吉林大学大学生创新性实验计划项目申请书范文.doc
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项目编号：
吉林大学“大学生创新性实验计划”
项目申请书
项目名称基于行星履带的无线控制搜救机器人
项目负责人
学院、年级、专业
联系电话
电子邮件
指导教师姓名职称
填表日期年月日
吉林大学教务处制表
2
填表说明
一、《吉林大学大学生创新性实验计划项目申请书》要按顺序逐项填写。
填写内容要实事求是，讲究诚信，不能有雷同；表达要明确、严谨。
空缺项要填“无”。
要求一律用A4纸打印，于左侧装订成册。
二、申请参加“吉林大学大学生创新性实验计划”项目团队人数不得超过5人（1人为项目负责人，参与合作研究者4人以内）。
三、申请参加“吉林大学大学生创新性实验计划”项目的个人或团队必须聘请教师作为项目指导教师，并请指导教师在申请书上签名。
四、《吉林大学大学生创新性实验计划项目申请书》由项目负责人所在学院初审，签署意见后报送教务处实习与实验教学科（一式3份原件）。
五、“项目编号”由教务处填写。
项目名称
基于行星履带的无线控制搜救机器人
申请经费
（元）
起止时间
2010年7月至2011年5月
负责人
教学号
姓名
年级
所在学院、专业
联系电话
E-mail
二年级
参加成员
二年级
二年级
二年级
二年级
指导教师
姓名
学院
职称
E-mail
联系电话
签名
一、项目申请理由（包括项目背景及自身具备的知识、素质、能力和已参加过的研究等条件）
1.项目背景：
很多自然灾害，让我们难以预测和防范，这些灾害往往会带来很大的损失和伤害。
随着科技的进步、发展，搜救机器人在各种抢险救灾中发挥着越来越重要的作用。
而现有的搜救机器人一般结构复杂、制作成本高，难以投入实际应用中。
鉴于此，我们创新的提出了一种基于行星式履带行走机构的搜救机器人，并实现对搜救机器人的无线控制和GPS导航，使其发挥更大的作用。
为我国的抗震救灾事业贡献出自己的一份力量。
2.自身具备的素质：
xxx（负责人）：
学习成绩优秀，做事认真负责，积极向上，有良好的组织能力，能够团结队友，还有较强的调研能力。
曾经参加过的研究和所具备的能力：
1）大一参加过汽车学院的本田节能车项目，隶属于发动机组，负责发动机排量和压缩比的改进。
2）大一参加过全国数学建模竞赛，但由于经验不足，只取得了鼓励奖。
3）大二参加汽车学院的FSAE项目，隶属于悬架组，做过有关防倾杆、阻尼器、轮辋的调研和研究。
4）能熟练应用CATIA三维建模软件（参加过培训），熟悉常用CAE软件，如多体动力学软件ADAMS、Recurdyn，前处理软件hypermesh，后处理软件abaqus。
xxx：
学习成绩优秀，做事认真负责，曾参加过的研究和所具备的能力：
1）大二参加汽车学院的FSAE项目，隶属于转向组，做过有关转向器的调研设计工作。
2）原计算机学院学生，擅长C、C++语言程序编写。
xxx：
学习成绩优秀，（校二等奖学金）做事认真负责。
大一参加过数学建模竞赛，由于经验不足未能获奖，对单片机程序编写比较了解。
xxx：
学习成绩优秀，做事认真负责。
大二参与了通信学院的足球机器人的研究工作，主要负责视屏信号采集。
xxx：
学习成绩优秀，做事认真负责。
擅长机械设计。
二、项目研究内容（目前研究的现状、主要研究内容，重点和难点及可能的创新点，研究思路和方法等）
1总述
1.1设计总述
我们设计的这一款基于行星履带式行走机构的无线控制搜救机器人具有以下特点：
1.创新性的将行星机构与履带结合，提高了搜救机器人的越障能力，尤其是客服了履带式行走机构无法翻越梯度较大障碍的弱点。
