机械创新设计大赛生命探测与救援机器人说明书.doc

设计说明书作 品 生命探测与救援机器人 设 计 者 指导老师 桂林航天工业高等专科学校摘 要：近半个世纪来美好的家园饱受灾难摧残，灾难的烙印深深地刻在了每个地球人心中，当灾难（譬如地震、矿难、房屋倒塌、泥石流等等）发生后，如何安全有效地搜寻幸存者以及对幸存者生命的及时探测救援已成为当前一大社会难题。目前的生命探测仪大致可认为三类：光学生命探测仪、热红外生命探测仪和声波生命探测仪。针对灾难后复杂的现场环境，现存生命探测仪都存在着许多不足之处（例如有的地方无法深入探测、受有线的限制、通讯信号干扰严重等等）。本创新设计的生命探测与救援机器人兼有生命探测与及时救援两大功能。外形设计比较独特，能在较狭小、较复杂的环境下自由穿梭，完成对生命的搜寻、定位、安抚和有效救援。设计书中对机械结构、行走、定位、对话、救援以及控制部分作了设计分析。本设计中的生命探测与救援机器人是一款实用的新型机器人，形体小，功能全，具有广泛的应用前景。关 键 词：生命探测与救援 机器人 创新设计Abstract: In nearly half a century, the disaster from disaster in the deep imprint every man on the beautiful earth, when disaster (such as earthquakes, coal mines, the houses collapsed and mudslides, etc.), how to effectively to search for survivors and to detect the timely rescue survivors life has become a social problem.Now that the life can be roughly three: panificio thermal infrared detectors, optical life life and acoustic life detector probe.After the disaster scene in the complex environment and living life detectors are there exist many deficiencies in some places cannot (for example, by cable of deep detection limit, communication signal interference serious, etc.).This innovative design of life and rescue robot with life and timely rescue two big functions.Appearance design is unique, can be in a narrow and complex environment free of life, complete the search and rescue, comfort and effective orientation.In the design of mechanical structure, walk, orientation, dialogue, rescue and control are analyzed.Design and analysis shows that the design of life and rescue robot is a practical new-type robot, it has a broad prospect of application.Keywords: Life detection and rescue Robot Creative design目 录前 言1第1章 机器人外形机械结构设计4第2章 控制机器人行走、生命探测及对话6第3章 生命定位与及时救援8第4章 无线控制模块9结束语12致 谢12附 录单片机串口接收和处理数据程序 13附 录VB程序代码 15参考文献 19前 言随着家园变得越来越美好，更加富丽堂皇，然而大自然的承载能力有限，建设的同时大自然也遭受了极大的破坏。近年来灾难频繁来袭，意外事故也层出不穷的发生。作为地球上的一员，有责任对共同的家园负责，有责任奉献出一份爱心。很多时候不能阻止某些灾难的发生，但是都应为灾难后生命的救援、重建家园等贡献一份微薄之力。在此基础上，针对（地震、矿难、火灾、房屋倒塌等等）灾难后的救援，本机械创新设计大赛我们的参赛作品是一款“生命探测与救援机器人”，其外形如图1所示。图1 生命探测与救援机器人外形本创新设计的作品是集机、电、光、通信等技术一体化的产品，形体小，功能全，可以在灾后救援环境恶劣的情况下，完成对生命的寻找探测、位置确定以及实施多项救援功能等。主要由前导装置（头部）和输料管、探测、通话、计算机控制等部分组成。前导装置的设计考虑到救援环境的恶劣，外形采用了椭圆球形，安装有夜视摄像头、无线对话机以及输送养料的输料管等。可通过计算机无线控制前导装置在细长狭小的空间中行走，完成对生命的寻找探测和位置的确定。控制流程如图2所示。在救援时，救援人员通过前导装置的夜视摄像头进行探路，再通过摇控器控制其在废墟中自由穿梭。当发现被困者时，救援人员可通过夜视摄像头观测到被困者的情况，还可以通过对话机与被困者进行对话，较详细地了解被困者所处状况。