一种蛇形搜救机器人的设计
一种蛇形搜救机器人的设计[20191207124627]
摘要
在世界各地，频繁发生的自然灾害，破坏了人们的生产和生活秩序。在这种危险且紧急的未知环境下，人为救援危险性高，救援效率低。蛇形机器人能够进入地形复杂、高危险度的非结构环境中完成搜救作业，是在该领域具有广泛用途的仿生搜救机器人。
本文首先分析了国内外蛇形搜救机器人的研究现状，研究了蛇类生物的运动特性。在此基础上，提出了一种以蜿蜒形式运动的蛇形搜救机器人的设计方案。该蛇形搜救机器人以STM32处理器为核心。蛇形搜救机器人头部配备无线摄像头，并安装烟雾浓度传感器。通过上位机发出指令，蛇形搜救机器人以蜿蜒运动形式运动到指定位置，完成对目标区域内的生命检测和烟雾浓度检测。同时，头部的无线摄像头将搜救现场信息传输到上位机，为救援中心制定搜救方案提供有力支持。
实验结果表明，本文设计的蛇形搜救机器人结构简单、控制方便，在地面上运动灵活，具有一定的应用前景。
*查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:STM32蛇形机器人搜救
目 录
1.绪论 1
1.1课题的研究背景和意义 1
1.2 国外研究现状分析 1
1.3国内研究现状分析 3
1.4课题研究的主要内容 4
2.蛇形机器人的运动分析和步态研究 6
2.1 蛇的运动方式 6
2.2蛇的蜿蜒运动模型 7
2.3蛇形机器人的蜿蜒运动步态分析 7
2.3.1蜿蜒运动的步态分析 7
2.3.2蜿蜒运动的连杆位移分析 8
2.3.3蜿蜒运动的连杆相对角位移分析 9
2.3.4蛇形机器人蜿蜒运动设计 9
3.蜿蜒运动的ADAMS仿真 12
3.1 ADAMS软件介绍 12
3.2 蜿蜒运动的仿真流程 13
3.3 蜿蜒运动的ADAMS仿真 13
4.蛇形搜救机器人的硬件设计 17
4.1总体设计方案 17
4.2核心控制器设计 17
4.3处理器的启动 18
4.4运动控制系统设计 19
4.4.1舵机的安装与使用 19
4.4.2 舵机UART接口电路设计 20
4.5 视频传输系统的设计 20
4.5.1 SKY-TX351视频发射器 20
4.5.2 SKY-TX351视频发射器电路设计 21
4.5.3 SKY-RC305视频接收器 22
4.5.4 SKY-RC305视频接收器电路设计 22
4.6 电源系统设计 23
4.6.1电源供电方案 23
4.6.2 电源稳压电路的设计 23
4.7烟雾检测电路的设计 24
4.7.1烟雾检测电路工作原理 24
4.8遥控器系统 25
5.蛇形搜救机器人的软件设计 27
5.1蛇形机器人总体软件设计 27
5.2运动系统软件设计 27
5.3遥控系统软件设计 28
5.4烟雾检测电路软件设计 29
5.5视频传输系统软件设计 30
6.蛇形搜救机器人的调试 32
6.1 蛇形机器人运动系统调试 32
6.2 图像传输系统调试 34
6.3烟雾检测电路调试 34
7.总结与展望 36
7.1总结 36
7.2展望 36
参 考 文 献 37
附录 程序代码 38
附录1．运动系统程序 38
附录2．烟雾检测电路程序 39
致谢 40
1.绪论
1.1课题的研究背景和意义
在世界各地，因为恐怖活动、自然灾害和其他各种突发事件，灾难频繁发生。灾后情况危险且紧急，但受灾后复杂地形，封闭环境中各种有害气体等众多因素的影响，人力救援周期长，伤亡人数多，救援危险性高，救援效率低。派遣机器人进入灾后现场，探索现场情况的变化，投放食用水、通讯装置并为遇险者提供简单的医疗救助服务，能在较短时间内获悉受灾区域的环境变化，为地面人员快速组织救援力量提供参考。
