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1、-救援机器人控制系统的设计毕业设计-第 32 页摘 要近年来，由于环境恶化导致的自然灾害以及战争导致的人为灾害经常发生。在灾难发生后的48小时以内，是在受灾现场废墟中寻找幸存者的黄金时间。灾难救援现场环境往往是异常复杂、危险、多变，救援行动刻不容缓，在此种环境下，采用救援机器人协同救援人员，进行救援行动，能起到事半功倍的作用。结合救灾场所的非结构化环境,本毕业设计设计了一款救援使用的探测机器人.机器人采用通用开放式机器人系统，采用模块化设计。机器人系统的性能和功能可以根据救灾环境的需要很方便的增减。良好的无线通讯功能允许远程操作。在演示控制界面可以用单片机语言控制机器人移动状况。控制系统结构流
2、程：计算机发出信号经过电平转换到无线收发模块，之后通过无线通讯到无线接收模块，通过单片机处理以及数据锁存最终控制机器人。调速系统硬件原理是以AT89S51单片机为控制核心。救援机器人采用了多种传感器共同作用，以便更加精确的获得探测结果，包括使用3CCD感光器获得图像信息、使用超声红外传感器精确确定探测目标的位置。采用履带式行走机构,履带具有较强的驱动力，可以在阶梯上移动、重心低而稳定。救援机器人具有可靠的机械系统和智能化的控制系统，可以在救灾现场恶劣的自然环境下工作。关键词：救援机器人；控制系统；传感器；模块化设计；开放式机器人；AbstractIn recent years,due to t
3、he natural disasters caused by environmental degradation and man-made disasters caused by the war happened very often.Disaster rescue site environment is often complicated,dangerous, changeable,so it is urgent to rescue.In this environment,adopt the rescue robot coordinated rescue workers to carry o
4、n the rescue operation,can have the effect of get twice the result with half the effort.Combination of relief place unstructured environment,this graduation design designed a detecting robot using for rescue.The robot uses the general open robot system,adopts the modular design.Robot system performa
5、nce and functionality can conveniently increase or decrease according to the needs of disaster environment.Good wireless communication function to allow remote operation.In the demonstration control interface can control the robot movement condition with single-chip computer language .The principle
6、of speed control system hardware is based on AT89S51 as the core, including speed measuring circuit, PWM waveform generator and the PWM power amplifier circuit.Rescue robot USES a variety of sensors work together, to get more accurate detection results.Uses the crawler walking mechanism, caterpillar