并且可通过对话对被困者进行安抚与心理疏导。根据观测到的情况和被困者的位置，可立即开展救援工作。图 2控制流程同时，该作品还具有给被困者输送救援物资的功能，可通过双通道输料管输送养料，给被困者输送氧气、输送水、营养液等维持人体生命所需要的必要养分。该作品相对现有的生命探测仪有着以下几种创新点:1、为使前导装置行动范围大，形体设计成椭圆球形，并使其尽量小（长256mm）。 机器人脚设计为陀螺型，并开有辐射式槽，以保证在任意侧倾角下都可行走。2、在探测功能方面具有多项功能，可以完成：对生命的寻找探测和位置确定、可观测到被困者的状况、可与被困者进行对话，进行心理疏导等。3、在救援方面，可通过双通道输料管给被困者输送氧气、水、营养液等维持人体生命所需要的必要养分。4、该作品将生命探测、对话与及时救援等功能集为一体，与现有的生命探测仪相比功能更多，更能满足灾难后环境下的实施要求。5、控制方面完全采用无线控制。作品意义 1、能够让更多被困的生命重获新生。2、解决了狭小空间对生命搜救及救援的难题。3、相比许多生命探测仪、救援人员的生命得到了保障，救援人员可远距离控制机器人，并达到更好的探测和救援效果。4、双通道输料管给被困者输送氧气、水、营养液等维持人体生命所需要的必要养分。起到及时救援的作用，解决了眼睁睁看着被困者生命消失问题。5、能够发现被困着是否存活，减小灾难后疫情发生的可能性。 第 1 章 机器人外形机械结构设计考虑到救援环境的复杂性、恶劣性及不可预测性。在综合各个可能采取的方案的优缺点后，设计了一款微型生命探测与救援机器人。本机器人外形主体采用圆柱形，四脚为陀螺轮，靠近尾部的两陀螺轮为驱动轮，靠近头部的两轮为转向轮，如图3、4所示。图 3 机器人外形主体图 4 机器人脚（陀螺）通过分析、计算与测试，机器人换向装置需要较大的驱动力，且采用无线电信号控制，经过综合考虑运用了齿轮齿条相啮合的换向装置，具体结构如图5所示：图 5 换向装置机器人外形主体结构对称，体积微小，即使翻转，亦能在狭小空间继续行走，适应环境能力强。具体外形结构方案如图6所示： 图 6 生命探测与救援机器人第 2 章 控制机器人行走、生命探测及对话2.1 机器人行走机器人头部安装有微型无线夜视摄像头，可实现观测、提供控制行走的信息等功能，如图7所示。图 7 微型无线夜视摄像头行走过程中，摄像头将机器人前方及周围所处环境的画面传回外部视频接受设备（PC），救援人员通过分析画面来控制机器人如何行走。为了增加摄像头在工作时的可视范围，我们在摄像头连接杆上设置了可摆动的机械结构，通过外部控制，摄像头能在四个方向上自由摆动，以增加可视范围，达到更好的探测效果。如图8所示。图 8 减速传动驱动装置2.2 生命探测、对话救援人员运用外部控制器控制机器人行走，可通过摄像头传输回的画面来控制机器人在狭小空间里自由穿梭，同时救援人员通过画面来观察是否有生命存在，实现生命探测。通过观察与手机的对话功能来确定被困着是否存活，对话亦能了解被困着当前所处状况，救援人员即可选择何种救援方案，也可给予被困着心理安抚，激发被困者求生斗志，配合救援人员实施有效救援。 图 9 对话模块（手机）第 3 章 生命定位与及时救援3.1 生命定位在机器人内安装有GPS生命定位装置。经过微型无线夜视摄像头与红外传感器探测，发现生命后，救援人员即可最终确定被困着所处位置，及时开展救援工作。3.2 救援灾后如何进行有效救援是当前一大难题，许多情况下灾难发生后由于救援工作的延缓、无法救援等众多因素影响，眼看被困者生命在狭小的废墟中慢慢消失。本设计中就较好的解决这方面的难题，机器人内部安装有双通道输料管，发现被困者后，通过控制，双通道输料管能及时给予被困者输送氧气、水、营养液等维持人体生命所需要的必要养分。第 4 章 无线控制模块控制端电路原理图，如图9所示，其中包含了PC机与单片机的串口通信、电平之间的转换、以及单片机输出控制继电器，来达到控制无线模块TX2和RX2的目的。图9 控制端电路原理图通过Visual basic 软件进行编程，建立操作管理界面，由串口控件控制，对单片机的输出进行操作。为了让机器人适应环境能力更强, 达到设计的基本要求,在控制模块中设置了机器人前后左右变换、摄像头方位调整、通话模块等功能的控制。随着控制模块的增加也使机器人实用功能更加全面。机器人无线控制发送与接收模块：软件管理界面如图10所示:图10 软件管理界面如结束语本设计中的生命探测与救援机器人成功解决了狭小空间生命探测以及及时有效生命救援的两大社会难题。生命探测与救援机器人具有外形设计独特、适应环境能力强、易于操作、操作方便等特点。生命本无价，本设计中的产品相对现存的生命探测仪功能更多、更加集中，能起到的作用更大，更能满足灾难救援现场的要求。机器人实用性强、安全可靠，是真正适合灾后生命探测与救援的产品。相信上述这些优点对于我们设计的生命探测与救援机器人市场前景和市场竞争力都有着很大的优势。 致 谢光阴似箭，岁月如梭。即将毕业的我们能够参加这次难得的创新设计大赛觉得意义重大，在这里千言万语都难以表达我们心中澎湃的心情。能够参加本次大赛是我们大学中难得的机会，是对所学专业知识的一次全方位运用，是对自己能力的一种检测与锻炼。从我们最初的一点设想，再到我们设想的实现，在指导老师的指导和大力支持，我们团队成功诞生了。从脑海的构想至二维图的基本完成以及无线控制方面的种种进展，我们都以笑脸相迎。经过讨论研究我们有了统一的想法，很快我们的构想似乎变成了现实。殊不知众多困难悄然来临，我们的产品名叫“生命探测与救援机器人”，与人生命密切相关。