鉴于灾后环境的特殊性，为了满足灾后搜救工作的需要，一种能被应用到环境复杂、危险度高和人类无法进入的场合完成作业的机器人勾起了许多学者的兴趣。目前，许多研究学者已经着手研究能在不稳定的复杂环境下自主开展作业的搜救机器人。在传统的车型设计方法基础上，从蛇类生物生存环境的多样性和蛇类独特的运动特性上获得启发，设计出蛇形搜救机器人。
蛇形搜救机器人可以在灾后崎岖不平的复杂环境开展作业，克服了车型机器人不能越障的缺陷，灵活性强，应用前景广阔。在灾难救援领域，身形细小的蛇形搜救机器人，身体结构可变，身体以多点形式与地面接触，地面承受的压力小而均匀，能避免引起不稳定灾后环境的二次坍塌，可以代替大型搜救机器人在灾后废墟中进行伤员搜救，对有害气体进行检测，通道疏通和探索区域环境等。是在该领域拥有广泛应用前景的仿生机器人。
本文研究的课题主要针对地震、矿难等封闭复杂的灾后环境。在被困人员周围环境未知且地形多变的环境中，蛇形搜救机器人能通过狭小管道进入目标区域，探索目标区域环境概况并将概况进行实时传输。能在倒塌的环境中对幸存者进行搜索，为地面组织救援力量提供参考信息。
1.2 国外研究现状分析
蛇形搜救机器人，是一种在生物蛇身上获得启发并结合生产需要而诞生的仿生机器人。它的运动形式区别于传统的车型机器人，像蛇一般无肢运动，许多机器人领域的研究学者形象的称其为“最富于现实感的机器人"。蛇形机器人由于其关节多、自由度多、拥有众多运动形式的特性，能够实现在复杂环境中侦查、搜救、排险等任务，可以成为人类生产生活中的得力助手
发达国家经济发展水平高，在蛇形机器人研究领域起步较早，有着众多研究成果。上个世纪中后期，日本工业大学的机器人学者Hirose教授就已经着手研究了蛇形机器人。Hirose教授的第一件研究成果于1972年研制成功。该蛇形机器人总长约2m，共由20个关节组成，关节的左右运动通过驱动伺服机构来实现。为了避免地面不平整，机器人与地面脱离，在该机器人身体的腹部使用了脚轮。实现了机器人在平面上的二维运动。第一台机器蛇研究成功之后，Hirose教授的研究室在此基础上继续开展了蛇形机器人的研究。最新的研究成果ACM-R3，使用了无线控制并且每个关节都自带电源。ACM-R3为多自由度运动结构，能在三维空间内实现多种三维动作。
（a）ACM-R3模型 （b）ACM-R3单节构内部结构图
图1-1 ACM-R3蛇形机器人模型
二十世纪末，美国宇航局着手研究蛇形机器人。研究出的第一代多关节蛇形机器人成果使用相邻的正交串联结构,通过中央计算机对蛇形机器人进行控制。该蛇形机器人模型实现了生物蛇的蜿蜒运动形式和蠕动运功形式，能够通过简单的障碍物。该蛇形机器人的多关节和单关节单元简单合理的组成结构，被许多机器人研究学者借鉴，对当代蛇型机器人的研究发展有重要意义。
图1-2美国宇航局（NASA）研制的SnakeRobot
德国的国家实验室GMD也较早的参与开发蛇形机器人。最早的研究成果使用CAN总线串行模块式关节结构组成。机器人的模块式关节结构为三维空间结构,每个关节集成三个电机和六个力矩式传感器。关节结构直径约20cm，构成相当复杂。通过上位机总线下位机控制蛇形机器人.该机器人能够实现速度和当前位置的闭环反馈,能够灵活的通过简单的障碍物,具有一定的自适应反应能力。
图1-3德国国家实验室GMD研制的AiS
1.3国内研究现状分析
摘要
