAR)幸存者，是机器人学中的一个新兴而富有挑战性的领域。

3 设计方案3.1 机械结构设计3.1.1轮子、齿轮设计齿轮传动的优点：1.齿轮传动比较准确、传动平稳;2.形闭合，效率高(0.98~0.99);3.工作可靠，寿命长;4.结构紧凑，外廓尺寸小;图3机器人轮子行星齿轮的顶端齿轮连接车轮，行星轮板中心将会安装由马达驱动的主动齿轮，在平地行进时，主动齿轮通过惰轮驱动顶端齿轮，各齿轮转动如图所示，顶端齿轮与其连接的车轮一起转动，从而带动机器人前进。

当机器人遇到台阶或障碍物时，由于台阶或障碍物与车轮的摩擦力，行星轮的齿轮系都被锁住（图五所示），无法转动，这时整个行星轮板在中心齿轮的驱动下，变成一个类轮机构转动，从而带动小车爬上台阶或越过障碍物。

具有上台阶时不需要停顿，操作容易，运行连贯的优点。

图4 机器人轮子内部齿轮结构3.1.2链条传动设计链传动是以链条为中间传动件的啮合传动。

如图五所示链传动由主动链轮1、从动链轮2和绕在链轮上并与链轮啮合的链条3组成。

链传动的优点(1)和带传动相比。

链传动能保持平均传动比不变；传动效率高；张紧力小，因此作用在轴上的压力较小；能在低速重载和高温条件下及尘土飞扬的不良环境中工作。

(2)和齿轮传动相比。

链传动可用于中心距较图5 链传动机构大的场合且制造精度较低。

本机器人前后轮之间的大距离不宜采用齿轮传动，皮带传动又会带来很大的滑动，所以采用链式传动比较合适，图六为该机器人的链传动连接。

图6 本机器人所用的链轮的设计3.2 电气控制设计3.2.1单片机控制部分本机器人控制采用STC89C52单片机，单片机通过接受外部传感器传来的信号来控制机器人。

单片机通过处理遥控器发射的信号，来控制机器人实现各种动作。

图7 单片机控制核心图8 MAX232通信3.2.2电机控制电路L298P是专用驱动集成电路，属于H桥集成电路，具有输出电流大负载能力强等特点，其输出电流为2A，最高电流4A，最高工作电压50V，可以驱动感性负载，如大功率直流电机，步进电机，减速电机，伺服电机，电磁阀等。

当驱动直流电机时，可以直接控制两路电机，并可以实现电机正转与反转，实现此功能只需改变输入端的逻辑电平。

通过使能端运用PWM波可以实现速度调整。

图9 本直流电机驱动原理图L298是SGS公司的产品，比较常见的是15脚Multiwatt封装的L298N，内部同样包含4通道逻辑驱动电路。

可以方便的驱动两个直流电机，或一个两相步进电机。

L298N芯片可以驱动两个二相电机，也可以驱动一个四相电机，输出电压最高可达50V，可以直接通过电源来调节输出电压；可以直接用单片机的IO口提供信号；而且电路简单，使用比较方便。

L298N可接受标准TTL逻辑电平信号VSS，VSS可接4．5～7 V电压。

4脚VS接电源电压，VS电压范围VIH为＋2．5～46 V。

输出电流可达2．5 A，可驱动电感性负载。

1脚和15脚下管的发射极分别单独引出以便接入电流采样电阻，形成电流传感信号。

L298可驱动2个电动机，OUT1，OUT2和OUT3，OUT4之间可分别接电动机，本实验装置我们选用驱动一台电动机。

5，7，10，12脚接输入控制电平，控制电机的正反转。

EnA，EnB接控制使能端，控制电机的停转。

图10 直流电机驱动PCB板3.2.3无线遥控电路图11 遥控无线接收模块SC2272 是与SC2262 配对使用的一块遥控解码专用集成电路。

采用CMOS工艺制造，它最大拥有12位的三态地址管脚，可支持多达531441个地址的编码。

因此极大的减少了码的冲突和非法对编码进行扫描以使之匹配的可能性，有16中编码方式，遥控功能更多，使机器人具有更多的遥控功能。

3.3 电脑上位机控制软件通过远端的上位机软件，可以由电脑实现对机器人的控制，并且通过无线NRF905模块实现现场数据传输，把现场的温湿度通过无线模块传到控制电脑端，实时监控现场的温度，湿度。

