模块化多功能灾害救援机器人

1模块化多功能灾害救援机器人项目组成员：李路、张晨峰、王清川、李俊、张凯机电工程学院指导教师：张锋副教授、宋宝玉教授摘要：模块化多功能灾害救援机器人，将传统的单体机器人与多机器人系统相结合，实现了机械组件重组互换、电气系统通用模块化和嵌入式分布控制等技术。机器人各组件间的模块化特性可以满足救援工作中的各种环境与任务需求，其机械设计独创、电控设计先进高效。关键词：移动机器人；灾害救援；模块化设计；即插即用1.选题背景本课题研究来源于国家大学生创新性实验计划。立项之初，正值512汶川大地震灾后时期，灾害救援成为新时代背景下急需解决的新难题。抗震救援的经验表明传统意义的救援设备用途过于单一，功能缺乏整合；现有的救援机器人体积过于庞大，环境适应性欠佳。同时，现代意义的灾害救援已不仅局限于自然灾害救援，多种环境的综合救援才是迫切需要解决的问题，模块化多功能灾害救援机器人正是基于此立题的。2.方案论证为适应多种空间环境与任务需求，机器人需要具备各种地形的适应能力和各种功能组件的兼容性与互换性。现有灾害机器人的研究可分为单一机械本体，分布式控制两大方向。2.1单一机械本体的多用途救援机器人机械体系固定，底盘模式单一，负载能力强。此方式发展较早，较为成熟，多为针对特殊的场合设计，由于固定的底盘模式，无法适应多种环境与不同任务功能的快速切换。2.2多机器人系统采用多机器人实现机械外形的自组与重构。此种机器人多由若干个外形相同、功能各异的子机器人构成，并根据不同的环境进行组装，以适应不同需求。由于自身结构特点，负载能力较小。2.3方案分析综合分析以上两种方案后，本设计采用“积木式”的模块化机械连接方案，既具有单一本体式机器人的强负载能力又兼备多机器人系统的灵活互换性。首先，机器人采用多种通用型底盘，以适应不同的任务要求。其次，采用通用的机械连接与电气连接，实现模块化的互换要求。最后，设计统一的主体核心模块系统，兼容各种底盘，提供电力、指挥控制、同时可加载各型辅助设备。3.研究主要内容项目研究综合运用计算机辅助设计、虚拟装配、有限元结构分析、激光加工、印制电路板、高速嵌入式处理器和分布式控制等现代工程技术，配合AutoCAD,SolidWorks,COSMOSWorks,Proteus,AltiumDesigner以及AVRStudio等软件完成了机器人的机械、电子、控制设计。3.1主体核心模块机械方案设计本课题强调机械模块间的快速互换性能和“积木式”的拼插性能，故需要选择合适的机械结构以满足有限空间体积内的资源利用和插接要求。设计涉及多种底盘组合，但与之插接的仅为固定形态的主体模块，故选择合理的主体核心模块几何外形与机械结构尤为重要。3.1.1主体核心模块外框架设计与结构有限元分析本机器人采用六边形作为本体核心模块框架外形。首先，六边形空间利用率高。蜂房中采用六边形作为基础形态。本体核心模块采用六边形外框架可以充分增大内部空间，同时与外界插接2时有效减少空间占用；其次，六边形结构稳固，力学性能好，晶体中六边形结构较为稳固。设计中采用有限元分析软件COSMOSWorks进行结构设计分析，优化设计出最为合适的六边形外框架，使得其强度、刚度、抗压能力优异，同时重量轻、造价合理，满足设计要求。3.1.23D激光快速成型与支柱微结构主体核心模块的机械加工工艺采用了先进的激光快速成形技术，使用SomosProtoTool20L光敏树脂材料，将数字化三维模型经由3D激光快速成型生成为实体。制造过程快捷、环保，最大程度利用CAD与CAM的技术优势，增强机械结构性能、节约成本。经过有限元结构计算分析，发现主体框架横梁存在应力集中点，支柱耐压能力差等缺陷(如图1a)。为克服此缺陷，设计采用柱梁截面内嵌微结构技术，有效减轻重量，同时增强结构的力学性能(如图1b)。3.2运动模块方案选择3.2.1四种底盘运动模块适应各种环境需求机器人采用4种运动模块，独立传动四轮式底盘、全方位轮底盘、履腿底盘与仿生六足底盘，分别适应公路、室内、废墟与其他复杂环境。