購買設(shè)計(jì)請(qǐng)充值后下載，，資源目錄下的文件所見即所得，都可以點(diǎn)開預(yù)覽，，資料完整，充值下載可得到資源目錄里的所有文件。。?！咀ⅰ浚篸wg后綴為CAD圖紙，doc,docx為WORD文檔，原稿無水印，可編輯。。。帶三維備注的都有三維源文件，由于部分三維子文件較多，店主做了壓縮打包，都可以保證打開的，三維預(yù)覽圖都是店主用電腦打開后截圖的，具體請(qǐng)見文件預(yù)覽，有不明白之處，可咨詢QQ:1304139763===========題目最后備注XX系列，只是店主整理分類，與內(nèi)容無關(guān)，請(qǐng)忽視
外文資料翻譯
學(xué)院 (系)：
專 業(yè)：
姓 名：
學(xué) 號(hào)：
(用外文寫)
外文出處：Advanced Robotics, Vol. 17, No. 4, pp. 339–358 (2003)
附 件： 1.外文資料翻譯譯文；2.外文原文。
指導(dǎo)教師評(píng)語：
該篇外文資料內(nèi)容與課題有一定的相關(guān)性，譯文比較正確地表達(dá)了原文的意義、概念描述基本符合漢語的習(xí)慣，語句較通暢，層次較清晰。
譯文較為準(zhǔn)確地表達(dá)了原文的概念和主題，敘述較清晰，語句較通順。 簽名：
年 月 日
附件1：外文資料翻譯譯文
管道機(jī)器人爬行營救的概念與研究
摘要：—本文介紹了控制算法設(shè)計(jì)的一種管道爬行機(jī)器人可用于地震救援的目的和管道維修。該機(jī)器人的設(shè)計(jì)是能夠理智改變其體型，以適應(yīng)管道或隧道狀空洞內(nèi)瓦礫。介紹了機(jī)器人的仿真，對(duì)如何改變其形體來適應(yīng)的空洞?？刂扑惴ú捎玫牟檎冶矸椒ㄏ嘟Y(jié)合的方法來預(yù)測的形狀在對(duì)機(jī)器人的影響下使它的執(zhí)行變形機(jī)構(gòu)。文章還提出了設(shè)計(jì)的硬件和軟件系統(tǒng)的機(jī)器人，并且在機(jī)器人身體模塊的實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)。計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果運(yùn)用梅雷比類比仿真軟件和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，方法是可行的，機(jī)器人形體變化控制算法的建議。
關(guān)鍵詞：管道機(jī)器人； 控制算法； 方法采用最小二乘法； 變形體內(nèi)； 救援機(jī)器人。
1 介紹
1．1管道爬行機(jī)器人
國際管道輸送油使用，天然氣管和水管在年齡增長，以及一些設(shè)施已經(jīng)在使用壽命之外運(yùn)作，他們?cè)仍O(shè)計(jì)檢查管道是許多行業(yè)所面臨的重要任務(wù)。管道在煉油廠和蒸汽發(fā)電廠表面的惡化尤其常見。因此，管道的維護(hù)和檢查的日益的重要性，給管道運(yùn)營商提供了手段準(zhǔn)確、可靠地檢查他們的管道， 并獲得所需的信息對(duì)于決策對(duì)于安全運(yùn)行，康復(fù)和維修[1] 。使用自動(dòng)管道檢測，可減少停機(jī)時(shí)間和人力管子檢查過程，這是個(gè)需要很高的技術(shù)要求來開發(fā)各種管道機(jī)器人。
1．2 地震救援的機(jī)器人
地震是不幸的，非常危險(xiǎn)的天然頻發(fā)現(xiàn)象。幾乎在每一個(gè)地震受難者都埋在倒塌的建筑物、橋梁、道路等下面的廢墟中。這是非常困難的到達(dá)的地方營救這些人可能會(huì)受傷，饑餓和虛弱。此外，這個(gè)結(jié)構(gòu)在瓦礫堆下條件可以說是復(fù)雜、危險(xiǎn)和未知。因此，是一種基本需要探索這些條件，確定了受害者的位置和他們的生存條件。救援這件事也急，因?yàn)樗亲钪匾谋M快營救那些災(zāi)民。以這個(gè)結(jié)果為目標(biāo)，救援機(jī)器人已經(jīng)被開發(fā)中進(jìn)行這些任務(wù)。在一篇文章塔庫達(dá)[2]， 一個(gè)原型“酷兒” （機(jī)器人與模擬軟件進(jìn)行地貌的模擬）可用于地震救援和任務(wù)被描述，文章還介紹了試驗(yàn)結(jié)果可行性研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了該方法的有效性、“酷兒”救援機(jī)器人的工作提出了建議。
2．陳述問題
2．1 現(xiàn)有的管道機(jī)器人的設(shè)計(jì)缺陷
管道機(jī)器人在大量的文件。例如，一個(gè)機(jī)器人卡戎系統(tǒng)[3] 配備了智能化多傳感器。這使得自動(dòng)，可靠的檢測損壞的位置，它的類型和規(guī)模，并給予優(yōu)越的性能與多數(shù)的閉路電視系統(tǒng)相比。該系統(tǒng)已制定了對(duì)地下水和土壤污染的材料和液體的保護(hù)“東洋美”和“扣一吃”[4] 有1種微型檢查機(jī)器人可檢查1英寸口徑的管道。該機(jī)器人可以在管道進(jìn)行檢查，并視檢索小對(duì)象[5] 。描述一個(gè)機(jī)器人進(jìn)行自動(dòng)管道檢測和已被證明是合適的當(dāng)前管檢測技術(shù)的選擇。該系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)該系統(tǒng)采用一種廉價(jià)的原則生產(chǎn)機(jī)電設(shè)備，內(nèi)管缺陷的檢測能力。然而，所有的這些機(jī)器人只能工作管道具有一定的直徑的而且不能工作的管道的墻壁是破裂或嚴(yán)重?fù)p壞，如果管徑變化或管道已經(jīng)部分倒塌這些機(jī)器人就不能工作。
2．2畫筆的機(jī)器人
管道爬行機(jī)器人已發(fā)展為工業(yè)自動(dòng)化制造的中心(CIAM)。英國杜倫大學(xué)。工程學(xué)院，設(shè)計(jì)的該機(jī)器人采用了獨(dú)特的，創(chuàng)新和專利的牽引系統(tǒng)，這個(gè)機(jī)器人的原則和它的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是簡單的。我解釋下他的意思，如果用一個(gè)直徑略大于孔的管子插入一個(gè)管道，其橫掃回來。在這種情況下， 更容易向前推刷，但管道，需要把它向后拉，因此，如果兩個(gè)刷互連由往復(fù)然后，通過循環(huán)缸，它能使該機(jī)器人沿著管道爬行[6]。該驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)已獲得在全球范圍內(nèi)的專利。如需對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的進(jìn)一步詳情，請(qǐng)參見說明[6]和[7]。在由達(dá)勒姆開發(fā)的機(jī)器人大多采用氣動(dòng)和抓地力，在這情況下，因此命名為管壁刷壁機(jī)器人只是像其他管道機(jī)器人，僅能在管道機(jī)器人在一個(gè)有限的直徑范圍內(nèi)工作，盡管有許多其他牽引系統(tǒng)，但刷子機(jī)人只能夠處理了部分的管道。
2．3一種改進(jìn)的刷壁機(jī)器人地震救援和管道維修
該報(bào)告概述了一些改進(jìn)刷壁機(jī)器人的原則，并將其應(yīng)用到工作的目的都是為了地震救援和一些嚴(yán)重受損壓碎的房屋、或是破裂的管道。因此，它的目的是能夠改變它的體形狀態(tài)，在倒塌的建筑物或不同直徑的管道壁破裂或者兩者之一的任何一種可能的糟糕的狀況下。為實(shí)現(xiàn)這些功能，一個(gè)傳感器系統(tǒng)用來探測黑洞形狀和控制機(jī)器人身體形狀的改變，這是必要裝備。從而進(jìn)行有目的的救援，一個(gè)CCD攝像機(jī)能有條件的看到洞里的情況。一個(gè)二氧化碳， 檢測器檢測無論受害者是活著都能找出他們的位置。準(zhǔn)備一個(gè)麥克風(fēng)，可以使受害者能夠順利的和救援人員溝通。此外，空軟管將由機(jī)器人為條件的空氣不足。
3． 研究方法
3．1輪廓
對(duì)于一個(gè)機(jī)器人關(guān)鍵是要生產(chǎn)出足夠的摩擦力使它能夠驅(qū)動(dòng)機(jī)器本身，并進(jìn)行必要的負(fù)荷。對(duì)于地震救援的目的，機(jī)器人應(yīng)能穿過洞和由于地震產(chǎn)生了地震的廢墟裂紋。然而，這個(gè)洞和裂縫的廢墟里通常有不規(guī)則的形狀和大小。因此，機(jī)器人必須能改變自己的身體形狀使它產(chǎn)生足夠的形狀摩擦力。實(shí)現(xiàn)這一要求，必須要安裝一個(gè)傳感器系統(tǒng)放置在該機(jī)器人的頭部，它是用來檢測和裂紋的大致形狀的洞。在設(shè)計(jì)刷子機(jī)器的時(shí)候，四組驅(qū)動(dòng)器需要安裝機(jī)器人身上。這些執(zhí)行機(jī)構(gòu)將會(huì)改變機(jī)器人的形體，從而使傳感器信號(hào)返回到系統(tǒng)。在這個(gè)過程中控制系統(tǒng)將會(huì)認(rèn)出來傳感器的信號(hào)，執(zhí)行計(jì)算基于信號(hào)的信息發(fā)送和適當(dāng)?shù)闹噶顏砀淖凃?qū)動(dòng)器，使它變形。利用安裝在機(jī)器人頭部的CCD相機(jī)可以觀察到洞內(nèi)的條件和裂縫，并對(duì)其進(jìn)行研究。在機(jī)器人自動(dòng)控制功能失敗的情況下手動(dòng)控制功能也能處理異常情況。一個(gè)軟件系統(tǒng)基于電腦也是必需的運(yùn)行數(shù)據(jù)傳輸和控制，把數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等。更確切地說，這個(gè)軟件能夠記錄機(jī)器人的行走路線和遇到個(gè)各種洞和孔的形狀。