产品的外形设计、可行性分析、材料的选用、如何无线控制、选择怎样的行走方式、怎样实现我们预想的几个重大功能等等。每一步都得做十分缜密的思考与实验。就我们所学的知识想解决所有问题存在着众多困难，可是在困难面前我们没有低头，通过回顾以往所学以及查找资料，不断的尝试，在指导老师的正确指导下我们遇到的困难被一个个克服。功夫不负有心人，最终得到了我们预想的结果。通过参加本次机械创新设计大赛，使我们终身受益，本次设计是对过去所学的一次大结合。经过指导老师的精心指导，我们提前了解到了一些将来能派上用场的专业知识，对怎样正确设计有了一个比较明确的认识。总之，这辈子我们都不会忘记这次难得的经历。在这里，我们要感谢我们的指导老师和为本次机械创新设计工作的所有相关人员！附录单片机串口接收和处理数据程序如下所示：#include <reg51.h>#define COUNT 10 / 定义接收缓冲区大小 unsigned char bufferCOUNT; /定义接收缓冲区unsigned char point; /定义接收数据个数指示变量void UART_init(); /串口初始化函数 unsigned char CLU_checkdata(void); /计算校验位函数/-/ 函数名称： UART_init()串口初始化函数/ 函数功能： 在系统时钟为12MHZ时，设定串口波特率为9600bit/s/ 串口接收中断允许，发送中断禁止/初始化串行口和波特率发生器/-void UART_init() SCON =0x50; /选择串口工作方式，且准备接收应答信号TMOD =0x20; /定时器1工作在方式2TH1 =0xfd; /实现波特率9600（系统时钟11.0592MHZ）TL1 =0xfd; /低8位赋初值TR1 =1; /启动定时器T1ET1 =1; /定时器T1中断允许位ES=1; /串行口中断允许位PS=1; /设计串行接口中断优先级EA =1; /单片机中断允许/-/ 函数名称： com_interrup()串口接收中断处理函数/ 函数功能： 接收包括起始位'S'在内的十位数据到数据缓冲区/-com_interrupt(void) interrupt 4 using 3 unsigned char RECEIVR_buffer; if(RI) /串行接口接收中断标志位，硬件置位，处理接收中断 RECEIVR_buffer=SBUF; /接收串口数据 RI=0; /软件清除中断标志位 P1=RECEIVR_buffer; /将缓冲数据送至P1端口 /-/ 函数名称： 主函数/ 函数功能： 调度各子函数，完成通信过程/- void main(void) unsigned char checkdata; do UART_init(); /调用初始化串口函数 while(1); 附录VB程序代码如下所示：Private Sub Form_Load()Combo1.Text = "com1"Combo1.AddItem "com1"Combo1.AddItem "com2"Combo1.AddItem "com3"Combo1.AddItem "com4"MSComm1.CommPort = 1MSComm1.Settings = "9600,n,8,1"MSComm1.InputMode = 1MSComm1.InputLen = 0MSComm1.InBufferSize = 1024MSComm1.InBufferCount = 0MSComm1.OutBufferSize = 512MSComm1.OutBufferCount = 0MSComm1.RThreshold = 1MSComm1.SThreshold = 1MSComm1.PortOpen = TrueEnd SubPrivate Sub Command1_Click() Dim a(0) As ByteCommand5.BackColor = &HC0C000Command6.BackColor = &HC0C000Command7.BackColor = &HC0C000Command8.BackColor = &HC0C000If Command1.BackColor = &HC0C000 Then Command1.BackColor = &HFF Command2.BackColor = &HC0C000 If Command3.BackColor = &HC0C000 And Command4.BackColor = &HC0C000 Then a(0) = &H1 ElseIf Command3.BackColor = &HFF And Command4.BackColor = &HC0C000 Then a(0) = &H5 ElseIf Command3.BackColor = &HC0C000 And Command4.BackColor = &HFF Then a(0) = &H9 End IfElse: Command1.BackColor = &HC0C000 If Command3.BackColor = &HC0C000 And Command4.BackColor = &HC0C000 Then a(0) = &H0 ElseIf Command3.BackColor = &HFF And Command4.BackColor = &HC0C000 Then a(0) = &H4 ElseIf Command3.BackColor = &HC0C000 