7、 has strong driving force, can move on the ladder,low center of gravity and stability.Aid has reliable mechanical system and the intelligent control system, can work under the harsh natural environment at the scene of the disaster relief.Key words:Rescue robot;Control system;The sensor;Modular desig
8、n;Open the robot;open type robot;目 录1 绪论11.1 引言11.2 国内外研究现状11.2.1 国外研究现状11.2.2 国内研究现状21.3 本文研究主要任务22 总体方案设计32.1 救援机器人行走方案的设计32.1.1 走行机构32.1.2 救援现场非结构化环境特征32.1.3 各类走行机构的性能特点32.1.4 行走方案的确定42.2 救援机器人机械结构52.3 传感器模块的设计52.3.1 传感器概念及特点52.3.2 救援机器人传感器模块62.4 电源及驱动模块的设计62.5 计算机模块的设计62.6 底盘运动模块72.6.1 履带的选择72.6
9、.2 履带、齿轮的设计计算82.6.3 锥齿轮的设计92.7 能源驱动的设计选择102.7.1 电机的选用112.7.2 能源的供给112.7.3 电机驱动的选择122.8 各模块的连接142.8.1 电源驱动模块与底盘运动模块的连接142.8.2 传感器模块与电源驱动模块的部分连接152.8.3 计算机模块与传感器模块的连接152.9 传感器系统的设计162.9.1 视觉传感器162.9.2 超声波传感器172.9.3 红外传感器的设计183 探测机器人硬件系统183.1 传感器采集系统193.2 电源保护电路193.3 超声波传感器接线193.4 红外传感器接线203.5 探测机器人计算机
10、硬件系统213.6 电子罗盘的选用213.7 无线电台通讯系统223.8 电机调速系统控制原理224 救援机器人软件系统的开发224.1 移动控制系统的设计234.2 无线通讯模块244.2.1 机器人与单片机的通讯244.2.2 计算机与AT89S51间的无线通信254.3 演示控制界面254.3.1 数据显示264.3.2 运动控制264.3.3 视频275 结论与展望275.1主要研究成果285.2未来工作及展望28参考文献28附录A 电机控制程序30附录B 控制界面源程序37附录C 单片机通信程序开发391 绪论1.1 引言 近年来，由于自然活动、局部战争和意外事故等导致的灾难经常发生
11、。在灾难发生的48小时之内，是救援人员抵达现场并在废墟中寻找幸存者的黄金时间。灾难救援的现场往往异常复杂，形式多变，时间就是生命，在此危险环境下，采用机器人协同救援人员，进行抗灾救援，能起到事半功倍的效果，同时也是机器人技术中具有新型和有挑战性的发展方向。由于灾难现场环境恶劣，对抗灾救援机器人相应的有更加苛刻的性能要求，需要更可靠的机械系统、更智能化的控制系统1-3。灾后救援是人类需要共同面对的挑战。目前世界范围内自然灾难和人为灾难频发，人类需要共同探讨救援对策，研究救援技术。面对越来越复杂和危险的救援非结构化环境，机器人协助甚至代替人类参与救援工作成为当今救援的重要手段和议题。国际上每年都有
12、专门的会议研讨救援机器人技术，如：IEEE International Workshop on Safety, Security and Rescue Robotics(SSRR)等。此外，还有各种测试救援机器人技术的比赛，如Robocop Rescue等。Robocop比赛是机器人领域的奥林匹克，它为检验各项机器人技术提供了一个标准测试环境和平台，各国机器人研究人员和爱好者可以相互交流、协作来促进机器人技术的发展。RoboCupRescue League是于2001年加入Robocop的比赛项目4-5。比赛的测试内容和标准是在规定时间内找到遇难伤员数目的多少和获取灾难现场地图的精确度，旨在鼓