3．2機(jī)器人的工作機(jī)制的理論
3．2．1．這個(gè)機(jī)制理論的一個(gè)古老的筆刷的機(jī)器人。
建立一個(gè)真正的機(jī)器人之前模型，這是需要一些電腦模擬來驗(yàn)證其可行性該控制算法。運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的筆刷的利用率彎曲的毛為手段的推進(jìn)器和支持，就像在圖1。當(dāng)開啟，最主要的筆刷，提供更低電阻的硬的曲率，前進(jìn)；其后刷，因?yàn)樗母唠娮杪浜蟮牧α?，保持靜止?fàn)顟B(tài)。然而，當(dāng)相反發(fā)生動(dòng)力。鋼瓶關(guān)閉，最主要的筆刷，而保持固定現(xiàn)在落后刷，提供低電阻、拉向前。
根據(jù)這一理論，闡明牽引完全依賴于硬機(jī)構(gòu)設(shè)置及其可在以下方式。考慮一個(gè)單根為目的的簡單，當(dāng)一個(gè)硬放進(jìn)了一個(gè)管道，因?yàn)樗挠行?cè)維，它是彎曲的管子壁，會(huì)有一個(gè)垂直力P，如圖2。在移動(dòng)核心刷毛，牽引F應(yīng)該等于P。投影的短毛在這個(gè)方向的維度上標(biāo)明“h”。 硬的長度是l。弦”兩個(gè)人之間的尖端的毛是表達(dá)的論文[6]，給出了結(jié)論之間的最佳天使和管壁硬在30±40±取得最佳的抓地力，雖然這個(gè)天使將會(huì)改變?nèi)Q于很多因素，例如潤滑。在文獻(xiàn)[7]，給我們h和l之間的關(guān)系。
（1）
注意：
和
的h值可以是眾所周知的， α。文章以漢族施舍一張桌子，所得結(jié)果表明:(1)采用如下圖所示表1。
圖1 刷機(jī)器人運(yùn)動(dòng)原理
圖2毛機(jī)制圖
表1 試算表，h和l的關(guān)系
圖3一個(gè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)體模塊
3．3控制算法，在新刷的機(jī)器人
提出了一種改進(jìn)的筆刷，使機(jī)器人能夠改變它的體形和適應(yīng)的空隙中，一個(gè)復(fù)合控制算法，基于查表法和最小經(jīng)計(jì)算的方法。機(jī)器人的使用方法，來決定如何改變自己的身體形狀，洞的形狀和大小是參考數(shù)據(jù)文件，保存在一張盤里面。這張盤是組成數(shù)據(jù)文件，每個(gè)文件提供了一份計(jì)算的結(jié)果，通過使用ABAQUS軟件。圖3所示的一個(gè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)體模塊。每個(gè)機(jī)器人身體的模塊組成，帶有4驅(qū)動(dòng)器帶鋼圈和數(shù)百彈簧鋼互相安裝在地面的地帶。這里的每個(gè)驅(qū)動(dòng)器的終點(diǎn)連接到盤里，就這樣的可以改變形狀，可變形成循環(huán)器和推進(jìn)。如果是明顯的數(shù)百點(diǎn)圓圈，各點(diǎn)都被記錄為一次數(shù)據(jù)。圓形狀可以是唯一代表所有點(diǎn)的坐標(biāo)能被人知道的。當(dāng)執(zhí)行這些圓形坐標(biāo)要點(diǎn)，可以推入一條圓變形等數(shù)據(jù)來推算。事實(shí)上，這里的形狀和實(shí)際形狀的圓圈代表了機(jī)器人身體的模塊。這些形狀與動(dòng)荷載和是放在這個(gè)的機(jī)器人身體的方向和x獨(dú)立。因此，身體模塊機(jī)器人的形狀將會(huì)有所改變，不同驅(qū)動(dòng)器負(fù)載和撓度都能進(jìn)行改變。在這同時(shí)，坐標(biāo)機(jī)器人身體上的點(diǎn)模塊將會(huì)改變，因?yàn)闄C(jī)器人身體無能為力。這些點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算，預(yù)測可采用ABAQUS， 當(dāng)已知?jiǎng)雍奢d作用下。這個(gè)數(shù)組的坐標(biāo)機(jī)器人身體的形狀呈現(xiàn)在這樣的動(dòng)荷載作用下的模塊。如果動(dòng)荷載作用下的變化，提出了一種新的數(shù)組的坐標(biāo)可獲得，這意味著該機(jī)器人身體模塊將會(huì)得到一個(gè)新的形狀。因此可以通過改變驅(qū)動(dòng)器、輸入變量的計(jì)算，許多陣列ABAQUS坐標(biāo)可獲得。他們每個(gè)人都代表了一種獨(dú)特的機(jī)器人身體模塊的形狀。這些元件的坐標(biāo)可以存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)文件，每個(gè)數(shù)據(jù)文件被用作記錄放在盤上。作為一個(gè)結(jié)果，本表格包含了許多機(jī)器人身體的形狀不同動(dòng)荷載作用下的模塊。同樣的一個(gè)洞的獨(dú)特形狀也可以表示為一個(gè)數(shù)組的坐標(biāo)的孔邊壁。機(jī)器人的控制算法是必需的，能夠找到最合適的形狀的洞中從這些數(shù)據(jù)文件的形狀的盤。
表2一個(gè)數(shù)據(jù)文件儲(chǔ)存以一個(gè)數(shù)組的形式返回點(diǎn)的坐標(biāo)
……
附件2：外文原文（復(fù)印件）
前期工作材料
學(xué)生姓名:
學(xué) 號(hào)：
學(xué)院（系）:
專 業(yè):
設(shè)計(jì)(論文)題目:
基于慧魚組件的通訊排障機(jī)器人
的擴(kuò)展模塊
指導(dǎo)教師:
(姓 名) (專業(yè)技術(shù)職務(wù))
材 料 目 錄
序號(hào)
名 稱
數(shù)量
備 注
1
畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)選題、審題表
1
教師完成
2
畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)任務(wù)書
1
教師完成
3
畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)開題報(bào)告〔含文獻(xiàn)綜述〕
1
學(xué)生完成
4
畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)外文資料翻譯〔含原文〕
1
學(xué)生完成
5
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中期檢查表
1
教師完成
2010年6月
第 Ⅰ 頁 共 Ⅰ 頁
目 錄
1引言…………………………………………………………………………………1
1.1 慧魚組合模型簡介…………………………………………………………………2
2救援機(jī)器人項(xiàng)目的研究意義………………………………………………………… 3
2.1 城市地震救援面臨的困難……………………………………………………… 4
2.2 救援隊(duì)面臨的困難……………………………………………………………… 5
2.3 機(jī)器人在救災(zāi)方面的優(yōu)勢(shì)……………………………………………………… 5
3救災(zāi)機(jī)器人的研究現(xiàn)狀……………………………………………………………… 6
4國內(nèi)外的救援機(jī)器人的研究現(xiàn)狀…………………………………………………… 7
4.1 日本……………………………………………………………………………… 7
4.2 美國……………………………………………………………………………… 8
4.3 中國……………………………………………………………………………… 9
5機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)………………………………………………………………11
6通訊排障機(jī)器人設(shè)計(jì)思路……………………………………………………………11
6.1通訊方面……………………………………………………………………………12
6.2電力方面……………………………………………………………………………13
6.3地面廢墟方面………………………………………………………………………13
6.4通訊排障機(jī)器人的設(shè)計(jì)……………………………………………………………14
7通訊排障機(jī)器人的擴(kuò)展………………………………………………………………18
7.1思路介紹……………………………………………………………………………19
8通訊排障機(jī)器人個(gè)部位介紹及其運(yùn)動(dòng)分析…………………………………………20
