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团队名称：英才五队参赛队员：王阳阳、王兵、许永强、郭海报、胡梦迪指导教师：王甲琛、李辉、谢宏霖、孙娅彬参赛单位：山东英才学院山东省大学生机器人大赛项目研究报告搜救机器人设计目录摘要......................................................................1第一章搜救机器人设计概述.................................................21.1引言..............................................................21.2国内外机器人的发展和研究现状.......................................2第二章搜救机器人的主要研究内容...........................................92.1救援机器人的机械设计...............................................92.2机器人运动分析....................................................112.3机器人的传动系统设计..............................................14第三章搜救机器人硬件设计................................................173.1电源电路..........................................................173.2寻线电路..........................................................173.3避障电路..........................................................173.4控制器电路........................................................213.5声光报警电路......................................................223.6电机驱动电路......................................................233.7显示电路..........................................................25第四章机器人设计总程序..................................................264.1机器人设计流程....................................................264.2机器人设计代码...................................................29第五章搜救机器人的系统调试与总结........................................43参考文献.................................................................441摘要摘要：本文从国内外的搜救机器人的发展和研究现状进行分析，总结出履带式搜救机器人的结构更加的具有搜救优势，从而展开了对履带式搜救机器人的了解、设计及其改进。首先我们对履带式搜救机器人进行了运动系统和传动系统的分析，制定了机械设计的方案。其次，在硬件方面，进行了电源电路、寻线电路、控制器、避障、声光报警器、电机驱动以及显示电路的设计，并针对避障电路进行了改进，我们采用传感器融合、将记忆算法运用到避障中、分级越障的方式达到更好的越障效果，减少搜救过程中因路障所造成的延时问题，从而提高效率，尽快的搜索到目标进行救援。本文最主要的创新点是改善了传统的搜救机器人的结构模式，设计了一种可以将底盘抬高越过障碍物的搜救机器人，它还可以单边提高机器人的重心从而适应不同的地形，该机器人在翻到后可继续行进，越障功能比较强大，更加的适应救援的要求。关键词：搜救、机器人、履带式、越障2第一章搜救机器人设计概述1.1引言在高速发展的高科技时代，随着计算机技术不断向智能化方向发展,机器人应用领域的不断扩展和深化,机器人已成为一种高新技术产业,在各个方面发挥着巨大的作用,将对未来生产和社会发展起越来越重要的作用。中国是一个自然灾害和社会事故多发的国家,煤矿事故、泥石流、台风时有发生。这些灾难发生后现场环境具有复杂性、未知性及潜在的二次伤害等特点,给救援队员的生命安全带来了很大隐患。在21世纪的今天，随着自然灾害、恐怖活动和各种突然事故发生的越来越多，地震、火灾、矿难等灾难发生后，在废墟中搜寻幸存者．给予必要的医疗救助，并尽快救出被困者是救援人员面临的紧迫任务。实际经验表明，超过48小时后被困在废墟中的幸存者存活的概率变得越来越低”1。由于灾难现场情况复杂，在救援人员自身安全得不到保证的情况下是很难进人现场开展救援工作的，此外，废墟中形成的狭小空阀使控救人员甚至搜救犬也无法进入。在这种紧急而危险的情况下，救援机器人可以为救援人员提供有效的帮助。将具有自主智能的救援机器人用于危险而复杂的环境中搜索和营救幸存者是非常实用的。机器人可以在灾难发生后第一时间进人灾难现场寻找幸存者，进入救援人员无法进入的现场搜集有关信息并反馈给救援指挥中心等。因此研制并改进一种能在第一时间代替搜救队员深入到这种危险灾难环境并探测现场有用信息的移动机器人使很重要的,它可为下一步营救行动的计划、决策提供可靠依据。