2.配套的设计了铰接式车身，提高了搜救机器人的通过性。
3.基于无线控制的搜救系统，更加灵活方便，可实现远距离遥控，提高了机器人的实用性。
4.各种传感器与GPS定位系统的添加，使得实际该机器人真正能投入到市场。
通过CATIA的三维建模我们初步得到行走机构的三维模型如下图：
1.2设计的技术要求及指标
1.2.1设计的技术要求
针对我们构想的搜救机器人所要实现的功能、结构以及工作环境，对搜救机器人存在以下要求：
l保证机器人能够在各种路况下稳定的行走；
l有视觉采集装置（摄像头）；
l遥控装置，按照人的意识行走；
l生命探测装置（人体热释电传感器）；
1.2.2设计的技术指标
要保证机器人能够在不平坦的废墟中稳定地行走，则要求机器人具有一定的越障能力和行驶稳定性。
这是我们工作的重点也是我们创新的地方。
我们设计了一种行星式的履带行走机构，能够适合各种路况，并且配套设计了铰接式车身，更加增强了机器人的越障能力，有很强的实用性，符合我国国情。
但是无论越障能力再强，也有机器人自身大小无法克服的障碍，因此是机器人选择适当的路径也是很重要的。
为了使机器人能够感知路面情况，从而选择有利行走的线路，达到目标位置。
我们为此设计了摄像机构，并添加各种传感器模块，然后将采集到的信息通过无线电传送到主控制机。
在救灾人员的遥控下，选择最佳的行走路线。
为了能够真正投入到实际的救灾搜救中，我们添加了各种传感器和GPS定位导航系统，这样的机器人才真正具有市场价值。
2行星履带式机器人的机械设计（创新点、重点）
2.1.1行走方式的选择及国内外研究现状
常见的行走机构有以下三种形式：
履带式，车轮式，步行式。
步行式行走机构难以控制，而且行走速度较慢不适合于救灾，所以轮式的行走机构国内外都不够成熟，不能投入到实际应用当中。
轮式行走机构最适合平地行走，不能跨越高度，不能爬楼梯，虽然速度较快，但无法适合救灾中复杂的地形地貌。
然而履带式行走机构有着自身独特的优点：
第一，履带式行走机构支撑面积较大，接地比压小，适合松软或泥泞场地作业，下限度小，滚动阻力小，通过性好；越野机动性能好，尤其是爬坡性能优于轮式行走机构。
第二，履带式行走机构转向半径极小，可以实现原地转向，其转向原理是靠两条履带之间的速度差实现转向。
第三，履带的支撑表面上有履齿，不易打滑牵引附着性能好，有利于发挥较大的牵引力。
鉴于以上三条，履带式行走机构有着得天独厚的优点，在越障救灾方面普遍采用履带式行走机构。
传统的履带式行走机构及其缺点：
但是这种单纯的靠两条履带的行走机构最大的弱点就是无法翻越比自身履带轮半径大的，梯度较高的障碍，例如上下楼梯，翻越大型石块。
鉴于此，很多人对履带装置做些改造，增强了履带的适应性，常见的有：
双关节（多关节履带式行走机构）
以上两种机器人采用的是给主车体添加一个前摆臂，机器人通过调节摆臂关节角度适应地面的变化。
越障过程中不断调解前摆臂的角度，来实现对阶梯的翻越。
但由于加了摆臂，驱动控制起来就有点复杂，不但要给机体本身施加动力，而且关节处还有施加相应的驱动。
尤其是前臂何时抬起，抬起到什么角度，需要多大的力，都需要进行精确的计算。
这样关节式履带机器人往往造价较高，无法普及，不符合我国国情。
轮履复合式行走机构：
这种行走机构一般分为三节，中间是轮式，两边为履带摆臂，采用这种机构可以充分发挥轮式的快递性，又可以突出履带式良好的地面适应性。
但同样这种设计造价很高，不宜推广。
以上三种设计主要是为了克服履带不能翻越梯度较高的障碍这一缺点，但普遍存在造价高、机构复杂、难以控制的通病。
2.1.2行走机构方案设计
鉴于上述的介绍和分析，我们设计了一种基于行星机构的履带式行走机构，这种设计机构简单，在保证履带式行走机构优点的前提下，克服了履带式行走机构不能翻越梯度较高的障碍这一弱点。