13、励救援机器人技术的发展和面向实际的应用。灾难救援机器人，是一个集环境感知、动态决策与规划、行为控制与执行等多功能于一体的综合系统。它集中了传感器技术、信息处理、电子工程、计算机工程、自动化控制工程以及人工智能、营救行动技术、灾难学等多学科的研究成果，代表机电一体化的最高成就，是目前科学技术发展最活跃的领域之一。随着灾难救援机器人性能不断地完善，在水灾、火灾、毒气、放射性物质以及地震、爆炸等灾难救援中，起到非常重要的作用6。在此背景下选择了救援机器人控制系统设计这个题目。1.2 国内外研究现状1.2.1 国外研究现状在国外，救灾机器人发展迅速，技术日益成熟，并进入实用化阶段，日本、美国、英国等已
14、开始装备使用。在灾难现场中，救灾机器人应能迅速找到幸存者的位置。 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1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。 美国iRobot公司研制了PackBot系列机器人，能适应崎岖不平的地形环境和爬楼梯，主要执行侦察任务、寻找幸存者、勘探化学品泄漏等任务。 InuKtun公司研制了机器人MicroVGTV ，机身可变位，采用电缆控制，含有直视的彩色摄像头，并带有微型话筒和扬声器，可用于与压在废墟中的幸存者通话，适用于在小的孔洞和空间中执行任务。日本大阪大学所制造出的蛇行机器人，可以在崎岖不平的废墟上爬行。蛇
15、行机器人身上的监视器、传感器，能够在灾难后的废墟中探测幸存者的方位。 除了前面的中小型救灾机器人，微型救灾机器人也正在研究中，美国加州大学伯克利分校研制出世界第1个苍蝇机器人，通过装在它脑袋上的微型传感器与微型摄像机，可以到倒塌的建筑物废墟底下或其他灾难场所寻找幸存者7。1.2.2 国内研究现状在国内，救灾机器人的研究刚刚起步，但进展很快。二十世纪九十年代，我国由国家科学技术委员会正式立项的国家863高科技计划研究发展项目“消防机器人”研究课题，在公安部上海消防科学研究所通过专家组验收，标志着我国第一代消防机器人正式诞生。该机器人本体由行走部分、遥控消防炮、防爆系统、图像传输系统、探测系统和冷
16、却自卫系统等构成，其探测系统根据消防机器人正压防爆控制、安全自卫、化学检验、火情侦察的要求。我国消防机器人技术的发展不但是对消防部队抢险救灾能力的提高，起到减少国家财产损失和灭火救援人员伤亡的作用，同时也对我国机器人技术、通信控制技术、计算机技术等多学科领域技术的发展起到积极的作用和深远的影响8。中科院沈阳自动化所在2002年研制了1种蛇形机器人，由16个单自由度关节模块和蛇头、蛇尾组成，在监控系统的无线控制下可实现蜿蜒前进、后退、侧移、翻滚等多种动作，并能通过安装在蛇头上的微型摄像头将现场图像传回监控系统。 国防科技大学在2001年也研制了1种蛇形机器人。中国矿业大学可靠性工程与救灾机器人研
17、究所于2006年6月成功研制了我国第一台用于煤矿救援的CUMT-1 型矿井搜救机器人，该机器人装备有低照度摄像机、气体传感器和温度计等设备。能够探测灾害环境，实时传回灾区的瓦斯、CO、粉尘浓度和温度以及高分辨率的现场图像等信息；具有双向语音对讲功能，能够使救灾指挥人员与受害者进行快速联络，指挥受伤人员选择最佳的逃生路线；具有无线网络通讯功能；同时还携带有食品、水、药品、救护工具等救助物资，使受害者能够积极开展自救9-10。1.3 本文研究主要任务本文的主要任务是设计一套适用于救援机器人的控制系统，用来控制机器人的行动。此外，本文还有对救援机器人控制系统的软硬件设计。2 总体方案设计2.1 救援
18、机器人行走方案的设计2.1.1 走行机构所有的机器人都有一类共同的组成部分，即车轮、履带、腿足等用于推动车体在地面上进行移动的装置。配置这些车轮、履带或者腿足使其发挥应有的功能称为移动系统走行机构设计。不同的移动机器人由于其用于不同，其工作环境、整体结构都不尽相同，为了达到让机器人平稳而准确地运动这一目的，必须选择一种合适的走行机构。目前常用的走形机构有3种：足式走行机构、履带式走行机构和轮式走行机构11.2.1.2 救援现场非结构化环境特征非结构化环境是指作业无法在事先布置好的条件下进行,而且在作业过程中环境可能发生变化。非结构环境是复杂、未知、多样的三维地形，包括平坦地面、斜面、障碍、台阶