3.2.2非传统运动部件配置实现灵活运动性能独立传动四轮式底盘利用差动转向原理，无转向机构，为每个车轮设置独立电机(如图2)，提高运动性能同时增加系统抗破坏性能。电机控制采用先进8位嵌入式系统产生相频修正PWM进行调速，有效利用独立传动特性实现精确的运动控制与灵活的机性能。全方位轮设计填补室内机器人运动性能不足，使用三个全方位轮布局，绕几何中心均匀分布（如图3），实现平面内三自由度运动控制，控制算法利用坐标转换矩阵进行绝对参考系与各轮局部参考系变换，运动性能精确可靠[1]。3.2.3创新机械结构设计本项目中的履腿底盘和仿生六足底盘两种运动模块采用了独特的创新机械结构设计，完全不同于以往的机器人机构设计。其中履腿模块采用了一体式履腿结构，将履带驱动电机与腿关节抬升电机集成配置于履带内部，另外机械支撑结构巧妙设计兼具履带张紧功能，履腿子模块达到业内最小体积，集成化高、紧凑可靠。3.3电子模块化工程方案3.3.1实时操作系统嵌入式控制技术控制电路采用ARM7TDMI作为总控嵌入式处理器，运行嵌入式实时操作系统，实现多任务调度管理、决策与优先级规划，有效满足灾害救援机器人应对复杂环境的决策能力与智能适应性。3.3.2基于分布式控制的机器人模块化设计机器人系统采用分布式控制，采用一主机-多从机结构。主控制器完成上位机通信、总线仲裁、任务调度、路径规划；子控制器完成电机PID闭环、外部事件相应、周围环境传感等任务[2]。3.3.3双线制通信总线主控制器与子控制器间通过高速总线连接。采用改进型UART通信协议，由主控制器进行总线仲裁，并通过广播进行设备握手并进行数据交换。由于仅使用两线制总线，设备间连接线数量显著减少，通过规定线制的航空插口，快速热插拔配合机械连接实现模块化的设计。3.4创新型的任务模块灾害救援机器人多配备机械臂辅助救援工作，然而现有救援机械臂多为重型设计，多为程序控制或简易遥控，控制方式单调。本项目中自行设计出创新的轻型机械臂及其操纵方式，将无线(a)(b)图1主体模块结构有限元分析轮模块轮模块主体模块电机图2四轮底盘原理图V(t)ω（t）θYX图3全方位轮原理图3视频传输技术与多自由度示教仪相结合，提供操作者第一视角的任务视野，并可将操作者的手臂动作经由示教设备直接控制机械臂的运动。4.结论及体会模块化多功能灾害救援机器人实现了“积木式”的拼接，即插即用以及系统的自识别与控制等功能，达到了在各种复杂环境下进行灾后救援的要求(如图4~图7)。实物成果图图4轮式底盘模块图5履腿底盘模块图6全方位轮底盘模块图7六足底盘模块5.创新点5.1“积木式”的模块化机械连接采用“积木式”的机械模块化设计，运用独创的机械自适应双轨道导轨以完成“即插即用”功能，以主体为平台实现一物多用，可根据环境以及任务的种类快速组装模块，用最快的时间实现所需要的综合救援功能。5.2开放式模块接口便于功能拓展采用统一规格的航空插口进行线路整合，控制系统使用嵌入式微控制器实现分布式控制。系统有机地将现有成熟技术整合，电子和程序设计采用开放式方案，因此产品更利于后续开发及更新换代。5.3先进加工技术实现高性价比设计本系统主要机械框架采用3D激光快速成型技术，电子设备采用市场上成熟的商业工业产品，可在最小的成本范围及最短的开发周期内完成整合与运用，有较高的实用性与性价比，适合大量装备，及灾害发生时大规模使用。参考文献1.Roland·Siegwart.Illah·R·Nourbakhsh.IntroductiontoAutonomousMobileRobots.MITPress.20022.刘海成.AVR单片机原理及测控工程应用.北京航空航天大学出版社.2008.33．（日）日本机器人学会.新版机器人技术手册.科学出版社.20074.张毅、罗元、郑太雄.移动机器人技术及其应用.电子工业出版社.2007.9