创意来源：
此次的创意来源与生活，如下图所示：
这种常见的用于上下楼梯的行李车就是采用了三角式的行星装置。
我们受此启发，集合行星轮与履带，创造出了这种行星履带式的行走机构。
三角行星式履带内部结构及翻转原理
三角行星结构原理图如图所示
三角行星结构原理示意图
具体工作原理为:
由直流电机8驱动中心齿轮5转动,来带动过渡齿轮4和驱动齿轮2进行转动,而驱动齿轮2和履带轮1是固接在一起的,从而带动履带轮轮1绕驱动轮轴3转动。
将这种三角行星装置合理的添加到履带行走机构上，就能够克服履带不能翻越较高梯度障碍这一弱点。
在梯度较为平缓的路况下，该机构和正常的履带式行走机构一样，有较好的适应性和通过性，能适应大多数路况。
当遇到较大梯度的障碍时，这种行星机构就显示出了自己独特的优势，克服了传统履带不能翻越高梯度障碍的弱点。
其工作原理如下所述：
当履带轮中的前行驶轮无法越障时，该行走机构由定轴轮系转变为行星轮系，行星轮架转动，空转轮变为前行驶轮，原前行驶轮变为后行驶轮，后行驶轮变为空转轮。
也就是说，该行走机构通过驱动轮在定轴轮系和行星轮系的的转换提高越障能力。
如下图所示：
当行星履带式行走机构回到正常行驶状态时，任意两个履带轮间的履带接地，系杆7不能转动只能随车沿路面平动,此时驱动轮系演变成定轴轮系,实现在低梯度路面的快速行驶。
这样，传统的履带式行走机构的优势依然保留。
行星轮系越障轮不需要借助复杂的辅助机构（甚至比单纯的履带更简单）来实现平面上运动与越障运动之间转换，因此作业时具有很高的可靠性。
因此这种机构实用性强，造价低，适合普及。
铰接式车体的设计及运动原理
结合三角行星翻转原理分析，行星机构在遇到小型障碍时可以凭借三角机构的自动翻转通过，但是翻越大型障碍，则有较大的难度。
而结合了链接式车体后，越障能力则大大加强。
结合链接式车体后的行星轮通过垂直障碍运动过程如下图所示。
这样，铰接式车身的设计更增强了救灾机器人的通过性和对路面的适应能力。
对于搜救机器人机械结构的具体参数设计我们会在后期的设计阶段中借助于ADAMS、recurdyn等多体动力学软件辅助设计。
该设计主要考虑到的因素有：
1.可跨越最大垂直障碍高度
2.最小转弯半径
3.静态稳定性
2.2运动的实现
此次设计的行星履带式行走机构的动力来源于电机驱动，同时机器人的转向依靠两侧履带的速度差实现。
鉴于此，我们一共需要四个电机作为动力源输出动力，前部分车身左右各一个电机，后部分左右各一个电机。
前部分车身的每个电机（通过一些齿轮或链条的传动）分别控制左右两个轮的转动。
后部分的两个电机分别控制左右单个轮的转动。
对于电机及其驱动模块的选择，在之后的详细设计中，我们会根据各种电机（直流电机、步进电机、伺服电机）和搜救机器人的具体质量、最大行走速度、轮径，并综合考虑各个工况计算出所需电机功率及其他参数，选择相应的电机、电机驱动模块和蓄电池。
3.搜救机器人的控制系统设计（难点，学科交叉）
3.1人工遥控的实现
人工控制的实现也就是搜救机器人的无线控制的实现。
通过搜救机器人与控制计算机（PC）的信号交流，人为的控制搜救机器人的运动，大大提高了搜救的效率。
为了使搜救机器人实现无线控制，希望它能够满足一下要求：
1.运行稳定，能够方便的配置不同类型的传感器和CCD摄像头。
2.实现机器人与遥控PC机的良好通信，实现稳定控制。
3.2搜救机器人的体系结构
该机器人的体系结构采用模块化结构，各个模块都是相对独立的运行，协调工作，其硬件总体框图如下图所示:
其中
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