19、、沟壕、浅坑等地形。而发生灾害后，工作环境会遭到不同程度的破坏，因此机器人的移动机构对灾区环境的适应很大一部分也是对于非结构环境的适应。通过对这些不同地形的分析，我们可以发现各种复杂地形都是由少数几种基本的地形特征构成，我们称这几种基本地形为“典型地形特征”。常见的典型地形特征有三种，即水平面、倾斜面和垂直面障碍。常见的大多数非结构环境的地形都可以视为这三种地形特征不同形式的组合，如沟壕可视为下垂直障碍和上垂直障碍的组合，阶梯可视为连续垂直障碍的组合。如果移动机器人能够以某种动作或动作序列适应这几种典型地形，则可以通过动作序列的有效组合达到适应这几种典型地形，则可以通过动作序列的有效组合达到适
20、应灾难现场非结构化环境的目的12-14。2.1.3 各类走行机构的性能特点足式走行机构:足式行走机构即所谓的步行机器人。步行移动方式模仿人类或动物的行走机理，用腿脚走路。它不仅能在平地上行走，而且能在凹凸不平的地面上行走，甚至可以跨越障碍、上下台阶，对环境的适应性强，智能程度相对较高，具有轮式机器人无法达到的机动性，具有独特的优越性能。但对设计和制造者来说，步行机器人的研究极具挑战性，其主要难点在于各腿之间的协调控制、机身姿态控制、转向机构和转向控制、动力的有效传递和走行机构机理。足式机器人的种类很多，一般分为两足机器人和多足机器人，如图所示。一般将有两条腿机构的移动机器人叫做两足步行机器人，
21、两足步行机器人基本上是近似或模仿人的下肢机构形态而制成；三足以上的机器人称为多足机器人，主要研究模仿四足和六足动物的各种步态而制成，具有复杂的步态。步行机器人的结构复杂，由于其运动学及动力学模型复杂，控制难度较大。从移动的范围来讲，车轮型及履带形的移动机构，无论它有多么复杂都只能在二位平面内移动，虽然能够应付一定的坡度和凹凸表面，但是车体与移动机构始终保持着固定的位置关系。而步行机器人的移动却有着很大的不同，它可以在保持身体姿态不变的前提下，能前后左右移动又能沿着楼梯拾阶而上，从这一点来看步行机器人的移动是三维空间移动。另外，要控制它的步行和不倾倒有很大的难度，目前实现上述功能的机器人很少。正
22、因如此，步行移动方式在机构和控制上是最复杂的，技术上还不成熟，不适用于对灵活性和可靠性要求较高的场合中15。 履带式走行机构:为了提高车轮对松软地面和不平坦地面的适应能力，履带式走行机构被广泛采。履带方式又叫做循环轨道方式，其最大的特征是将圆环状的循环轨道履带卷绕在若干车轮外，使车轮不直接与路面接触，利用履带可以缓冲路面状态，因此就可以在各种路面上行走。图为履带式行走机器人。机器人采用履带行走方式有以下优点：（1）由于冲角的作用，能登上较高的台阶。（2）履带具有较强的驱动力，适合在阶梯上移动。（3）能够原地旋转，所以适合在狭窄的屋内移动。（4）因重心低而稳定16。履带式走行机构广泛用在各类建筑
23、机械及军用车辆上。履带式行走机构的不足之处是转弯不如车轮灵活。在要改变方向时，要将某一侧的履带驱动系统减速或制动来实现转弯，或者反向驱动来实现车体的原地自转。但这都会使履带与路面产生相对横向滑动，不但加大了机器人车体的能耗，还有可能损坏路面。 轮式走行机构:轮式走行机构由滚动代替滑动摩擦，主要特点是效率高，适合在平坦的路面上移动，定位精确，而且重量较轻，制作简单。绝大多数轮式机构都是非完整运动约束驱动系统，轮式移动方式的分类有很多种，按照轮的数目划分有三轮、四轮、五轮。目前机器人中最常用的是三轮或者四轮移动方式，在某些特殊应用情况下也有用五轮以上的机器人，但这种机器人结构和控制都很复杂17。2
24、.1.4 行走方案的确定 根据以上的定性分析，探测器需要一个良好的工作性能，要想较好的完成任务，需要平稳的移动方式。很明显，履带式移动机构的移动性能居于轮式和腿式移动机构之间，在地面适应性能、越障性能方面有良好表现。履带移动机构地面适应性能好，在复杂的野外环境中能通过各种崎岖路面以及沟壑等，它的活动范围广，性能可靠，使用寿命长，轮式移动机构无法与其比拟，适合作为探测机器人的推进系统。所以采用履带式的移动方式。2.2 救援机器人机械结构救援机器人为探测机器人，设计探测机器人采用了模块化设计，总体分为四个模块，即计算机模块，传感器模块，电源及驱动模块，运动底盘模块。模块化设计的探测机器人结构比较明