8.1履帶…………………………………………………………………………………20
8.1.1履帶穩(wěn)定性分析…………………………………………………………………21
8.2后背儲(chǔ)存箱…………………………………………………………………………23
8.3空降設(shè)備……………………………………………………………………………24
8.4雷達(dá)裝置……………………………………………………………………………25
8.4.1雷達(dá)支架氣動(dòng)部分設(shè)計(jì)…………………………………………………………25
8.5小型遙控探索機(jī)器人………………………………………………………………27
8.5.1小型遙控探索機(jī)器人力學(xué)分析…………………………………………………28
結(jié)束語 ……………………………………………………………………………… 31
致謝 ……………………………………………………………………………………32
1 引言
隨著地球進(jìn)入地球板殼的活躍期和人類對(duì)環(huán)境的肆意破壞?，F(xiàn)在世界上各種各樣的災(zāi)難越來越多，發(fā)生頻率也越來越高，地震、海嘯、雪災(zāi)、火山爆發(fā)等等災(zāi)難也頻頻發(fā)生。當(dāng)災(zāi)難來臨時(shí)候，通常會(huì)對(duì)災(zāi)區(qū)產(chǎn)生許許多多的破壞，就拿地震來說，當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生后，房屋的倒塌，地面的開裂。還有供電設(shè)備、通訊設(shè)備、等被破壞。食品問題，衛(wèi)生問題，救援問題，通訊問題，等等問題困擾著人們。因此人們想盡辦法，想讓救援變得更加快速、更加準(zhǔn)確、更加科學(xué)、更加有效。但是要做到這些，就要必須保障信息之間的互相傳送的順暢，因?yàn)檫@樣能及時(shí)了解災(zāi)區(qū)受災(zāi)情況和災(zāi)區(qū)還需要一定的電力，才能保證醫(yī)療等設(shè)備的正常運(yùn)作。
摘要 就因?yàn)橛辛诉@些所需要克服的困難，我們所構(gòu)想的通訊排障機(jī)器人從此就產(chǎn)生了。它能給災(zāi)區(qū)提供信號(hào)，保證通話和數(shù)據(jù)信息的傳輸，它還具有太陽能發(fā)電功能，能給災(zāi)區(qū)在夜間進(jìn)行照明，并且提供電力，而我設(shè)計(jì)的通訊排障機(jī)器人擴(kuò)展模塊，對(duì)通訊排障機(jī)器人進(jìn)行了改良，它可以進(jìn)行遠(yuǎn)距離空投，還具有小型生命探測機(jī)器人，還能進(jìn)行地面的勘察。
關(guān)鍵詞 災(zāi)難 救援 通訊 電力供應(yīng) 機(jī)器人
1．1慧魚組合模型簡介
“慧魚組合模型”（Fischertechnik），又簡稱“慧魚”，是由德國發(fā)明家Arthur Fischer 博士在1964 年從其專利“六面拼接體”的基礎(chǔ)上發(fā)明的。它由各種型號(hào)和規(guī)格的零件構(gòu)成，類似于積木。零件的種類很多，幾乎包括了機(jī)械課程和日常生活中的所有零件，如機(jī)械零件：連桿、凸輪、齒輪（普通齒輪、錐齒輪、斜齒輪、內(nèi)嚙合齒輪、外嚙合齒輪等）、蝸輪、蝸桿、螺桿、鉸鏈、帶、鏈條、軸（直軸和曲軸）、聯(lián)軸器、彈簧、減速器、齒輪箱、車輪等；電氣零件：直流電機(jī)、燈泡、電磁氣閥、行程開關(guān)、傳感器（光敏、熱敏、磁敏、觸敏）、可調(diào)直流變壓器、電腦接口板、PLC 接口板、紅外線發(fā)射接收裝置等；氣動(dòng)零件：儲(chǔ)氣罐、汽缸、活塞、氣彎頭、手動(dòng)氣閥、電磁氣閥、氣管等。
由這些零件的不同組合便可構(gòu)造出各式各樣的模型，這些模型主要可分為兩大類：技術(shù)組和機(jī)器人組。技術(shù)組又包括傳感器技術(shù)組、氣動(dòng)技術(shù)組、汽車技術(shù)組、太陽能技術(shù)組、萬能組合包。機(jī)器人組又包括3D 機(jī)器人、計(jì)算機(jī)器人、實(shí)驗(yàn)機(jī)器人、工業(yè)機(jī)器人、移動(dòng)機(jī)器人和氣動(dòng)機(jī)器人。
在慧魚實(shí)驗(yàn)過程中，通過對(duì)各類模型的認(rèn)識(shí)和組裝，從而可以熟悉并掌握各類機(jī)械設(shè)備和自動(dòng)化裝置的常用結(jié)構(gòu)和工作原理。在模型的組建中，將運(yùn)用到機(jī)械加工、氣動(dòng)技術(shù)、電子電路和軟件編程等知識(shí)，從而加深了對(duì)這些相關(guān)課程的理解。另外通過慧魚模型的搭建和組裝也培養(yǎng)了實(shí)際動(dòng)手的能力、解決實(shí)際問題的能力和創(chuàng)新設(shè)計(jì)的能力。
慧魚組合模型實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)比較 與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相比較，慧魚組合模型實(shí)驗(yàn)主要具有如下幾個(gè)特點(diǎn)：
1．實(shí)踐性更強(qiáng)，提高動(dòng)手能力
在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)里，主要是課程中的具體原理或理論的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，如機(jī)械原理中齒輪范成實(shí)驗(yàn)，主要是為了驗(yàn)證齒輪的加工原理；再如機(jī)械設(shè)計(jì)中的帶傳動(dòng)實(shí)驗(yàn)主要是為了驗(yàn)證帶傳動(dòng)中的兩個(gè)重要的現(xiàn)象——彈性滑動(dòng)和打滑。這些傳統(tǒng)型實(shí)驗(yàn)更好的理解課本的理論知識(shí)有很大的幫助，具有課本結(jié)合性強(qiáng)的特點(diǎn)。
而在慧魚組合模型里，主要是一些工程應(yīng)用中的實(shí)際模型，與實(shí)際工程結(jié)合較為緊密，如在萬能組合包中，有風(fēng)扇、虎鉗、機(jī)械式起重機(jī)和建筑式起重機(jī)等模型，這些模型都是日常生活中的實(shí)例，較為真實(shí)的“再現(xiàn)”了這些具體的設(shè)備或儀器。這些模型的工作原理基本上都用到了書本中的理論知識(shí)，從中可以很清楚地看到理論與實(shí)際的具體結(jié)合，因此具有更強(qiáng)的實(shí)踐性。
2． 知識(shí)面更廣，培養(yǎng)綜合素質(zhì)人才
而在慧魚實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容涉及面極廣，不僅包括傳統(tǒng)機(jī)械相關(guān)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，而且還涉及到了能源(包括太陽能)、氣動(dòng)、遙控（如傳感器技術(shù)）、自動(dòng)控制（PLC 控制、單片機(jī)控制）、軟件編程（慧魚公司自帶的編輯軟件LLWin 3.01 ）等多學(xué)科的知識(shí)，最重要是它能夠把這些很好地知識(shí)結(jié)合起來，并體現(xiàn)到某個(gè)模型中。如在烘干機(jī)實(shí)驗(yàn)中，這個(gè)模型實(shí)驗(yàn)就是很好的模仿了公共場所的烘干機(jī)，當(dāng)把手放到風(fēng)扇出口處，風(fēng)扇就會(huì)開始旋轉(zhuǎn)，對(duì)手進(jìn)行烘干；當(dāng)把手拿走時(shí)，風(fēng)扇就停止旋轉(zhuǎn)。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中就用到了機(jī)械知識(shí)（機(jī)械的齒輪傳動(dòng)），自動(dòng)控制知識(shí)（電路和傳感器應(yīng)用）和軟件編程知識(shí)（控制軟件的編制）。
通過慧魚實(shí)驗(yàn)不僅能夠掌握機(jī)械的主要知識(shí)，而且還可以了解到其他專業(yè)的基本知識(shí)，這樣就拓寬了他們的視野和知識(shí)面，有利于培養(yǎng)出高素質(zhì)的綜合類人才。
3． 創(chuàng)新性更高，增加研究性思維
如前所述，傳統(tǒng)型的實(shí)驗(yàn)具有驗(yàn)證性的特點(diǎn)，更注重的是對(duì)已學(xué)理論知識(shí)的驗(yàn)證和理解，而且所涉及的內(nèi)容主要是機(jī)械相關(guān)的內(nèi)容，這樣就大大的限制了學(xué)生的想象和創(chuàng)意的空間，不利于學(xué)生的創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。
2 救援機(jī)器項(xiàng)目的研究意義
