管道探测机器人结构及控制系统设计(附件)
本次设计的管道探测机器人是基于Arduino设计，具有蠕虫外形结构的仿生机器人。它是一种集单片机技术、传感信息技术、数据处理技术、运动控制算法等多种技术于一体的综合系统。这款具有蠕虫形状管道探测机器人，不仅结构十分简单，而且打造起来也非常简单，很轻便，易于向上和向下扩展、能源利用效率高，能够长距离运行，打破了我们对机器人常规的认识。这种新颖的创意，除了用于医疗（如活体组织切片），还可用于救援，能深入复杂多变的环境（比如隧道、已被破坏的房屋、管子等地方）。当今世界呈现多元化发展的趋势，我们对于安全的要求也越来越高。随着移动设备越来越多地渗透进我们的生活，我们对于机器人的接受与适应程度也越来越高，这将大大加快机器人市场的发展。现在，这种管道探测机器人有望进入市场，加入到救援机器人的大家庭中来，创造更多的价值，为人类带来福音。关键词 管道机器人 Arduino 单片机 传感信息技术 自动探测 智能行动一体化
目 录
1 引言 1
1.1 课题的研究背景与意义 1
1.2 地面移动机器人的研究现状 1
1.2.1 概述 1
1.2.2 地面移动机器人形状——仿生形 1
1.2.3 移动机器人的感觉 2
1.3 管道机器人的研究现状 3
1.3.1 概述 3
1.3.2 自驱动管内机器人——蠕动式 3
1.4 存在的问题 4
1.5 课题的主要研究内容 5
2 管道探测机器人结构及运动机理的研究 5
2.1 管道探测机器人的运动步态研究 5
2.1.1 鞭毛细菌的运动模式分析——墙效应 5
2.1.2 管道探测机器人的运动步态——螺旋机构 5
2.2 管道探测机器人总体结构的研究 8
2.2.1转向机构的设计与分析 8
2.2.2 摄像头部分的设计与分析 8
2.2.3 3D材料的选择和打印 9
2.3 本章小结 10
3 管道探测机器人控制系统与模块选择、设计 11
3.1 概述 11
3.2 控制系统的模块选用 11
3 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
.2.1 Arduino ProMini的选择和工作原理 11
3.2.2 电机驱动模块的选择和工作原理 15
3.2.3 关于稳压电源的选择以及系统电路的设计 17
3.2.4 舵机的选择和工作原理 19
3.2.5 蓝牙模块的选择 20
3.2.6 JGY370大扭矩马达的选择 20
3.2.7 锂电池的选择 21
3.3 控制系统的电路设计 21
3.4 本章小结 21
4 控制系统的程序设计及运行和调试 21
4.1 概述 21
4.2 控制系统的程序设计及运行和调试 22
4.2.1 控制系统的设计 22
4.2.2 机器人的运行 22
4.2.3 机器人的调试 23
4.3 本章小结 23
5 摄像头视频采集与显示 23
5.1 摄像头视频的采集 23
5.2摄像头视频采集与显示 26
结论 27
致谢 29
参考文献 30
附录A 31
附录B 36
1 引言
课题的研究背景与意义
50多年前第一台工业机器人诞生了，他是由德沃尔与美国发明家约瑟夫共同制造的，而后随着制造、计算机、自动化等方面的技术迅速发展，机器人得到了很大的改善，渐渐融入现代人生活的方方面面中。如今，机器人正朝着多样化方向发展，从传统的产业（工业、农业、军事、宇航等）向医疗业、教育业、服务业、救灾救援等方面迅速扩展。波浪式移动机器人是机器人范畴中一个新兴的发展分支，很多国家的科学家都在研究。波浪式移动机器人凭借其坚硬的外壳、制造方便、能源利用率高以及适合长距离运行，稳定性好，将在类似于资源勘测、医疗救护、管道探测、军事勘探等多个领域充分发挥自己的作用，其具有着强大的发展和应用潜力。
地面移动机器人的研究现状
概述