25、了，而且在一些模块预留了一些空间，可以在需要的时候更换或添加其他模块。其简图如图2-1：控制计算机模块传感器模块电源驱动模块底盘运动模块图2-1 机器人机械结构简图 其性能参数的基本要求如表2-1所示表2-1 性能参数基本要求性能参数额定电压24VDC工作电流2A驱动方式直流电机驱动电池铅酸蓄电池组最大速度1m/s最小速度0.01m/s最大负载30kg工作时间6小时爬地能力30度越障能力3cm2.3 传感器模块的设计2.3.1 传感器概念及特点 传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、
26、记录和控制等要求。 传感器的特点包括：微型化、数字化、智能化、多功能化、系统化、网络化。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。传感器的存在和发展，让物体有了触觉、味觉和嗅觉等感官，让物体慢慢变得活了起来。通常根据其基本感知功能分为热敏元件、光敏元件、气敏元件、力敏元件、磁敏元件、湿敏元件、声敏元件、放射线敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大类18。2.3.2 救援机器人传感器模块传感器用于机器人感知外部环境，探测机器人必需要有这方面的设计，视觉传感器也有他的局限性，实现视觉的功能是需要光的，如果在夜间执行任务时就很难实现其功能，为更好的使机器人完成认为，再加超声波传感器和温度传感器。通过多种传感
27、器共同作用更全面的进行探测。传感器模块是一个由金属材料板组成的圆柱体，这种结构是根据主板的形状设计的，传感器模块虽然结构简单，但里边所安装的电路主板是机器人的枢纽，机器人各个部分的电路板都在这里，所以密封工作一定要做好。上面加了一个稍大的金属盖板，传感器块周围安装了24路红外传感器、温度传感器和超声波传感器。当人遥控机器人执行任务且视频效果较好时可以关闭红外、温度和超声波传感器，当视频效果不好或是机器人自行执行任务时，红外、温度和超声波传感器都要开启。2.4 电源及驱动模块的设计 电源系统的质量直接影响到电子系统的稳定性。在任何一个机器人的电控硬件系统设计中，稳压电源的设计是其最基本的部分，它
28、为整个机器人的智能单元和执行机构模块提供所需的能量。一个电压稳定、抗干扰能力较强的电源系统是机器人稳定运行的保证。电源工作不稳定，会导致系统工作不稳定，甚至会导致整个系统无法工作。因此，要设计好一个控制系统，首先要注重电源的设计19。 电源及驱动模块是为机器人提供能源的部分，安装有电池组和左右电机驱动器，因为电池组驱动部分有一些重量，所以采用铸铁作为箱体。2.5 计算机模块的设计计算机模块分为两部分结构，下端是计算机的保护架，上端为支撑架。保护架是用来防止计算机受到外界环境的撞击，另外保护架提高了摄像设备的高度，可以看的更远一些。支撑架的作用是控制摄像头的检测方向。将摄像头安装在支撑架的套筒里
29、的目的是减小如水、阳光腐蚀等外界环境对摄像头表面和线路的影响，此设计虽然不能完全隔离外界的影响，但却尽量增加了摄像头的使用寿命。在支撑架的下方和右方安装了两个舵机，使套筒具有左右、上下两个自由度，从而摄像头可以全方位的检测周围的非结构化环境。其结构简图如图2-2所示。图2-2 计算机模块结构简图2.6 底盘运动模块2.6.1 履带的选择 由于在考虑履带装置设计时，基于标准化的思考，我们选择了梯形双面齿同步带作为设计履带，梯形双面齿同步带传动具有 带传动、链传动和齿轮传动的优点。同步带传动由于带与带轮是靠啮合传递运动和动力，故带与带轮间无相对滑动，能保证准确 的传动比。同步带通常以氯丁橡胶为材料
30、，这种带薄而且轻，故 可用于较高速度。传动时的线速度可达 50m/s，传动比可达 10， 效率可达 98。传动噪音比带传动、链传动和齿轮传动小，耐磨 性好，不需油润滑，寿命比摩擦带长。 因为同步带传动具有准确的传动比，无滑差，可获得恒定的转速比，传动平稳，能吸振，噪音小，传动比范围大等优点，所以传递功率可以从几瓦到百千瓦。传动效率高，结构紧凑，适宜于较为恶劣的场所下正常工作。 从以上对同步带性能的分析中可以得出结论，选用梯形双面齿同步带作为移动装置设计履带能够满足设计性能及工作的环境条件要求。 图2-3 双面齿同步带2.6.2 履带、齿轮的设计计算常见的行走机构形式就是同步带/齿形带。同步带/