在世界各地，由于自然災(zāi)害、恐怖活動(dòng)和各種突發(fā)事故等原因，災(zāi)難經(jīng)常發(fā)生。災(zāi)難過后，災(zāi)后７２小時(shí)是救援的關(guān)鍵時(shí)間。救援界認(rèn)為，在地震等自然災(zāi)害發(fā)生后，災(zāi)后最初的７２小時(shí)是能否成功解救被困人員的最佳時(shí)間。在此時(shí)間段內(nèi)，救活的存活概率極高。而隨著時(shí)間的推移，被壓埋者體力透支、心情絕望，生存希望變得渺茫。據(jù)統(tǒng)計(jì)，地震救援的最佳時(shí)間，應(yīng)該是震后第一天，此后埋壓人員的生還概率迅速下降。如果越拖越后，到后面，除非出現(xiàn)奇跡，否則幾乎沒有生還希望。
而且對(duì)于我們中國來說，人口密集度大，加上現(xiàn)在的土地越來越少，現(xiàn)在的建筑物都開始往高里面建造，還有地下面也開使開發(fā)，地鐵，地下商場，還有大型的商貿(mào)場所，文化娛樂中心這些的迅猛發(fā)展，城市里面的建筑物也不斷的增加。萬一地震發(fā)生在城市的中心，后果不堪想象。
地震后存在易二次倒塌建筑物的現(xiàn)場，施救人員無法深入進(jìn)行偵察或施救，人們急于探知災(zāi)難現(xiàn)場的內(nèi)部險(xiǎn)情，但又不敢或無法接近或進(jìn)入災(zāi)難現(xiàn)場。此時(shí)，救援機(jī)器人的參與可以有效地提高救援的效率和減少施救人員的傷亡，它們不但能夠幫助工作人員執(zhí)行救援工作，而且能夠代替工作人員執(zhí)行搜救任務(wù)，在災(zāi)難救援中起著越來越重要的作用。
房屋倒塌，地面裂痕，救援人員在在這種緊急而危險(xiǎn)的環(huán)境下，救災(zāi)機(jī)器人可以為救援人員提供幫助。 因此，將具有自主智能的救災(zāi)機(jī)器人用于危險(xiǎn)和復(fù)雜的災(zāi)難環(huán)境下“搜索和營救” ( SAR)幸存者，是機(jī)器人學(xué)中的一個(gè)新興而富有挑戰(zhàn)性的領(lǐng)域。
我國一些地方建筑由于利益的驅(qū)動(dòng)，使建筑商所建筑的房子的抗震級(jí)素很低，質(zhì)量問題很嚴(yán)重，不安全因素很多，萬一地震了，火災(zāi)、煤氣管道的泄露，很容易發(fā)生爆炸或者大火?，F(xiàn)在的災(zāi)害事故頻繁發(fā)生，災(zāi)害事故危害嚴(yán)重，傷害人員多。然而災(zāi)難發(fā)生的原因極為復(fù)雜，是偶然性和必然性的結(jié)合，各類災(zāi)害事故存在突發(fā)性、災(zāi)難性、破壞性和繼發(fā)性特點(diǎn)。因此，研究地震救災(zāi)新裝備是一項(xiàng)緊迫任務(wù)。
有的地震發(fā)生后，災(zāi)區(qū)情況完全不清楚，里面通訊完全中斷，要是現(xiàn)在救護(hù)人員無法進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域，被埋人員有可能只能等著死神的來臨了。要是完全靠救援人員進(jìn)行救援的話。余震，救援人員體力不支，心理問題等一系列問題還會(huì)對(duì)救援人員造成傷害，撇開這些不說，救援人員也需要休息，不可能24小時(shí)不間斷不停歇，不吃飯，不喝水的工作下去。隨著科技的發(fā)展，機(jī)器人將被應(yīng)用到各種救災(zāi)領(lǐng)域。 救災(zāi)機(jī)器人利用自身的優(yōu)點(diǎn)，能迅速找到被埋人員的位置，降低事故危害性，對(duì)提高救災(zāi)效率具有重大意義。
2.1 城市地震救援面臨的困難
城市搜索與救援這個(gè)概念脫胎于城市地震災(zāi)害緊急援救，包括定位，營救和對(duì)狹小空間中受災(zāi)者進(jìn)行醫(yī)療急救。目前，城市搜救工作已擴(kuò)展到對(duì)山體滑坡、火山爆發(fā)、海嘯以及恐怖主義襲擊事件。
倒塌建筑物造成的生存空間非常狹小，以至于許多情況下搜索人員和搜索犬不能進(jìn)入，使搜索范圍限制在倒塌建筑物表面范圍。現(xiàn)在城市里面高樓大廈可謂是無處不見，要是地震了，高層建筑物的倒塌，人員被埋，在倒塌后，靠近外面的被困人員相對(duì)于被埋人員來說較容易的獲救，而再廢墟深處的人員就難以被救援人員發(fā)現(xiàn)并且去拯救他，但是在現(xiàn)在機(jī)器人人技術(shù)的誕生和技術(shù)的發(fā)展給人們帶來了希望。
在2001年9月11日的時(shí)候，機(jī)器人在世貿(mào)中心襲擊事件中的應(yīng)用，取得了不錯(cuò)的效果。
圖1 SEA-RAI可在水上疾馳以檢查受損的橋并渡運(yùn)可發(fā)射的浮空機(jī)器人。
圖2 INUKTUN EXTEREME 可穿越困難地形以向生還者發(fā)出雙路音頻。
圖3 CATERPILLAR 可在瓦礫中蜿蜒行進(jìn)，頂部帶有攝像頭可尋找生還者。
2.2 救援隊(duì)面臨的困難
實(shí)踐表明，在救援人員在現(xiàn)場實(shí)施救援過程中存在著許許多多的各種限制和困難例如：
1．當(dāng)救援人員進(jìn)入災(zāi)區(qū)倒塌的房屋廢墟上，或者在廢墟上搭建一些設(shè)備比如說傳感器、支撐架，或者救援隊(duì)員的體重和移動(dòng)也可能會(huì)引起建筑物的進(jìn)一步倒塌，因此救援隊(duì)員必須在結(jié)構(gòu)工程師進(jìn)行評(píng)估之后才能進(jìn)入。
在這次汶川大地震的時(shí)候，一個(gè)七層的學(xué)生公寓在完整的情況下，受到余震后發(fā)生傾倒，雖然建筑物結(jié)構(gòu)完整，但建筑物也可能隨時(shí)發(fā)生破壞，救援人員進(jìn)入建筑物將有巨大風(fēng)險(xiǎn)。此外，大型的教學(xué)樓由于樓層的疊狀倒塌使救援工作更加困難。救援人員只能通過表層進(jìn)入建筑物，而這種倒塌限制救援隊(duì)員進(jìn)入底層部分，由于建筑物局部不嫩夠支撐救援人員在建筑物上的活動(dòng)，很有可能進(jìn)行進(jìn)一步的倒塌的危險(xiǎn)。而救援人員可能由于建筑物倒塌造成壓埋，所以不穩(wěn)定的倒塌結(jié)構(gòu)需要經(jīng)過支撐加固后，救援隊(duì)員才能夠安全進(jìn)入。這個(gè)過程又需要時(shí)間，而對(duì)于災(zāi)區(qū)來說時(shí)間就是生命！
2．救援人員無法進(jìn)入狹窄和不穩(wěn)定的建筑物。由于人身體結(jié)構(gòu)的因素，我們不能進(jìn)入狹小的空間。對(duì)那些被困人員也無法施救，就拿汶川地震來說，有些死著被復(fù)雜的建筑物給埋了，進(jìn)去的空間非常狹小，不能對(duì)其施救，導(dǎo)致搜救犬發(fā)現(xiàn)被困人員后，救援人員無法對(duì)其施救，最后還是死在廢墟之中。
3.由于需要進(jìn)入的空間無光，或者自然光很弱，救援人員需要裝備的幫助才行，像這樣一些礦工頭盔，可旋轉(zhuǎn)的光學(xué)搜索儀等物品來搜救，這樣以來救援人員很容易疲勞，一旦疲勞了就會(huì)使救援人員反映慢，有可能忽略了沒有知覺的受困著[1]。
2.3 機(jī)器人在救災(zāi)方面的優(yōu)勢(shì)
現(xiàn)在的機(jī)器人在城市救援和搜救中有很大的優(yōu)勢(shì)，隨著現(xiàn)代機(jī)器人發(fā)展迅猛，機(jī)器人的技術(shù)也越來越成熟其優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)在：
1．房子倒塌后，機(jī)器人可以立刻工作，可以馬上對(duì)幸存者進(jìn)行搜救，為搜救工作節(jié)約時(shí)間。機(jī)器人是由電子儀器和其他材料制成的，具有可復(fù)制性，即使機(jī)器人發(fā)生意外，仍然可以制造出具有相同功能的機(jī)器人。
2．機(jī)器人它可以進(jìn)入平常難以達(dá)到的空間。能讓搜救人員知道廢墟下的情況，是不是值得去救援，建筑物倒塌后就會(huì)產(chǎn)生各種各樣的空間，通過機(jī)器人進(jìn)去后找出幸存者的位置，然后通過信號(hào)告知給地面人員，讓地面人員可以知道幸存者位置，然后進(jìn)行施救。現(xiàn)在這種機(jī)器人已經(jīng)有了，例如SHIGEO HIROSE研制出的一種三自由度的爬行機(jī)器人，他可以在彎曲的廢墟中爬行，也能在平坦的路面爬行[2]。
圖4 機(jī)器人Souryu
3．機(jī)器人可以攜帶多種傳感器，可以搭建在機(jī)器人身上，可以很方便的探測幸存者空間狀況，在機(jī)器人軟件的幫助下對(duì)搜索區(qū)域?qū)嵭型暾娜S搜索，繪制結(jié)構(gòu)圖，提高工作效率和可靠性。搜救機(jī)器人可以攜帶溫度探測器，探測人體溫度，給機(jī)器人一個(gè)引導(dǎo)，在運(yùn)用其他的探測，等配合后，經(jīng)過分析后向救援人員提出意見和建議。
圖5 機(jī)器人測量脈搏
4．紐約世貿(mào)中心襲擊事件中，機(jī)器人在搜救過程中發(fā)揮了很大的作用，在最初的10天里，機(jī)器人幫助紐約消防局和聯(lián)邦緊急事件管理局小組找到了至少5位受災(zāi)者，這些受災(zāi)者都是機(jī)器人在人和搜救犬不能進(jìn)入得空間找到的[3-4]。
3 救災(zāi)機(jī)器人研究現(xiàn)狀
