多功能救援机器人大学课程设计.docx
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多功能救援机器人大学课程设计
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
2011年12月12日
院（系）
专业
机械设计制造及自动化
姓名
学号
论文（设计）题目
多功能救援机器人
一、选题目的和意义
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。
二、本选题在国内外的研究现状和发展趋势
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。
三、课题设计方案
1）查阅有关文献资料，进行归纳和信息取样，充分了解和分析自动装车系统的运行过程
2）认真了解PLC的工作原理
3）使用规范的编程语言对自动装车系统进行编程，并且保证系统能够正常的运行；
四、计划进度安排
2011.11.01----2011.11.03拟定设计（论文）题目
2011.11.03----2011.12.20确定设计（论文）题目及撰写开题报告
2011.12.21----2012.03.30查询相关资料并进行论文撰写
2012.04.01----2012.04.15完成初稿并交指导老师
2012.04.16----2012.04.30将毕业设计报告进行修改、充实、完善
2012.05.01----2012.05.03交最终定稿
五、主要参考文献
[1]张建中主编.《机械设计基础课程设计》.徐州：
中国矿业大学出版社
[2]刘会霞主编.《金属工艺学》.北京：
机械工业出版社，2001
[3]蒋忠理主编.《机电与数控专业英语》.北京：
机械工业出版社，2007
[4]导向科技编著.《AutoCAD2002基础》.北京：
人民邮电出版社，2003
[5]张定华主编.《工程力学》.北京：
高等教育出版社，2000年8月
[6]李澄，吴天生，闻百桥主编.《机械制图》（第二版）.北京：
高等教育出版社，203年8月
指导教师意见及建议：
签名：
年月日
教学单位领导小组审批意见：
组长签名：
年月日
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
毕业论文（设计）题目：
学生姓名
学号
指导教师
职称
计划完成时间：
2012年4月26日
毕业论文（设计）的进度计划：
2011.11.01----2011.11.03拟定设计（论文）题目
2011.11.03----2011.12.20确定设计（论文）题目及撰写开题报告
2011.12.21----2012.03.30查询相关资料并进行论文撰写
2012.04.01----2012.04.15完成初稿并交指导老师
2012.04.16----2012.04.30将毕业设计报告进行修改、充实、完善
2012.05.01----2012.05.03交最终定稿
完成情况：
到现在为止，我通过查找资料确定了设计方案，并进行了机械结构部分的设计。
指导教师评议
签名：
年月日
备注：
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8MAX232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4．5～7V电压。
4脚VS接电源电压，VS电压范围VIH为＋2．5～46V。
输出电流可达2．5A，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*）m
4.1.2主要参数
传动比i
i=n1/n2=d2/d1=z2/z1i>1减速运动,I<1加速运动
齿数比uu=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：
mm
d1——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。
滚子链由内链板1、套筒2、销轴3、外链板4和滚子5组成，如图十三所示。
内链板和套筒、外链板和销轴用过盈配合固定，构成内链节和外链节。
销轴和套筒之间为间
隙配合，构成铰链，将若干内外链节依次铰接形成链条。
滚子松套在套筒上可自由转动，
图9-3滚子链
链轮轮齿与滚子之间的摩擦主要是滚动摩擦。
链条的长度用链节数表示，一般选用偶数链节，这样链的接头处可采用开口销或弹簧卡片来固定，如图14a、b）所示，前者用于大节距链，后者用于小节距链。
当链节为奇数时，需采用过渡链节如图13）所示。
由于过渡链节的链板受附加弯矩的作用，一般应避免采用。
GB/T1243-97规定滚子链分为A、B系列，其中A系列较为常用，其主要参数如表1所示。
表中链号和相应的国际标准号一致，链号乘以25.4/16mm即为节距值。
a）b）c）
图15滚子链接头形式
表1A系列滚子链的基本参数和尺寸（GB/T1243-97）
链号
节距p
（mm）
排距Pt
（mm）
滚子外径
d1（mm）
内链节内宽b1（mm）
销轴直径
d2（mm）
内链板高度h2（mm）
单排极限拉伸
载荷FQ（KN）
单排每米质量q（kg/m）
08A
12.70
14.38
7.92
7.85
3.98
12.07
13.8
0.60
10A
15.875
18.11
10.16
9.40
5.09
15.09
21.8
1.00
12A
19.05
22.78
11.91
12.57
5.96
18.08
31.1
1.50
16A
25.40
29.29
15.88
15.75
7.94
24.13
55.6
2.60
20A
31.75
35.76
19.05
18.90
9.54
30.18
86.7
3.80
24A
38.10
45.44
22.23
25.22
11.11
36.20
124.6
5.60
28A
44.45
48.87
25.40
25.22
12.71
42.24
169.0
7.50
32A
50.80
58.55
28.58
31.55
14.29
48.26
222.4
10.10
40A
63.50
71.55
39.68
37.85
19.85
60.33
347.0
16.10
48A
76.20
87.83
47.63
47.35
23.81
72.39
500.4
22.60
4.2.2滚子链链轮
1）.链轮的基本参数及主要尺寸
链轮的基本参数为：
链轮的齿数z、配用链条的节距p、滚子外径d1及排距pt。
链轮的主要尺寸及计算公式如表2所示。
表2滚子链链轮主要尺寸（mm）
名称
代号
计算公式
备注
分度圆直径
齿顶圆直径
可在damax、damin范围内任意选取，但选用damax时，应考虑采用展成法加工时有发生顶切的可能性。
分度圆弦齿高
ha是为简化放大齿形图的绘制而引入的辅助尺寸（见表9-3）hamax相应于damaxhamin相应于damin
齿根圆直径
df=d－d1
齿侧凸缘（或排间槽）直径
h2—内链板高度（见表9-1）
注：
da、dg值取整数，其他尺寸精确到0.01mm.