31、齿形带传动具有带传动，链传动和齿轮传动的优点。同步带传动由于带与带轮是靠啮合传递运动和动力，故带与带轮间无相对滑动，能保证准确的传动比。同步带通常以钢丝或玻璃纤维为抗拉体，氯丁橡胶或聚氨酯为基体，这种带薄而且轻，故可以用于较高速度。传动的线速度可达50m/s，传动比可达10，效率可达98% 。传动噪音比带传动，链传动和齿轮传动小，耐磨性好，不需有润滑，寿命比摩擦带长。其主要缺点是制造和安装精度要求较高，中心距要求较严格。所以同步带广泛应用于要求传动比准确地中，小功率传动中，如家用电器，计算机，仪器及机器人，机床，化工，石油等机械。同步带的设计计算1选择设计功率 （2-1）2选择带型和节距选取带
32、型为H型 （2-2）3根据带型H和小带轮转速n1查得最小齿轮，此处取Z=20小带轮节圆直径d1 （2-3）查表得其外径 设计Z2=Z1=204带速 v= （2-4）5定轴间距=400mm6带长及其齿数 （2-5）7查表应选用带长代号为420的H型同步带，其节线长，节线上的齿数Z=848实际轴间距 a= （2-6）9小带轮啮合齿数 （2-7）10基本额定功率 （2-8） 查得 所需带宽 （2-9）查表得：H型带 （2-10）查表得应选带宽代号为150的H型带，其11带轮结构和尺寸传动选用同步带为H150带轮Z1=Z2=20，d1=d2=80.85mm,da1=da2=79.48mm采用同步带作为
33、履带的优点是：效率高，最高效率能达到90%以上；设计简单，只须根据标准规格选择节矩，齿数，长度，宽度就可以了。但是同步带一旦选定，长度，宽度就是固定的，因此基本属于定制，设计不同的履带式平台就需要不同的同步带。这个特点限制了同步带应用的灵活性。本设计还附加了轮式底盘的移动方式，2轮加万向轮，因为尽管履带移动方式的稳定性比较强，但机动性比较差，所以，在必要的时候，可以根据地形的不同，装配不同的移动方式。轮式底盘的装配图在附录中，其他模块不变。2.6.3 锥齿轮的设计 这是轮式移动方式中，传动是通过锥齿轮来实现的。锥齿轮的计算如下： 齿轮比 u=1 大端分度圆直径 de1=20mm齿数 Z1=Z2
34、=30 大端模数 me1=de1/Z1=6.67 （2-11） 分锥角1=45 外锥距 Re=de1/2sin1=141.4 （2-12） 齿宽 b1=RRe=42.42 （2-13） 齿宽系数 R=b/Re=0.3 （2-14） 平均分度圆直径 dm1=de1 (1-0.5R)=170 （2-15） 中锥距 Rm=Re(1-0.5R)=120.19 （2-16） 平均模数 Mm=me1 (1-0.5R)=5.6695 （2-17） 切向变位系数 Xt=0 径向变位系数 X=0.46（1-cos2/ucos1）=0 （2-18） 齿顶高 ha1=me（1+x1）=6-67 （2-19) 齿根高
35、 hf1=me（1+c-x1）=8.004 （2-20） 顶隙 c= cm （2-21） 齿距角 a1=f2=f1 （2-22） 齿根角f1=arctan(hf1/Re)=3.24 （2-23）顶锥角 a1=1+f2=48.24 （2-24）根锥角 f1=1-f1=41.76 （2-25） 齿顶圆直径 da1=de1+2ha1cos1=209.43 （2-26） 安装距A1 冠顶距 Ak1=de2/2-ha1sina1=95.285 （2-28） 轮冠距=H1=A1-Ak1 （2-29） 大端分度圆齿厚S1=me（/2+2x1tan+xt1） （2-30） 端面当量齿数 Zv1=z1/cos1
36、=42.43 （2-31）锥齿轮在这个设计中的作用是连接电机转轴和车轮转轴，采用的两个90度锥齿轮进行连接，这样既可以保证两个转轴之间的传动，有可以很好的黏合。2.7 能源驱动的设计选择救援机器人在不同状态下消耗电能如表2-2所示：表2-2 机器人消耗电能运行状态电流（A）待机（所有传感器处于休眠状态）0.5A静止（所有传感器工作）2A前进（最大速度3m/s)3.5A旋转（最大速度1r/s)4.5A 从表中可以看出，机器人的功耗控制较低，并且散热系统设计利用金属壳作为散热器。在正常救援过程中，机器人长时间工作也不会过热，所以可以放心使用。按照能源的不同 ，可分为液动，气动，电动三大类20。电驱