And Command4.BackColor = &HFF Then a(0) = &H8 End IfEnd IfMSComm1.Output = a()End SubPrivate Sub Command2_Click()Dim a(0) As ByteCommand5.BackColor = &HC0C000Command6.BackColor = &HC0C000Command7.BackColor = &HC0C000Command8.BackColor = &HC0C000If Command2.BackColor = &HC0C000 Then Command2.BackColor = &HFF Command1.BackColor = &HC0C000 If Command3.BackColor = &HC0C000 And Command4.BackColor = &HC0C000 Then a(0) = &H2 ElseIf Command3.BackColor = &HFF And Command4.BackColor = &HC0C000 Then a(0) = &H6 ElseIf Command3.BackColor = &HC0C000 And Command4.BackColor = &HFF Then a(0) = &HA End IfElse: Command2.BackColor = &HC0C000 If Command3.BackColor = &HC0C000 And Command4.BackColor = &HC0C000 Then a(0) = &H0 ElseIf Command3.BackColor = &HFF And Command4.BackColor = &HC0C000 Then a(0) = &H4 ElseIf Command3.BackColor = &HC0C000 And Command4.BackColor = &HFF Then a(0) = &H8 End IfEnd IfMSComm1.Output = a()End SubPrivate Sub Command3_Click() Command5.BackColor = &HC0C000: Command6.BackColor = &HC0C000: Command7.BackColor = &HC0C000: Command8.BackColor = &HC0C000Dim a(0) As ByteIf Command3.BackColor = &HC0C000 ThenCommand3.BackColor = &HFFCommand4.BackColor = &HC0C000 If Command1.BackColor = &HC0C000 And Command2.BackColor = &HC0C000 Then a(0) = &H4 ElseIf Command1.BackColor = &HFF And Command2.BackColor = &HC0C000 Then a(0) = &H5 ElseIf Command1.BackColor = &HC0C000 And Command2.BackColor = &HFF Then a(0) = &H6 End IfElse: Command3.BackColor = &HC0C000: Command4.BackColor = &HC0C000 If Command1.BackColor = &HC0C000 And Command2.BackColor = &HC0C000 Then a(0) = &H0 ElseIf Command1.BackColor = &HFF And Command2.BackColor = &HC0C000 Then a(0) = &H1 ElseIf Command1.BackColor = &HC0C000 And Command2.BackColor = &HFF Then a(0) = &H2 End IfEnd IfMSComm1.Output = a() End SubPrivate Sub Command4_Click()Command5.BackColor = &HC0C000: Command6.BackColor = &HC0C000: Command7.BackColor = &HC0C000: Command8.BackColor = &HC0C000Dim a(0) As ByteIf Command4.BackColor = &HC0C000 ThenCommand4.BackColor = &HFFCommand3.BackColor = &HC0C000 If Command1.BackColor = &HC0C000 And Command2.BackColor = &HC0C000 Then a(0) = &H8 ElseIf Command1.BackColor = &HFF And Command2.BackColor = &HC0C000 Then a(0) = &H9 ElseIf Command1.BackColor = &HC0C000 And Command2.BackColor = &HFF Then a(0) = &HAEnd IfElse: Command3.BackColor = &HC0C000: Command4.BackColor = &HC0C000 If Command1.BackColor = &HC0C000 And Command2.BackColor = &HC0C000 Then a(0) = &H0 ElseIf Command1.BackColor = &HFF And Command2.BackColor = &HC0C000 Then a(0) = &H1 ElseIf Command1.BackColor = &HC0C000 And Command2.BackColor = &HFF Then a(0) = &H2 End IfEnd IfMSComm1.Output = a()End SubPrivate Sub Command5_Click() Dim a(0) As ByteIf Command5.BackColor = &HC0C000 And Command1.BackColor = &HC0C000 And Command2.BackColor = &HC0C000 Then Command5.BackColor = &HFF: Command6.BackColor = &HC0C000: Command7.BackColor = &HC0C000: Command8.BackColor = &HC0C000 a(0) = &H10: MSComm1.Output = a()Else: Command5.BackColor = &HC0C000 If Command1.BackColor = &HC0C000 And Command2.BackColor = &HC0C000 Then a(0) = &H0: MSComm1.Output = a() End IfEnd IfEnd SubPrivate Sub Command6_Click() Dim a(0) As ByteIf Command6.BackColor = &HC0C000 And Command1.BackColor = &HC0C000 And Command2.BackColor = &HC0C000 Then Command6.BackColor = &HFF: Command5.BackColor = &HC0C000: Command7.BackColor = &HC0C000: Command8.BackColor = &HC0C000 a(0) = &H20: MSComm1.Output = a()Else: Command6.BackColor = &HC0C000 If Command1.BackColor = &HC0C000 And Command2.BackColor = &HC0C000 Then a(0) = &H0: MSComm1.Output = a() End IfEnd IfEnd SubPrivate Sub Command7_Click() Dim a(0) As ByteIf Command7.BackColor = &HC0C000 And Command1.BackColor = &HC0C000 And Command2.BackColor = &HC0C000 Then Command7.BackColor = &HFF: Command5.BackColor = &HC0C000: Command6.BackColor = &HC0C000: Command8.BackColor = &HC0C000 a(0) = &H40: MSComm1.Output = a()Else: Command7.BackColor = &HC0C000 If Command1.BackColor = &HC0C000 And Command2.BackColor = &HC0C000 Then a(0) = &H0: MSComm1.Output = a() End IfEnd IfEnd SubPrivate Sub Command8_Click() Dim a(0) As ByteIf Command8.BackColor = &HC0C000 And Command1.BackColor = &HC0C000 And Command2.BackColor = &HC0C000 Then Command8.BackColor = &HFF: Command5.BackColor = &HC0C000: Command6.BackColor = &HC0C000: Command7.BackColor = &HC0C000 a(0) = &H80: MSComm1.Output = a()Else: Command8.BackColor = &HC0C000 If Command1.BackColor = &HC0C000 And Command2.BackColor = &HC0C000 Then a(0) = &H0: MSComm1.Output = a() End IfEnd IfEnd Sub参 考 文 献1.付植桐 主编.电子技术.北京:高等教育出版社2.刘孝明 黄卫萍主编.机械设计基础.广州：华南理工大学出版社3.周开勤 主编.机械零件手册.北京:高等教育出版社4.程晓宇 主编.工程材料与热加工技术.西安:西安电子科技大学出版社5.黎传 袁斌 主编.互换性与测量技术.广州:华南理工大学出版社6.李全利 主编.单片机原理及应用技术.北京：高等教育出版社7.林平勇 高嵩 主编.电工电子技术.北京：高等教教育出版社