近年來，特別是“9.11”事件以后，世界上許多國家開始從國家安全戰(zhàn)略的角度研制出各種反恐防暴機(jī)器人、災(zāi)難救援機(jī)器人、工業(yè)機(jī)器人、等一些危險(xiǎn)作業(yè)機(jī)器人用在了災(zāi)難的防護(hù)和救援上面。同時(shí)現(xiàn)在救援機(jī)器人也有著潛在的應(yīng)用背景和市場，一些公司也介入了救援機(jī)器人的研究與開發(fā)。此外，一些機(jī)器人比賽也增加了機(jī)器人救援競賽的比賽項(xiàng)目，比如說，這次我們參加的“第四屆全國大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽慧魚組（2010）競賽”為救援理論和技術(shù)提供仿真研究的試驗(yàn)平臺(tái)。目前，災(zāi)難救援機(jī)器人技術(shù)正從理論和試驗(yàn)研究開始慢慢的向大學(xué)生，向?qū)嶋H應(yīng)用開始發(fā)展。在災(zāi)難中和災(zāi)難的救援中，機(jī)器人作為一種有效的手段，將成為社會(huì)基礎(chǔ)建設(shè)中不可缺少的部分。
4 國內(nèi)外的救援機(jī)器人研究現(xiàn)狀
4.1 日本
日本他是一個(gè)地震率非常高的一個(gè)國家。它處于地球板塊的活躍板塊，日本在救援機(jī)器人方面開展了相對(duì)全面的工作。自從日本有次，有名的阪神大地震開始后的十幾年時(shí)間里面，日本在災(zāi)難援救防護(hù)方面已經(jīng)形成了完備的國家體系。這一點(diǎn)值得我們國家學(xué)習(xí)和借鑒，其實(shí)日本早在以前就確立了“大都市大震減災(zāi)特別計(jì)劃”以研究如何盡量減少人、物等災(zāi)害損失為目的，研究地震防災(zāi)對(duì)策的理論科學(xué)和基本技術(shù)，進(jìn)一步開發(fā)在地震中使用救援機(jī)器人，其中很多人很多單位參加了這個(gè)項(xiàng)目，包括，大學(xué)、公司還有國家機(jī)關(guān)等。主要研究災(zāi)難中的機(jī)器人系統(tǒng)、傳感技術(shù)、人類控制技術(shù)、和系統(tǒng)集成。
日本東京工業(yè)大學(xué)是最早從事救援機(jī)器人研究的的大學(xué)之一，他們從仿生學(xué)的角度和基于超機(jī)械系統(tǒng)的思想后研制了“ACM”“GENBU”“SOTYU”等多系類救援機(jī)器人樣機(jī)，在仿生機(jī)械及災(zāi)難救援應(yīng)用研究方面，有了卓越的研究成果。圖6為日本東京工業(yè)大學(xué)研制的部分機(jī)器人
圖6日本東京工業(yè)大學(xué)研制的部分機(jī)器人 圖7多節(jié)履帶
日本東京工業(yè)大學(xué)，還提出了一種新的救援機(jī)器人平臺(tái)，如圖7，這個(gè)機(jī)器人由多節(jié)履帶車連接而成的，它能進(jìn)入狹窄的空間，相鄰單元之間由2個(gè)主動(dòng)的自由度關(guān)節(jié)連接或3隨動(dòng)自由度關(guān)節(jié)連接[5]，具有很多好的越障能力和地面適應(yīng)能力。
4.2 美國
在“9.11”事件后，災(zāi)難救援機(jī)器人技術(shù)在美國日益受到重視?！?。11”事件的災(zāi)難現(xiàn)場救援認(rèn)為是災(zāi)難救援機(jī)器人的第一次實(shí)際應(yīng)用。在紐約世界貿(mào)易中心受到恐怖襲擊發(fā)生后的幾個(gè)小時(shí)，美國“機(jī)器人輔助搜救中心”立即組織了一支由機(jī)器人專家和生產(chǎn)廠家技術(shù)人員構(gòu)成的隊(duì)伍，攜帶可以使用的機(jī)器人，趕赴世貿(mào)中心廢墟現(xiàn)場，想救援部隊(duì)，提供了技術(shù)支持，其中有圖8的PACKBOT，圖9的SOLEM
圖8 PACKBOT 圖9 SOLEM
在美國。多個(gè)高校的研究中心，國家研究機(jī)構(gòu)和公司也同時(shí)進(jìn)行了救援機(jī)器人的研究，南佛羅里達(dá)大學(xué)在乃救援機(jī)器人研究中心研制出圖10所示的安裝有醫(yī)學(xué)傳感器的救援機(jī)器人。這種機(jī)器人底部采用可變形履帶驅(qū)動(dòng)具有較高的運(yùn)動(dòng)和探測能力，同時(shí)機(jī)器人能在災(zāi)難現(xiàn)場獲取幸存者的生理信息和環(huán)境信息，并將其傳送到外界。
圖10 安裝有醫(yī)學(xué)傳感器的救援機(jī)器人
圖11 所示的救援機(jī)器人URBIE系列是美國DARPA高技術(shù)辦公室支持的戰(zhàn)術(shù)移動(dòng)機(jī)器人計(jì)劃中，有JPL\IROBT\CMU\USC多家單位共同研制的災(zāi)難救援機(jī)器人。URBIE研制的初衷是用于城市的軍用和警用，但是他童言能夠用于城市災(zāi)難環(huán)境的探測和救援作業(yè)，特別是采用輪、腿、履帶復(fù)合式的移動(dòng)機(jī)構(gòu)是機(jī)器人具有更強(qiáng)的運(yùn)動(dòng)能力。
圖11 救援機(jī)器人URBIE系列
4．3 中國
在我國，一些專家學(xué)者也意識(shí)到了災(zāi)難救援等危險(xiǎn)作業(yè)機(jī)器人技術(shù)研究的重要性，國內(nèi)的許多高校和研究所在海難救援機(jī)器人、自主救援無人機(jī)和地面一定特種作業(yè)機(jī)器人等救援機(jī)器人技術(shù)方面開展了研究。
對(duì)災(zāi)難救援而言，在消防機(jī)器人研究方面已經(jīng)取得了顯著的成績。由公安部傷害消防研究所、上海交通大學(xué)、和傷害消防局三家單位共同承擔(dān)的國家863項(xiàng)目圖12“履帶式、輪式消防滅火機(jī)器人”研制成功并順利通過國家驗(yàn)收。消防滅火機(jī)器人，是一種結(jié)合多種消防手段為一體的新型消防設(shè)備。
圖12 履帶式、輪式消防滅火機(jī)器人
在836計(jì)劃的資助下，中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所開展了多項(xiàng)危險(xiǎn)作業(yè)和極限作業(yè)機(jī)器人研究，其中救援機(jī)器人是重要的一部分。圖13a為蛇形機(jī)器人樣機(jī)，旨在用于非結(jié)構(gòu)環(huán)境中探測和災(zāi)難救援作業(yè)。該蛇形機(jī)器人可以根據(jù)地面狀況采用蜿蜒、伸縮、側(cè)移和翻滾等多種運(yùn)動(dòng)步態(tài)，在監(jiān)控系統(tǒng)控制的無線控制下，具有一定的三維運(yùn)動(dòng)能力，并可通過安裝在蛇頭上的微型攝像頭蔣現(xiàn)場圖像傳回監(jiān)控系統(tǒng)。
圖11 沈陽自動(dòng)化研究所研究的機(jī)器人
5 機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)
從機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展水平來看，機(jī)器人主要經(jīng)歷了簡單的可編程機(jī)器人，低級(jí)智能機(jī)器人和高級(jí)智能機(jī)器人三代。
機(jī)器人有幾個(gè)方面是我們有必要去發(fā)展的理由:一個(gè)是機(jī)器人干人不愿意干的事，比如說從事，有毒的、有害的、高溫的或危險(xiǎn)的，把人從這樣的危險(xiǎn)的環(huán)境中解放出來，同時(shí)機(jī)器人可以干不好干的活，比方說在汽車生產(chǎn)線上我們看到工人天天拿著一百多公斤的焊鉗，一天焊幾千個(gè)點(diǎn)，就重復(fù)性的勞動(dòng)，一方面他很累，但是產(chǎn)品的質(zhì)量仍然很低；另一方面機(jī)器人干人干不了的活，這也是非常重要的機(jī)器人發(fā)展的一個(gè)理由，比方說人們對(duì)太空的認(rèn)識(shí)，人上不去的時(shí)候，叫機(jī)器人上天，上月球，以及到海洋，進(jìn)入到人體的小機(jī)器人，以及在微觀環(huán)境下，對(duì)原子分子進(jìn)行搬遷的機(jī)器人，都是人們不可達(dá)的工作。
機(jī)器人有三個(gè)發(fā)展階段，一種是第一代機(jī)器人，那么也叫示教再現(xiàn)型機(jī)器人，它是通過一個(gè)計(jì)算機(jī)，來控制一個(gè)多自由度的一個(gè)機(jī)械，通過示教存儲(chǔ)程序和信息，工作時(shí)把信息讀取出來，然后發(fā)出指令，這樣的話機(jī)器人可以重復(fù)的根據(jù)人當(dāng)時(shí)示教的結(jié)果，再現(xiàn)出這種動(dòng)作，比方說汽車的點(diǎn)焊機(jī)器人，它只要把這個(gè)點(diǎn)焊的過程示教完以后，它總是重復(fù)這樣一種工作，它對(duì)于外界的環(huán)境沒有感知，這個(gè)力操作力的大小，這個(gè)工件存在不存在，焊的好與壞，它并不知道，那么實(shí)際上這種從第一代機(jī)器人，也就存在它這種缺陷[6]。因此，在20世紀(jì)70年代后期，人們開始研究第二代機(jī)器人，叫帶感覺的機(jī)器人，這種帶感覺的機(jī)器人是類似人在某種功能的感覺，比如說力覺、觸覺、滑覺、視覺、聽覺和人進(jìn)行相類比，有了各種各樣的感覺，比方說在機(jī)器人抓一個(gè)物體的時(shí)候，它實(shí)際上力的大小能感覺出來，它能夠通過視覺，能夠去感受和識(shí)別它的形狀、大小、顏色。?