37、动电机由于电能易于获取，容易传输，没有污垢，易于维修等优点而被广泛采用。在机器人使用的电驱动器中，步进电机与数字电子计算机的结合上，表现出很好的发展前景。 根据前面的计算结果和机器人性能要求，机器人配置了日本三洋公司生产的Super_L直流电机 电机参数如下： 额定电压 24V 额定功率 60W 额定转速 3000n/min 减速比 1:5 编码盘线数 512-10242.7.1 电机的选用电动机是机器人的动力提供部分，电动机选取的正确与否关系到机器人设计的成败。在机器人设计中，要根据机器人的用途、机器人的工作环境以及机器人本身的体系结构来确定所需提供的动力，进而选取合适的电动机。机器人常用的
38、电动机包括步进电动机、直流电动机、伺服电动机等。2.7.2 能源的供给 本机器人的能源供给装置配置了两单元免维护铅酸蓄电池，电极主要由铅及其氧化物制成，电解液是硫酸溶液的一种蓄电池。放电状态下，正极主要成分为二氧化铅，负极主要成分为铅；充电状态下，正负极的主要成分均为硫酸铅。 免维护蓄电池由于自身结构上的优势，电解液的消耗量非常小，在使用寿命内基本不需要补充蒸馏水21。它还具有耐震、耐高温、体积小、自放电小的特点。使用寿命一般为普通蓄电池的两倍。图2-4免维护蓄电池其具体参数如下： 容量：24V17Ah(2单元12V串联，单元容量12V17Ah),408W 重量：11kg 放电能力：10-20
39、,170-340A连续电路 能量密度：39Wh/kg 循环寿命：500次工作时间：4-6小时2.7.3 电机驱动的选择直流电机将轴的旋转运动输入到齿轮箱，然后齿轮箱的输出轴控制轮子转动，从而驱动整个机器人运动。直流电机上的电压大小影响它的转速和扭矩22。救援机器人的调速是通过直流运动控制器来实现的，此探测机器人配置了瑞士FAULHABER公司的MCDC2805，如图2-5所示：图2-5 MCDC2805MCDC2805运动控制器是专为直流电机而量身定做的，配合性能优异的SANYOSuperL电机及集成编码器，即使在转速非常低的情况下，也能到达0.18度的定位控制精度。MCDC 2805 运动控
40、制器由功能强大的16位处理器和性能卓越的数字滤波器组成智能化的MCDC 2805 能实现以下功能：1速度控制：在绝大多数应用中，均能达到优异的速度同步性能，同时转矩波动最小内置PI调节器能准确到达指定位置。2速度模式可以方便实现谐波，三角形，梯形及更复杂的复合运动速度图运行模式。3位置控制：采用限位开关，参考位及高分辨率的编码器，可以实现高精度定位控制。4附加控制模式：可以通过步进控制模式同步控制多个电机工作。5转矩控制：通过调节电流实现转矩控制6保存和运行程序：可以完全脱离PC主机独立运行，实现所有控制功能。7输入输出：为故障输出端（集成极开路输出）：可以设置成旋转方向输入，数字输入或参考输
41、入口23。RS232串口：用于与PC主机通讯和控制程序运作。MDCD2805接线口如表2-3表2-3 MDCD2805的接线表如下：电源侧9针D型串口电机侧接线端功能接线端功能接线端功能V1RS-232 TXD(RS-232发送端)2RS-232RXD(RS-232接收端)M1InputNo.5(第三输入端)V2RS-232RXD(RS-232接收端)3RS-232TXD(RS-232发送端)M2InputNo.4(第三输入端)V3AnalogGND(模拟地)5GND(地)M3Channel A (编码器A通道)V4Fault Ouput(故障输出端)M4Channel B (编码器B通道)V
42、5Analog Input（模拟输入端）M5VCC(+5)(系统提供+5V)V6+24V(点源正极)M6Signal GND (信号地)V7GND(地)M7MOTOR+(接电机正极)V8Input No.3(第三输入端)M8MOTOR_（接电机负极）2.8 各模块的连接2.8.1 电源驱动模块与底盘运动模块的连接 如图所示，1为电源及驱动模块，2为减振机构，3为连接架，4位履带当板。这两个模块连接较其它模块有所不同，电源及驱动模块与运动底盘连接，它的稳定性直接影响机器人的工作效率，为了减小底盘移动产生的震动，在与电源及驱动模块的连接中，加进一个减震机构，如图所示，这个结构刚性比较好，可以消除一些由于路面不平产生的震动。连接架的下端用四颗M5螺栓进行固定。机器人共有四组这样的减振机构，左右各两组。具体连接方法如图2-6所示。图2-6 电源驱动模块与底盘模块连接2.8.2 传感器模块与电源驱动模块的部分连接 传感器模块与电源驱动模块的部分连接