2）.链轮的齿形
链轮的齿形应能保证链节平稳而自由地进入和退出啮合，不易脱链，且形状简单便于加工。
GB/T1243-97规定了滚子链链轮的端面齿形（表3）和轴面齿形（表4），由于滚子表面齿廓与链轮齿廓为非共轭齿廓，故链轮齿形设计有较大的灵活性，即在最大、最小范围内均可使用。
3）.链轮的结构
表3滚子链链轮的齿槽尺寸计算公式
名名称
单单位
计算公式
最大齿槽形状
最小齿槽形状
齿面圆弧半径re
mm
齿沟圆弧半径ri
mm
齿沟角
（°）
注：
链轮的实际齿槽形状，应在最大齿槽形状和最小齿槽形状范围内
表4滚子链链轮轴向齿廓尺寸
名称
代号
计算公式
备注
p≤12.7
p>12..7
齿宽
单排
双排、
三排
四排以上
bf1
0.93b1
0.91b1
0.88b1
0.95b1
0.93b1
0.93b1
P>12.7时，经制造厂同意亦可使用P≤12.7时的齿宽。
b1—内链节内宽（见表9-1）
倒角宽
倒角半径
倒角深
圆角半径
链轮齿总宽
ba
rx
h
ra
bfm
ba=（0.1～0.15）p
rx≥p
h=0.5p
ra≈0.04p
bfm=（m－1）pt+bf1m—排数
仅适用于B型
5工作原理及性能分析
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、消毒剂等物品。
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。
6创新点及应用
该机器人将行星齿轮结构运用到轮子上，大大提高了行走时的快速、灵活性。
能够灵活的在环境、路况比较恶劣的地方快速前进。
机器人自身佩戴的无线摄像头通过无线模块将视频传到电脑上，给救援人员提供实时的现场信息，方便救援人员快速的制定、实施救援。
同时机器人自带的喷洒系统可以在恶劣的环境或疫情比较严重的灾区代替人进行喷洒消毒。
7结论
通过本次毕业论文设计，我学会了很多以前没学过的知识，也巩固了很多以前没学好的知识，使我的专业理论知识更加扎实。
做完这个设计后，我得出几个结论如下：
一、该小车系统在实施的情况下，其成本价格比较高。
二、该小车控制系统的研究方向：
由于本小车系统并不完善，只做了送料，没有设计小车到料仓后送料的多少。
这个方面是该系统设计的需要完善的地方，是将来的研究方向。
最后，经过这次毕业设计培养了我们的设计能力以及全面的考虑问题能力。
学习的过程是痛苦的但是收获成功的喜悦更是让人激动的。
相信通过这次毕业设计它对我以后的学习及工作都会产生积极的影响。
参考文献:
[1]张建中主编.《机械设计基础课程设计》[M].徐州：
中国矿业大学出版社2001.4：
6～7.
[2]刘会霞主编.《金属工艺学》[M].北京：
机械工业出版社，2001
[3]蒋忠理主编.《机电与数控专业英语》[M].北京：
机械工业出版社，2007
[4]导向科技编著.《AutoCAD2002基础》[M].北京：
人民邮电出版社，2003
[5]张定华主编.《工程力学》[M].北京：
高等教育出版社，2000年8月
[6]李澄，吴天生，闻百桥主编.《机械制图》（第二版）[M].北京：
高等教育出版社，203年8月
[7]郭仁生魏宣燕编著.《机械设计基础》（第二版）[M].北京：
清华大学出版社，2005年
[8]孙汉旭,肖爱平,贾庆轩,等.二驱动球形机器人的全方位运动特性分析［J］.北京航空航天大学报，2005
[9]陶红艳，余成波.传感器与现代检测技术[M].北京：
清华大学出版社，2009.03.
[10]吕景泉，自动化生产线安装与调试[M].北京：
中国铁道出版社，2008.12.
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