在世界各地，频繁发生的自然灾害，破坏了人们的生产和生活秩序。在这种危险且紧急的未知环境下，人为救援危险性高，救援效率低。蛇形机器人能够进入地形复杂、高危险度的非结构环境中完成搜救作业，是在该领域具有广泛用途的仿生搜救机器人。
本文首先分析了国内外蛇形搜救机器人的研究现状，研究了蛇类生物的运动特性。在此基础上，提出了一种以蜿蜒形式运动的蛇形搜救机器人的设计方案。该蛇形搜救机器人以STM32处理器为核心。蛇形搜救机器人头部配备无线摄像头，并安装烟雾浓度传感器。通过上位机发出指令，蛇形搜救机器人以蜿蜒运动形式运动到指定位置，完成对目标区域内的生命检测和烟雾浓度检测。同时，头部的无线摄像头将搜救现场信息传输到上位机，为救援中心制定搜救方案提供有力支持。
实验结果表明，本文设计的蛇形搜救机器人结构简单、控制方便，在地面上运动灵活，具有一定的应用前景。
*查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:STM32蛇形机器人搜救
目 录
1.绪论 1
1.1课题的研究背景和意义 1
1.2 国外研究现状分析 1
1.3国内研究现状分析 3
1.4课题研究的主要内容 4
2.蛇形机器人的运动分析和步态研究 6
2.1 蛇的运动方式 6
2.2蛇的蜿蜒运动模型 7
2.3蛇形机器人的蜿蜒运动步态分析 7
2.3.1蜿蜒运动的步态分析 7
2.3.2蜿蜒运动的连杆位移分析 8
2.3.3蜿蜒运动的连杆相对角位移分析 9
2.3.4蛇形机器人蜿蜒运动设计 9
3.蜿蜒运动的ADAMS仿真 12
3.1 ADAMS软件介绍 12
3.2 蜿蜒运动的仿真流程 13
3.3 蜿蜒运动的ADAMS仿真 13
4.蛇形搜救机器人的硬件设计 17
4.1总体设计方案 17
4.2核心控制器设计 17
4.3处理器的启动 18
4.4运动控制系统设计 19
4.4.1舵机的安装与使用 19
4.4.2 舵机UART接口电路设计 20
4.5 视频传输系统的设计 20
4.5.1 SKY-TX351视频发射器 20
4.5.2 SKY-TX351视频发射器电路设计 21
4.5.3 SKY-RC305视频接收器 22
4.5.4 SKY-RC305视频接收器电路设计 22
4.6 电源系统设计 23
4.6.1电源供电方案 23
4.6.2 电源稳压电路的设计 23
4.7烟雾检测电路的设计 24
4.7.1烟雾检测电路工作原理 24
4.8遥控器系统 25
5.蛇形搜救机器人的软件设计 27
5.1蛇形机器人总体软件设计 27
5.2运动系统软件设计 27
5.3遥控系统软件设计 28
5.4烟雾检测电路软件设计 29
5.5视频传输系统软件设计 30
6.蛇形搜救机器人的调试 32
6.1 蛇形机器人运动系统调试 32
6.2 图像传输系统调试 34
6.3烟雾检测电路调试 34
7.总结与展望 36
7.1总结 36
7.2展望 36
参 考 文 献 37
附录 程序代码 38
附录1．运动系统程序 38
附录2．烟雾检测电路程序 39
致谢 40
1.绪论
1.1课题的研究背景和意义
在世界各地，因为恐怖活动、自然灾害和其他各种突发事件，灾难频繁发生。灾后情况危险且紧急，但受灾后复杂地形，封闭环境中各种有害气体等众多因素的影响，人力救援周期长，伤亡人数多，救援危险性高，救援效率低。派遣机器人进入灾后现场，探索现场情况的变化，投放食用水、通讯装置并为遇险者提供简单的医疗救助服务，能在较短时间内获悉受灾区域的环境变化，为地面人员快速组织救援力量提供参考。