地面移动机器人指的是离开人的直接接触，可通过人的远程控制（遥控）或者自主、半自主等其他方式在地面上活动的物体。对于地面移动机器人的研究，我们可以追溯到五十年代初，当时一家名叫Barrett Electronics美国公司研发出世界第一台自动引导车辆系统。拘于当时的电子水平尚处于晶体管时代，所以该车在功能和活动范围都有很大的限制，制造该车只是出于提高运输自动化水平的目的。然而到了1960年之后，集成电路发展迅猛并且使用范围广泛，因此也衍生出了后来的集成微处理器，这为实现电路小型化提供了理论和实践的帮助。到了八十年代，国外引发了对智能机器人研究的热潮，人们关注到的不仅是其所蕴含的发展潜力，甚至还有用于军事的移动机器人。地面人机器人研究大国有两个——日本和美国。到目前为止，应用范围从民用到军用各种各样的地面移动机器人纷纷被研制出来，涉及到人类活动的各个方面。
1.2.2 地面移动机器人形状——仿生形
仿生形是人们效仿自然界生物来满足自己特别需求而设计的，其中包含人形、虫形、蛇形和宠物形等。图1.1是日本东京大学研制的机器人系列。具有人形的机器人可以帮助人类完成一些简单的而耗时的工作，比如站岗；还可以供人娱乐使用，比如可以唱歌、跳舞，如图1.4和1.5 的宠物机器人。具有人形的机器人因为造价高，移动慢等方面的局限，所以应用范围有限。图1.2具有蛇形的机器人可以在人无法进入的地方完成探查等方面的工作，例如可以在坍塌的建筑物下的探查伤员。图 1.3 这种具有昆虫外形的机器人可以爬壁（足尖有吸附装置），也常被用于军事探查，由于其外形与自然界的昆虫相似程度很高，很难被别人发现。
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图1.1 图1.2 图1.3 图1.4 图1.5
1.2.3 移动机器人的感觉
机器人的传感器及附属电路的组成造就了地面移动机器人的感觉系统。机器人传感器技术是用来区分一个国家机器人水平的高下。国内外对机器人的传感器技术都加大了投资，机器人各个部位的传感器都相继被开发出来。
人能否不用近距离接触机器人，仅靠手中的遥控装置就能轻易地控制远处的机器人，让机器人按照人们的想法运动呢？在环境不复杂，视野开阔，无障碍物的情况下，这种想法是可以的。若是在狭窄或者是有障碍物的情况下，仅用一个摄像机是判断不了物体的远近，还有信息的反馈（摄像头→人→机器人）也要一段时间。在这段时间里，移动机器人可能会出现各种各样的状况，例如机器人撞上某个东西而导致其自身损坏或者翻倒。而且机器人之所以能够产生像人类一样的立体感是利用两个摄像机模仿人眼想两个摄像机的信息融合到一起，从而产生立体感，但是这样算法耗时较长。而且只有在静止的时候机器人才能更好地进行事物描绘，机器人一旦移动起来，运算能力完全跟不上外界环境的变化，从而机器人会走一下停一下。因此，地面移动机器人需要有自己思考的能力，决定自己的运动方向、运动状态。
目 录
1 引言 1
1.1 课题的研究背景与意义 1
1.2 地面移动机器人的研究现状 1
1.2.1 概述 1
1.2.2 地面移动机器人形状——仿生形 1
1.2.3 移动机器人的感觉 2
1.3 管道机器人的研究现状 3
1.3.1 概述 3
1.3.2 自驱动管内机器人——蠕动式 3
1.4 存在的问题 4
1.5 课题的主要研究内容 5
2 管道探测机器人结构及运动机理的研究 5
2.1 管道探测机器人的运动步态研究 5
2.1.1 鞭毛细菌的运动模式分析——墙效应 5
2.1.2 管道探测机器人的运动步态——螺旋机构 5
2.2 管道探测机器人总体结构的研究 8
2.2.1转向机构的设计与分析 8
2.2.2 摄像头部分的设计与分析 8
2.2.3 3D材料的选择和打印 9
2.3 本章小结 10
3 管道探测机器人控制系统与模块选择、设计 11
3.1 概述 11
3.2 控制系统的模块选用 11
3 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
.2.1 Arduino ProMini的选择和工作原理 11
3.2.2 电机驱动模块的选择和工作原理 15
3.2.3 关于稳压电源的选择以及系统电路的设计 17
3.2.4 舵机的选择和工作原理 19
3.2.5 蓝牙模块的选择 20
3.2.6 JGY370大扭矩马达的选择 20
3.2.7 锂电池的选择 21
3.3 控制系统的电路设计 21
3.4 本章小结 21
4 控制系统的程序设计及运行和调试 21
4.1 概述 21