那么第三代機(jī)器人，也是我們機(jī)器人學(xué)中一個(gè)理想的所追求的最高級(jí)的階段，叫智能機(jī)器人，那么只要告訴它做什么，不用告訴它怎么去做，它就能完成運(yùn)動(dòng)，感知思維和人機(jī)通訊的這種功能和機(jī)能，那么這個(gè)目前的發(fā)展還是相對(duì)的只是在局部有這種智能的概念和含義，但真正完整意義的這種智能機(jī)器人實(shí)際上并沒有存在，而只是隨著我們不斷的科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，智能的概念越來越豐富，它內(nèi)涵越來越寬。
6 通訊排障機(jī)器人設(shè)計(jì)思路
地震、雪災(zāi)、海嘯災(zāi)難在世界范圍內(nèi)頻頻發(fā)生，還記得2008年5月12日14時(shí)28分04秒，8級(jí)強(qiáng)震猝然襲來，大地顫抖，山河移位，滿目瘡痍，生離死別……西南處，國有殤。這是新中國成立以來破壞性最強(qiáng)、波及范圍最大的一次地震。地震重創(chuàng)約50萬平方公里的中國大地! 截至2009年5月25日10時(shí)，遇難69227人，受傷374643人，失蹤17923人。其中四川省68712名同胞遇難，17921名同胞失蹤，共有5335名學(xué)生遇難或失蹤。直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)8451億元。
這是中華人民共和國自建國以來影響最大的一次地震。震級(jí)是自1950年8月15日西藏墨脫地震(8.5級(jí))和2001年昆侖山大地震（8.1級(jí)）后的第三大地震，直接嚴(yán)重受災(zāi)地區(qū)達(dá)10萬平方公里。
6.1 通訊方面
有了這次慘烈的教訓(xùn)，我們應(yīng)該在這次事件中吸取教訓(xùn)。所以我們反思，地震這個(gè)是無法預(yù)測和分析出來的自然現(xiàn)象，但是我們能在地震過后進(jìn)行救援這個(gè)方面動(dòng)腦子，想辦法，如何抓緊時(shí)間，如何更加快速，如何更加有效、科學(xué)的進(jìn)行救援。
大地震發(fā)生以后，原本發(fā)揮主體作用的固定、移動(dòng)電話，因?yàn)橥ㄐ呕A(chǔ)設(shè)施的損毀，已經(jīng)徹底不能發(fā)揮作用。但是，沒有消息是最壞的消息。災(zāi)情、救災(zāi)的各種消息對(duì)于各界都有非常重要的作用。
這次地震發(fā)生后，首先是通訊完全中斷，救援的人們和關(guān)心里面災(zāi)情的人們還有受災(zāi)的人們完全沒辦法得知里面或者外面的情況，現(xiàn)在的人類要是失去了信息就等于是“瞎子”，其實(shí)這點(diǎn)和戰(zhàn)爭中的偵查很像，要是不知道里面情況也不能貿(mào)然前進(jìn)，也不能分析出里面災(zāi)情的具體情況。這次的汶川地震發(fā)生后，由于中國雷達(dá)衛(wèi)星系統(tǒng)現(xiàn)在還不是很完善，“北斗七星”計(jì)劃現(xiàn)在還沒完全實(shí)施，這次的汶川地震受災(zāi)后的衛(wèi)星地圖還是靠美國的援助，提供衛(wèi)星技術(shù)下顯示的汶川地震后的全貌。所以說信息是非常重要的東西，要是我們能保證通信的正常運(yùn)作，災(zāi)區(qū)信號(hào)能暢通，就算是手機(jī)信號(hào)通暢也許還能少死些人……還能讓救援部隊(duì)知道被困在哪里。一直到5月13日21∶06，汶川地震震中映秀鎮(zhèn)，在與外部失去聯(lián)系長達(dá)33個(gè)小時(shí)后，首次通過衛(wèi)星電話向成都抗震救災(zāi)指揮中心匯報(bào)了當(dāng)?shù)貫?zāi)情?！靶l(wèi)星電話”這種原本“沉寂”的通信方式開始在抗震救災(zāi)工作中發(fā)揮起重要作用。
“不到關(guān)鍵時(shí)刻，不知道衛(wèi)星通信有多么重要；不到關(guān)鍵時(shí)刻，不知道我們的衛(wèi)星保障系統(tǒng)有多么脆弱?！北本┼]電大學(xué)電信學(xué)院博士王凱亮說到。
在地震災(zāi)區(qū)搶救通訊設(shè)備，在冒著余震，落石，還是很危險(xiǎn)的，就拿這次汶川地震來說，有一位中國移動(dòng)成都通信建設(shè)工程局一處員工——?jiǎng)⒔ㄇ?，?。12汶川特大地震災(zāi)害”發(fā)生前一直在阿壩州馬爾康進(jìn)行中國移動(dòng)村通工程建設(shè)。地震發(fā)生后，中國移動(dòng)緊急動(dòng)員，安排所有施工部門立即投入搶險(xiǎn)救災(zāi)。
劉健秋所在搶險(xiǎn)隊(duì)共36名隊(duì)員奉命趕赴災(zāi)區(qū)，在第一時(shí)間打通 “馬爾康——理縣——汶川”重要通信光纜，恢復(fù)汶川對(duì)外聯(lián)系。
2008年5月16日13：30，正在馬爾康至理縣段的古爾溝鎮(zhèn)附近進(jìn)行光纜搶險(xiǎn)施工的劉建秋同志不幸被理縣突發(fā)5.9級(jí)強(qiáng)烈余震所造成的山體滑坡飛石擊中，劉建秋當(dāng)即被送入解放軍臨時(shí)醫(yī)療站治療，終因失血過多，搶救無效，于今晨9：00犧牲，英年36歲。這樣的血一般的事實(shí)呈現(xiàn)在我們面前，我們要是有機(jī)器人人能提供信號(hào)服務(wù)，能給災(zāi)區(qū)帶來信號(hào)的話該多好。
我曾經(jīng)看到過這樣一個(gè)新聞，地震那時(shí)候一則電話拯救了一個(gè)200多人的旅游團(tuán)，要是他們打不出那個(gè)電話，他們就會(huì)被餓死，渴死在那個(gè)地方，可見那時(shí)的信號(hào)是多么的寶貴。
6.2 電力方面
地震發(fā)生后，電力站必定給毀掉，醫(yī)療，民用，等一系需要用到電的地方都停止了供電，夜晚就完全的一片漆黑，沒有燈光，沒有聲音，死一般的寂靜，還伴隨著一陣陣的余震……當(dāng)救援隊(duì)員來臨的時(shí)候，醫(yī)療設(shè)備由于沒有電力供應(yīng)，等同于一堆廢銅爛鐵，在漆黑的夜里也要進(jìn)行救援，因?yàn)闀r(shí)間就是生命，在一開始的幾晚里面，都是用微弱的小燈，和靠著月光的亮度進(jìn)行救援的，一塊塊磚塊搬走，要是有電力的供應(yīng)，要是有大型照明設(shè)備多好，電力能給醫(yī)療設(shè)備和一些機(jī)器提供電力供應(yīng)，給人們帶來光明，光明就相當(dāng)于生命。
要是沒有電力，災(zāi)區(qū)何等的恐怖。要是醫(yī)院停電了，醫(yī)院的病人會(huì)怎么樣？要是警察局停電了，警察如何工作？等等一些重要部門有時(shí)候是不能停電的。
在地震以后，發(fā)電站基本處于癱瘓狀態(tài)了，電力基本就停止供應(yīng)了，要想有發(fā)電設(shè)備也不能馬上投入到使用。要是有個(gè)太陽能發(fā)電設(shè)備進(jìn)入災(zāi)區(qū)，進(jìn)行發(fā)電和產(chǎn)電多好。
6.3 地面廢墟方面
地震，海峽，雪災(zāi)，泥石流，等大型災(zāi)難發(fā)生后，地面有許多高高低低，和震塌房子的碎石，掉落地面，有些小型車輛不能通過，我們?cè)O(shè)計(jì)的機(jī)器人，可以吧一些地面上的碎石清理出來，可以讓小車通過，這樣就保證了運(yùn)輸線路的暢通，這樣給救援能帶來方便。運(yùn)用同樣的清理道路功能也可適用清理雪災(zāi)路面?？梢郧謇沓鲆粋€(gè)合適的安全區(qū)域，沒有碎石，也可以給直升飛機(jī)提供一個(gè)安全的起降區(qū)域，避免滿地的廢墟，這樣直升飛機(jī)無法安全的停下來。
6.4 通訊排障機(jī)器人的設(shè)計(jì)
鑒于這樣的一種種救援遇到的困難，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種全自動(dòng)的通訊排障機(jī)器人。使實(shí)現(xiàn)以下的一些功能：