鉴于灾后环境的特殊性，为了满足灾后搜救工作的需要，一种能被应用到环境复杂、危险度高和人类无法进入的场合完成作业的机器人勾起了许多学者的兴趣。目前，许多研究学者已经着手研究能在不稳定的复杂环境下自主开展作业的搜救机器人。在传统的车型设计方法基础上，从蛇类生物生存环境的多样性和蛇类独特的运动特性上获得启发，设计出蛇形搜救机器人。
蛇形搜救机器人可以在灾后崎岖不平的复杂环境开展作业，克服了车型机器人不能越障的缺陷，灵活性强，应用前景广阔。在灾难救援领域，身形细小的蛇形搜救机器人，身体结构可变，身体以多点形式与地面接触，地面承受的压力小而均匀，能避免引起不稳定灾后环境的二次坍塌，可以代替大型搜救机器人在灾后废墟中进行伤员搜救，对有害气体进行检测，通道疏通和探索区域环境等。是在该领域拥有广泛应用前景的仿生机器人。
本文研究的课题主要针对地震、矿难等封闭复杂的灾后环境。在被困人员周围环境未知且地形多变的环境中，蛇形搜救机器人能通过狭小管道进入目标区域，探索目标区域环境概况并将概况进行实时传输。能在倒塌的环境中对幸存者进行搜索，为地面组织救援力量提供参考信息。
1.2 国外研究现状分析
蛇形搜救机器人，是一种在生物蛇身上获得启发并结合生产需要而诞生的仿生机器人。它的运动形式区别于传统的车型机器人，像蛇一般无肢运动，许多机器人领域的研究学者形象的称其为“最富于现实感的机器人"。蛇形机器人由于其关节多、自由度多、拥有众多运动形式的特性，能够实现在复杂环境中侦查、搜救、排险等任务，可以成为人类生产生活中的得力助手
发达国家经济发展水平高，在蛇形机器人研究领域起步较早，有着众多研究成果。上个世纪中后期，日本工业大学的机器人学者Hirose教授就已经着手研究了蛇形机器人。Hirose教授的第一件研究成果于1972年研制成功。该蛇形机器人总长约2m，共由20个关节组成，关节的左右运动通过驱动伺服机构来实现。为了避免地面不平整，机器人与地面脱离，在该机器人身体的腹部使用了脚轮。实现了机器人在平面上的二维运动。第一台机器蛇研究成功之后，Hirose教授的研究室在此基础上继续开展了蛇形机器人的研究。最新的研究成果ACM-R3，使用了无线控制并且每个关节都自带电源。ACM-R3为多自由度运动结构，能在三维空间内实现多种三维动作。
（a）ACM-R3模型 （b）ACM-R3单节构内部结构图
图1-1 ACM-R3蛇形机器人模型
二十世纪末，美国宇航局着手研究蛇形机器人。研究出的第一代多关节蛇形机器人成果使用相邻的正交串联结构,通过中央计算机对蛇形机器人进行控制。该蛇形机器人模型实现了生物蛇的蜿蜒运动形式和蠕动运功形式，能够通过简单的障碍物。该蛇形机器人的多关节和单关节单元简单合理的组成结构，被许多机器人研究学者借鉴，对当代蛇型机器人的研究发展有重要意义。
图1-2美国宇航局（NASA）研制的SnakeRobot
德国的国家实验室GMD也较早的参与开发蛇形机器人。最早的研究成果使用CAN总线串行模块式关节结构组成。机器人的模块式关节结构为三维空间结构,每个关节集成三个电机和六个力矩式传感器。关节结构直径约20cm，构成相当复杂。通过上位机总线下位机控制蛇形机器人.该机器人能够实现速度和当前位置的闭环反馈,能够灵活的通过简单的障碍物,具有一定的自适应反应能力。
图1-3德国国家实验室GMD研制的AiS
1.3国内研究现状分析
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