4.2 控制系统的程序设计及运行和调试 22
4.2.1 控制系统的设计 22
4.2.2 机器人的运行 22
4.2.3 机器人的调试 23
4.3 本章小结 23
5 摄像头视频采集与显示 23
5.1 摄像头视频的采集 23
5.2摄像头视频采集与显示 26
结论 27
致谢 29
参考文献 30
附录A 31
附录B 36
1 引言
课题的研究背景与意义
50多年前第一台工业机器人诞生了，他是由德沃尔与美国发明家约瑟夫共同制造的，而后随着制造、计算机、自动化等方面的技术迅速发展，机器人得到了很大的改善，渐渐融入现代人生活的方方面面中。如今，机器人正朝着多样化方向发展，从传统的产业（工业、农业、军事、宇航等）向医疗业、教育业、服务业、救灾救援等方面迅速扩展。波浪式移动机器人是机器人范畴中一个新兴的发展分支，很多国家的科学家都在研究。波浪式移动机器人凭借其坚硬的外壳、制造方便、能源利用率高以及适合长距离运行，稳定性好，将在类似于资源勘测、医疗救护、管道探测、军事勘探等多个领域充分发挥自己的作用，其具有着强大的发展和应用潜力。
地面移动机器人的研究现状
概述
地面移动机器人指的是离开人的直接接触，可通过人的远程控制（遥控）或者自主、半自主等其他方式在地面上活动的物体。对于地面移动机器人的研究，我们可以追溯到五十年代初，当时一家名叫Barrett Electronics美国公司研发出世界第一台自动引导车辆系统。拘于当时的电子水平尚处于晶体管时代，所以该车在功能和活动范围都有很大的限制，制造该车只是出于提高运输自动化水平的目的。然而到了1960年之后，集成电路发展迅猛并且使用范围广泛，因此也衍生出了后来的集成微处理器，这为实现电路小型化提供了理论和实践的帮助。到了八十年代，国外引发了对智能机器人研究的热潮，人们关注到的不仅是其所蕴含的发展潜力，甚至还有用于军事的移动机器人。地面人机器人研究大国有两个——日本和美国。到目前为止，应用范围从民用到军用各种各样的地面移动机器人纷纷被研制出来，涉及到人类活动的各个方面。
1.2.2 地面移动机器人形状——仿生形
仿生形是人们效仿自然界生物来满足自己特别需求而设计的，其中包含人形、虫形、蛇形和宠物形等。图1.1是日本东京大学研制的机器人系列。具有人形的机器人可以帮助人类完成一些简单的而耗时的工作，比如站岗；还可以供人娱乐使用，比如可以唱歌、跳舞，如图1.4和1.5 的宠物机器人。具有人形的机器人因为造价高，移动慢等方面的局限，所以应用范围有限。图1.2具有蛇形的机器人可以在人无法进入的地方完成探查等方面的工作，例如可以在坍塌的建筑物下的探查伤员。图 1.3 这种具有昆虫外形的机器人可以爬壁（足尖有吸附装置），也常被用于军事探查，由于其外形与自然界的昆虫相似程度很高，很难被别人发现。
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图1.1 图1.2 图1.3 图1.4 图1.5
1.2.3 移动机器人的感觉
机器人的传感器及附属电路的组成造就了地面移动机器人的感觉系统。机器人传感器技术是用来区分一个国家机器人水平的高下。国内外对机器人的传感器技术都加大了投资，机器人各个部位的传感器都相继被开发出来。
人能否不用近距离接触机器人，仅靠手中的遥控装置就能轻易地控制远处的机器人，让机器人按照人们的想法运动呢？在环境不复杂，视野开阔，无障碍物的情况下，这种想法是可以的。若是在狭窄或者是有障碍物的情况下，仅用一个摄像机是判断不了物体的远近，还有信息的反馈（摄像头→人→机器人）也要一段时间。在这段时间里，移动机器人可能会出现各种各样的状况，例如机器人撞上某个东西而导致其自身损坏或者翻倒。而且机器人之所以能够产生像人类一样的立体感是利用两个摄像机模仿人眼想两个摄像机的信息融合到一起，从而产生立体感，但是这样算法耗时较长。而且只有在静止的时候机器人才能更好地进行事物描绘，机器人一旦移动起来，运算能力完全跟不上外界环境的变化，从而机器人会走一下停一下。因此，地面移动机器人需要有自己思考的能力，决定自己的运动方向、运动状态。
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