信號(hào)是一個(gè)非常關(guān)鍵的東西，在現(xiàn)在的社會(huì)里面，要是沒有信號(hào)，飛機(jī)不能飛，手機(jī)不能用，對(duì)于災(zāi)區(qū)信號(hào)也尤其的重要，往往一則電話能救出好多人，所以我們?cè)O(shè)計(jì)的機(jī)器人是想把信號(hào)放在第一位，因?yàn)橛辛诵盘?hào)才能有有效的組織，才能有“眼睛”，能發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，并且找到它，進(jìn)行施救。
這個(gè)有點(diǎn)類似于地面移動(dòng)通信的轉(zhuǎn)發(fā)基站，但是優(yōu)點(diǎn)在于基站在天上，幾乎不受干擾，所以衛(wèi)星通信公司現(xiàn)在宣稱:只要你站的位置能夠看見太陽和月亮，我就能保證你通信沒有盲區(qū)，隨時(shí)通信。 而現(xiàn)在，大家都知道，我國的移動(dòng)和聯(lián)通，包括全世界所有國家的民用移動(dòng)通信系統(tǒng)。都不敢保證絕無通信盲區(qū)，我們的移動(dòng)公司在中國因?yàn)槠鸩捷^早，盲區(qū)少一些，現(xiàn)在也只敢說全中國百分之97以上網(wǎng)絡(luò)覆蓋。而衛(wèi)星通信，則可以保證絕無盲區(qū)，這個(gè)就是衛(wèi)星電話的優(yōu)勢(shì)。
可見在災(zāi)區(qū)來說可是一個(gè)救命的稻草，要是我們載發(fā)生災(zāi)難后把衛(wèi)星搬到地上面上保障通訊呢，所以我們?cè)O(shè)計(jì)出來個(gè)通訊機(jī)器人的總體思路就誕生了。
雷達(dá)功能主要運(yùn)用在災(zāi)區(qū)沒有信號(hào)后，一個(gè)通訊保障，它一方面可以給災(zāi)區(qū)的手機(jī)提供信號(hào)來源，讓手機(jī)信號(hào)直接通過雷達(dá)信號(hào)的傳輸，在打出去，這樣就能讓手機(jī)有信號(hào)通過傳輸，還能定位手機(jī)所在的部位，通過搜救隊(duì)員努力還能進(jìn)行救援。
還有個(gè)功能是提供給救援部隊(duì)用，那些無線設(shè)備就能靠這個(gè)通訊排障機(jī)器人進(jìn)行相互之間的通訊了。這樣可以取代一些小和頻率低的工作設(shè)備，這樣一個(gè)設(shè)備能多種用處
還有我們?cè)O(shè)計(jì)的機(jī)器人考慮到災(zāi)區(qū)缺乏電力，我們的機(jī)器人還裝有一個(gè)太陽能發(fā)電裝置。太陽能發(fā)電裝置不是個(gè)普普通通的就一塊太陽能板能搞定的，我簡單介紹下整個(gè)系統(tǒng)的構(gòu)造
利用太陽能發(fā)電系統(tǒng)由太陽能電池組、太陽能控制器、蓄電池（組）組成。如輸出電源為交流220V或110V，還需要配置逆變器。
他們之中，太陽能電池板是太陽能發(fā)電系統(tǒng)中的核心部分，也是太陽能發(fā)電系統(tǒng)中價(jià)值最高的部分。其作用是將太陽的輻射能力轉(zhuǎn)換為電能，或送往蓄電池中存儲(chǔ)起來，或推動(dòng)負(fù)載工作。太陽能電池板的質(zhì)量和成本將直接決定整個(gè)系統(tǒng)的質(zhì)量和成本。
還有太陽能控制器的作用是控制整個(gè)系統(tǒng)的工作狀態(tài)，并對(duì)蓄電池起到過充電保護(hù)、過放電保護(hù)的作用。在溫差較大的地方，合格的控制器還應(yīng)具備溫度補(bǔ)償?shù)墓δ堋Ｆ渌郊庸δ苋绻饪亻_關(guān)、時(shí)控開關(guān)都應(yīng)當(dāng)是控制器的可選項(xiàng)。蓄電池：一般為鉛酸電池，小微型系統(tǒng)中，也可用鎳氫電池、鎳鎘電池或鋰電池。其作用是在有光照時(shí)將太陽能電池板所發(fā)出的電能儲(chǔ)存起來，到需要的時(shí)候再釋放出來。
逆變器：在很多場合，都需要提供220VAC、110VAC的交流電源。由于太陽能的直接輸出一般都是12VDC、24VDC、48VDC[7-11]。為能向220VAC的電器提供電能，需要將太陽能發(fā)電系統(tǒng)所發(fā)出的直流電能轉(zhuǎn)換成交流電能，因此需要使用DC-AC逆變器。在某些場合，需要使用多種電壓的負(fù)載時(shí)，也要用到DC-DC逆變器，如將24VDC的電能轉(zhuǎn)換成5VDC的電能（注意，不是簡單的降壓）。
由于我們慧魚材料的有限性，這次的太陽呢實(shí)驗(yàn)沒能進(jìn)行下去，我們有用了一塊板簡單的代替了太陽能材料，我們只是進(jìn)行一個(gè)演示，說明他是一個(gè)可以發(fā)電的裝置，要是真正做起來也是可行的。
排障功能，也是我們機(jī)器人的一個(gè)優(yōu)勢(shì)，由于我們給我們所設(shè)計(jì)的機(jī)器人設(shè)計(jì)了一個(gè)會(huì)排障的爪子，在災(zāi)區(qū)地面全是廢墟的時(shí)候，可以利用爪子進(jìn)行排障，當(dāng)前面障礙物少的時(shí)候可以利用車的推力吧垃圾推到一邊，當(dāng)障礙物累計(jì)到一定量的時(shí)候我們就利用
爪子把障礙排除掉。
6.4.1通訊排障機(jī)器人公辦工作過程
現(xiàn)在世界上各種各樣的機(jī)器人越來越多，也越來月先進(jìn)，每個(gè)機(jī)器人它的每個(gè)用處都不一樣，有的專門滅火，有的專門排爆，有的專門清理障礙，我們?cè)O(shè)計(jì)的機(jī)器人是專門提供后勤保障之用的，現(xiàn)在這些機(jī)器人并不多，因?yàn)榇蠹蚁氲亩际侨绾稳ゾ热?，滅火。古人有云“兵馬未動(dòng)，糧草先行”所以說，后勤保障是勝利的關(guān)鍵，從這點(diǎn)出發(fā)，我們的機(jī)器人就秉承這個(gè)傳統(tǒng)的理念，做一個(gè)后勤。
我們的通訊排障機(jī)器人是基于通訊，排障，電力照明，太陽能發(fā)電結(jié)合一體的機(jī)器人（圖12）。我們機(jī)器人整體是力量方方正正的機(jī)器人結(jié)構(gòu)體，形成一輛向方塊城堡的防御體，在車的前部有一對(duì)排障用的爪子當(dāng)遇到小型障礙物的時(shí)候利用車身自己馬達(dá)的動(dòng)力，利用爪子的角度，把障礙物推到一邊，這個(gè)有點(diǎn)像推土機(jī)，他障礙物推到馬路一旁。當(dāng)障礙物累計(jì)到一定的時(shí)候，會(huì)碰到前面的4個(gè)接觸開關(guān)（圖13），然后車輛就會(huì)停止前進(jìn)，閉合著的爪子（圖14）通過一個(gè)馬達(dá)帶動(dòng)鏈條，連天帶動(dòng)蝸桿，蝸桿上的蝸桿塊就會(huì)向前移動(dòng)，通過支撐板支開爪子把障礙一起推開，同時(shí)清理障礙（圖15），回收爪子，然后車輛繼續(xù)前進(jìn)，爪子的這個(gè)部分是一個(gè)自動(dòng)循環(huán)部分，
多用途機(jī)械排障爪在鏟垃圾過程中，爪的變形和破壞的形式取決于碎石的狀態(tài)、大小，鏟刀的切削參數(shù)等因素。一般切削角可取
50°～70°。清除小型的碎石時(shí)，切削角可稍大些；清除大型的石頭時(shí)，需要較小的切削角。
只要障礙物多了就會(huì)重復(fù)動(dòng)作，他的作用就是清理道路上的廢墟把一條道路清理出來給后續(xù)部隊(duì)進(jìn)入災(zāi)區(qū)，提供幫助。多用途機(jī)械排障爪是清理地面垃圾的主體部分，是我們?cè)O(shè)計(jì)的排障的一個(gè)主要功能用處，多用途機(jī)械排障爪鏟障礙物的過程是利用多用途機(jī)械排障爪機(jī)械的方法，將由汽車推力將路面垃圾與路面分離開來的過程。