通过上位机软件可以清楚地实现现场的视频传输，把危险的现场视频传输到电脑，通过上位机软件控制机器人的各种动作。

图12上位机软件3.4 无线视频传输模块图13 无线视频传输2.4GHZ无线图像音频传送器，可以一拖四,具有图像自动切换功能，距离超远(视实际环境)，良好的微波抗干扰性能，优良的音/频接收品质，采用四信道开关，可采用一拖四使用方式，即一个接收机配四个发射器，图像每六秒钟自动切换一个画面，如接到电脑上，则可采用视频分割器同时收看四个画面。

本产品发射功率为标准2.0W，有效传送距离为15-300米(实际情况视环境而定)，载波频率2.4G，本品分别采用四信道开关，可采用一拖四使用方式；本产品发射功率为标准2W，有效传送距离为15-300米内(实际情况视环境而定)；良好的微波抗干扰功能。

有效避免900MHz等频段的无线电话信号或各类电火花及家用电器的干扰，同时也极大程度的避免本级发射频率对其他接收设备的干扰；4个频道可供选择，充分保证声音和图像的清晰接收；采用优良的调频方式，具有优良的音/视频接收品质；音/视频具有宽频特性，信噪比高。

以DVD作为信号源，视频直接接收效果与信号直接接驳电视机的收视效果不相上下。

发送CD音源，立体声效果极佳，音质上乘；广泛的应用扩展空间，可应用于医院、学校、商场、公司、仓库、小区、家庭等场所，体积小巧；4 理论设计计算4.1齿轮设计机器人轮子运动采用圆柱齿轮传动，齿轮配合时齿轮的分度圆必须重合。

齿轮在设计时需要校核齿面硬度、齿面磨损、齿根断裂等参数。

4.1.1齿轮各部分尺寸的计算公式：分度圆直径：d=mz齿顶高：ha=ha*m图14齿顶高系数:ha*正常齿：ha*＝1齿根高：hf=(ha* +c*)m全齿高：h= ha+hf=(2ha* +c*)m齿顶圆直径：da=d+2ha=(z+2ha*)m齿根圆直径：df=d-2hf=(z-2ha*-2c*)m4.1.2主要参数传动比ii=n1/n2=d2/d1=z2/z1 i>1减速运动,I<1加速运动齿数比u u=z大齿轮/z小齿轮u=1减速传动，u=1/i增速传动4.1.2圆柱齿轮的接触疲劳强度计算齿面接触疲劳强度的计算中，由于赫兹应力是齿面间应力的主要指标，故把赫兹应力作为齿面接触应力的计算基础，并用来评价接触强度。

齿面接触疲劳强度核算时，根据设计要求可以选择不同的计算公式。

用于总体设计和非重要齿轮计算时，可采用简化计算方法；重要齿轮校核时可采用精确计算方法。

分析计算表明，大、小齿轮的接触应力总是相等的。

齿面最大接触应力一般出现在小轮单对齿啮合区内界点、节点和大轮单对齿啮合区内界点三个特征点之一。

实际使用和实验也证明了这一规律的正确。

因此，在齿面接触疲劳强度的计算中，常采用节点的接触应力分析齿轮的接触强度。

强度条件为：大、小齿轮在节点处的计算接触应力均不大于其相应的许用接触应力，即：在载荷作用下，两曲面零件表面理论上为线接触或点接触，考虑到弹性变形，实际为很小的面接触。

两圆柱体接触时的接触面尺寸和接触应力可按赫兹公式计算。

两圆柱体接触，接触面为矩形（2axb），最大接触应力σHmax位于接触面宽中线处。

计算公式为：接触面半宽:最大接触应力:F——接触面所受到的载荷ρ——综合曲率半径，（正号用于外接触，负号用于内接触）E1、E2——两接触体材料的弹性模量μ1、μ2——两接触体材料的泊松比4.1.3直齿锥齿轮的接触疲劳强度计算公式将相互啮合的一对直齿锥齿轮转化为相应的当量圆柱直齿轮，对圆柱齿轮进行设计，再将圆柱齿轮的设计参数转化为锥齿轮的大端参数。

对于轴交角为90°的直齿锥齿轮传动，将齿宽中点处的当量圆柱齿轮的参数带入圆柱齿轮接触强度公式有：Zk——接触强度计算的锥齿轮系数，一般情况取1，当齿顶和齿根修形适当时可取0.85；Fmt——齿宽中点分度圆上的名义圆周力，N；dm1——小轮齿宽中点分度圆直径，mm；beH——接触强度计算的有效齿宽mm，一般取为0.85b；将当量直齿轮的参数转化为锥齿轮的大端参数，再进行整理直齿锥齿轮接触强度校核公式：Mpa 设计公式：mmd1——小齿轮大端分度圆直径，mm；KHβ——接触强度计算的齿向载荷分布系数4.2链条设计4.2.1滚子链的结构和规格链条再设计时需要校核链条的磨损，抗拉能力等参数。