1.2国内外机器人的发展和研究现状1.2.1国外机器人的发展现状机器人集中了机械工程、电子技术、计算机技术、自动控制原理以及人工智能等多学科的最新研究成果，代表了机电一体化的最高成就，是当代科学技术发展最活跃的领域之一。在救援机器人的研究方面，美国走在世界的前列，他具有独立的实验性无人作业，近年来灾难事故的不断增多，小型智能履带机器人的研究工作越来越受到现在人的高度重视。日本大阪大学研制出蛇形机器人，能在高低不平的模拟废墟上前进，其顶端带有31部小型监视器，身体部位安装传感器，可以在地震后的废墟里寻找幸存者。当今美国研究的智能机器人，能适应崎岖不平的地形环境、爬楼梯，它主要执行侦察、寻找幸存者、勘探化学品泄漏等任务。（1）1995年日本神户-大阪地震及其后发生在美国俄克拉荷马州的阿尔弗德联邦大楼爆炸案，揭开了救援机器人技术研究的序幕。2001年美国的911事件，美国机器人辅助救援中心和其他一些单位的救援机器人参与了救援活动。例如Foster-Miller公司的系统（图1-2-1）、Tolon系统（图1-2-2）如下图所示：图1-2-1Foster-Miller公司的系统图1-2-2Tolon系统（2）日本的Hirose教授首先提出蛇形机器人运动系统，并研制出了第一个蛇形机器人（图1-2-3），图1-2-4为蛛型机器人4图1-2-3蛇形机器人图1-2-4蛛型机器人（3）履带式机器人是为了满足军事侦察、拆除危险物等作业的需要，在传统的轮式移动机器人的基础上发展起来的。下图给出了目前国际上几家著名机器人公司的典型产品，他们主要是为了满足军事需要而开发的，体积普遍偏大，不太适合在倒塌的建筑物废墟中狭小空间内搜寻幸存者。（a）Foster-Miller公司（b）Inuktun公司的（c）SPAWAR的的SOLEM机器人Minitrac机器人urbot机器人（4）形状可变履带机器人，是指该机器人所用履带的构形可以根据地形条件和作业要求进行适当变化。下图为一种形状可变履带机器人的外形示意图。该机器人的主体部分是两条形状可变的履带，分别由两个主电动机驱动。当两条履带的速度相同时，机5器人实现前进或后退移动；当两条履带的速度不同时，机器人实现转向运动。当主臂杆绕履带架上的轴旋转时，带动行星轮转动，从而实现履带的不同构形，以适应不同的运动和作业环境。图1-2-5形状可变履带机器人外形示意图图1-2-6履带变形情况和适用场合(a)越障(b)上下台阶（5）为了能进入狭小空间展开搜救工作，要求机器人的体积要尽可能小，但体积小了搜索视野就会受到限制，为了解决这已矛盾，近年来在传统牵引式多态搜救机器人。图1-2-7为美国Irobot公司生产的Packbot系列机器人，packbot机器人有一对鳍形前肢，这对鳍形前肢可以帮助崎岖的地面上导航，也可以升高感知平台以便更好地观察。图1-2-8为加拿大inuktun公司MicroVGTV多态搜救机器人，他可以根据搜索通道的大6小及搜寻范围的远近灵活地调整形状和尺寸。（a）正常状态（b）直立状态图1-2-7美国Irobot公司packbot多态搜救机器人（a）平躺状态（b）半直立状态（c）直立状态图1-2-8加拿大Inuktun公司MicroVGTV多态搜救机器人（6）仿生搜救机器人：虽然履带式可变形多态机器人可根据搜索空间的大小改变其形状和尺寸，但受驱动方式的限制，其体积不可能做得很小。为了满足对更狭小空间搜索的需要，人们根据生态学原理研制了各种体积更小的仿生机器人，其中蛇形机器人就是其中很重要的一类。图(a)为cmu研制的安装的蛇形机器人。图（b）为日本大阪大学研制的蛇形机器人。图（c）为美国加州大学伯克利分校研制的身高不足2cm的苍蝇搜救机器人。随着技术的不断成熟，相信蛇形、蝇形等仿生机器人会在灾难搜救工作中发挥越来越大的不可替代的殊作用。（a）CMU研制的基于移动(b)日本大阪大学（c）加州大学伯克利平台的蛇形机器人蛇形机器人分校研制的苍蝇机器人图1-2-9仿生机器人71.2.2国内机器人的发展现状我国已在“七五”计划中把机器人列人国家重点科研规划内容，拨巨款在沈阳建立了全国第一个机器人研究示范工程，全面展开了机器人基础理论与基础元器件研究。十几年来，相继研制出示教再现型的搬运、点焊、弧焊、喷漆、装配等门类齐全的工业机器人及水下作业、军用和特种机器人。目前，示教再现型机器人技术已基本成熟，并在工厂中推广应用。我国自行生产的机器人喷漆流水线在长春第一汽车厂及东风汽车厂投入运行。1986年3月开始的国家863高科技发展规划已列入研究、开发智能机器人的内容。国内现在针对救援机器人的研究相对分散，主要集中在警用、民用的便携式履带机器人。虽然我国救援机器人的研究才刚刚起步但进展很快。例如清华大学精密系及其自动化实验室的微小型机器人可以很好的实现目标、视觉信息的分析处理。在5.12地震发生后，谢敬涛等5位重庆交大的5位同学经过商量后便有这个想法，发明一个越障能力强的机器人----蛇形机器人图1-2-10蛇形机器人由中科院沈阳自动化研究所机器人学国家重点实验室研制的废墟洞穴搜救可变形机器人、空中搜索探测机器人（如图1-2-11所示）,在位于北京西郊凤凰岭的国家地震紧急救援训练基地完成了综合调试演练，并达到了预期性能指标。8废墟洞穴搜救可变形机器人图1-2-11空中搜索探测机器人9第二章搜救机器人的主要研究内容现有的救灾机器人移动机构主要有:无肢运动(以蛇形机器人为主)、轮式、腿式、和履带式等。蛇形机器人具有运动稳定性好、适应地形能力强和高的牵引力等特点，但多自由度的控制困难，运动速度低;轮式机器人具有结构简单、重量轻、轮式滚动摩擦阻力小和机械效率高等特点，但越过壕沟、台阶的能力差;腿式机器人具有适应地形能力强的特点，能越过大的壕沟和台阶，其缺点是速度慢;轮腿式机器人融合腿式机构的地形适应能力和轮式机构的高速高效性能，其缺点是结构相对复杂;履带式机器人地形适应能力强，是当今设计的主流，我们对履带式搜救机器人进行了设计和改进。2.1救援机器人的机械设计移动载体的任务是执行机器人的移动功能，采用关节型履带移动车可以更好的实现在危险环境下的救援