我們車的主題部分是一個(gè)升降臺(tái)，（圖16）平時(shí)不使用雷達(dá)的時(shí)候，人們可以利用它作為一個(gè)運(yùn)輸平臺(tái)，上面可以放一些醫(yī)療、食品、帳篷等一些急需物品，可以利用機(jī)器人把他們帶到災(zāi)區(qū)里面。到到達(dá)后拿下來物品，我們就可以工作了，開始升降臺(tái)上升，通過前部的馬達(dá)帶動(dòng)齒輪帶動(dòng)蝸桿然后整個(gè)平臺(tái)上升，接著通過繞線器把尾部的升降臺(tái)往上啦，繩子收縮，拉動(dòng)升降臺(tái)，升降臺(tái)做90°翻轉(zhuǎn)（圖17）。然后隱藏在多功能平臺(tái)下面有兩根柱子也會(huì)升起來。兩根柱子分別有2個(gè)獨(dú)立的功能，一個(gè)是雷達(dá)，一個(gè)是大功率照明燈。災(zāi)區(qū)發(fā)生災(zāi)難后通訊幾乎癱瘓，此時(shí)此刻我們的雷達(dá)可以為災(zāi)難現(xiàn)場提供通訊，可以把災(zāi)難現(xiàn)場的實(shí)際災(zāi)難情況第一時(shí)間反饋給指揮部，為營救方案提供最及時(shí)的信息。因地震導(dǎo)致電力設(shè)施的毀壞，災(zāi)難現(xiàn)場沒有任何電源，尤其在晚上。晚上沒有照明設(shè)施會(huì)給救災(zāi)進(jìn)度帶來很大的不便，我們機(jī)器人有大功率的照明設(shè)施，為災(zāi)難現(xiàn)場提供全方位照明，為在夜間工作帶來極大的方便。
在整個(gè)車身上我們安裝了兩個(gè)傳感器，一個(gè)安裝在車架下方，它是一個(gè)尋跡傳感器，它是更具光的反射來進(jìn)行尋跡的，現(xiàn)在的馬路上都有一條白色的線，我們就可以更具反光程度不同，進(jìn)行識(shí)別前進(jìn)。不過這個(gè)功能適合于掃雪。其他的是道路是它可以按照預(yù)先模擬還的路線進(jìn)行行走，當(dāng)偏離軌道就可以自動(dòng)尋找路線，從而回到預(yù)先安排好的路線上。還有一個(gè)是光感傳感器，它則是安裝在機(jī)器人的側(cè)面，它的作用是用來尋找一個(gè)指定的光源，當(dāng)機(jī)器人尋找到預(yù)先設(shè)計(jì)好的光源時(shí)，機(jī)器人就知道已經(jīng)到達(dá)目的地了，然后根據(jù)預(yù)先設(shè)計(jì)好的程序開始工作。
圖12 通訊排障機(jī)器人
圖13觸控開關(guān) 圖14爪子閉合前
圖15 清理障礙
圖16 升降臺(tái)
圖17 升降臺(tái)翻轉(zhuǎn)后雷達(dá)上升
7． 通訊排障機(jī)器人的擴(kuò)展
我們?cè)O(shè)計(jì)的通訊排障機(jī)器人是有優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)并在的一個(gè)機(jī)器人，我們?cè)O(shè)計(jì)出來后發(fā)現(xiàn)這個(gè)機(jī)器人有些地方不是很好，結(jié)構(gòu)也不是穩(wěn)定，有些地方并不是很好，從這點(diǎn)出發(fā)，并且基于這些種種原因，我設(shè)計(jì)了一個(gè)通訊排障機(jī)器人的改良的版本，也可以說是直體現(xiàn)通訊機(jī)器人，的通訊功能，去掉了排障這個(gè)功能，通訊排障機(jī)器人擴(kuò)展型號(hào)就誕生了。
圖18 通訊排障機(jī)器人的擴(kuò)展型號(hào)
7.1 思路介紹
我所構(gòu)思的的機(jī)器人，他和通訊排障機(jī)器人基本構(gòu)思是一樣，主要是覺得某些地方的不足，然后我進(jìn)行改良，從圖紙和理論上進(jìn)行更正，從圖上看，最明顯的是去掉了機(jī)器人前面的排障用的爪子，還增加了一個(gè)小型探索機(jī)器人，他具有偵查地形。我把地盤進(jìn)行了改良，原來的輪子被我改掉了改成履帶式的了，在災(zāi)區(qū)，輪式的機(jī)器人很難前進(jìn)，畢竟輪式有他致命的弱點(diǎn)，輪胎的損壞，也不能進(jìn)行爬坡，也不能越障，還有下盤的不穩(wěn)定，容易陷入泥土中，而履帶卻沒有。而全方面的照明設(shè)備我也在機(jī)器人身上裝了6個(gè)，前面2個(gè)身體四周左邊2個(gè)右邊兩個(gè)這樣照明的范圍也很廣了。這樣就不會(huì)有盲區(qū)了而背部沒有裝有燈，應(yīng)為在背部肯定是屬于一個(gè)安全區(qū)域的，多了個(gè)燈也沒什么用處，背后肯定是屬于自己的安全點(diǎn)，有其他小型照明設(shè)備也夠了。
當(dāng)?shù)卣鸬臅r(shí)候，災(zāi)區(qū)交通肯定完全堵塞，光靠地面很難進(jìn)去的，也很難空投大型開拓設(shè)備，因?yàn)椴恢览锩娴木唧w情況，而我設(shè)計(jì)的機(jī)器人可以進(jìn)行空投，后面的軍綠色的是個(gè)降落傘，可以分開變成4朵小傘，分別在通訊排障機(jī)器人的兩側(cè)有4個(gè)環(huán)，那個(gè)是掉降落傘用的，。這樣能穩(wěn)定的降落在地面。機(jī)器人質(zhì)地輕，面積小，可以通過這樣的來把通訊設(shè)備投放去災(zāi)區(qū)，可以利用小型機(jī)器人進(jìn)行地形的偵查。
而頂上的黑色的太陽能板充當(dāng)了雷達(dá)防護(hù)板，雷達(dá)不用的時(shí)候可以縮進(jìn)去，保護(hù)好雷達(dá)，避免應(yīng)為落石砸壞了。
8． 通訊排障機(jī)器人個(gè)部位介紹及其運(yùn)動(dòng)分析
下面介紹每個(gè)機(jī)器人重要部位，以及部分的運(yùn)動(dòng)分析
8.1 履帶
我設(shè)計(jì)的機(jī)器人主要是采用履帶行走，履帶就像是給機(jī)器人鋪了一個(gè)無限延長的軌道一樣，使它能夠平穩(wěn)、迅速、安全地通過各種復(fù)雜路況。由于接地面積大，所以增大了機(jī)器人在松軟、泥濘路面上的通過能力，降低了下陷量。由于履帶板上有花紋并能安裝履刺，所以在雨、雪、冰或上坡等路面上能牢牢地抓住地面，不會(huì)滑轉(zhuǎn)。由于履帶接地長度長，誘導(dǎo)輪中心位置較高，所以通過壕溝、垂壁的能力較強(qiáng)，我所設(shè)計(jì)的機(jī)器人一般能越壕寬度可達(dá)60米左右，因?yàn)槲以O(shè)計(jì)的機(jī)器人總廠才120厘米，可通過25厘米高的垂直墻。履帶還有一個(gè)特殊功能，在過河時(shí)，采取潛渡，在河底行走；若是浮渡履帶可以象螺旋槳一樣產(chǎn)生推進(jìn)力，驅(qū)使車輛前進(jìn)。
機(jī)器人重量大，用履帶的話可以減小單位面積壓力，對(duì)路面的要求可以小點(diǎn)。且防御性能和越野性能比輪式要好，輪式結(jié)構(gòu)比履帶簡單，一般都用于輕裝甲車輛，公路速度比履帶車輛好。維護(hù)方面也比履帶簡單得多。
而第一代通訊排障機(jī)器人，他擁有爪子可以吧路面的障礙清理掉，也是可以采用輪式的，輪式車輛主要是為了在平坦的公路上行駛，而再地震災(zāi)區(qū)上是沒有平坦的道路，只有各式各樣的路況。為了面對(duì)各種路況，而采用履帶式車輛。這種車輛的好處是，抓地力強(qiáng)，可以減小機(jī)器人對(duì)路面的壓力，防止陷入路面下，再懸掛系統(tǒng)方面要比輪式車輛要好，這樣可以使機(jī)器人在各種路況下，行駛的的更平穩(wěn)。由于輪胎對(duì)氣壓要求比較高，有時(shí)也很容易出現(xiàn)暴胎，對(duì)抗震救災(zāi)救援行動(dòng)很大影響。輪胎和容易陷入泥濘的路面，但是履帶就不會(huì)陷入，由于它與地面的接觸面積要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于輪胎與地面的接觸面積，所以它就不會(huì)陷入泥濘的路面。因此我設(shè)計(jì)的機(jī)器人要采用履帶式而不用輪式。
我的機(jī)器人采用的履帶上的輪子的布局是第一個(gè)和最后一個(gè)作為張緊輪使用，使鏈條不會(huì)松動(dòng)，掉下去，從而導(dǎo)致輪子里面的齒輪和履帶的齒條碰撞。
我使用2個(gè)主動(dòng)輪（圖19從右往左），帶動(dòng)前、中、后，三個(gè)輪子，這5個(gè)輪子采用齒輪之間的嚙合傳動(dòng)（圖20），2個(gè)主動(dòng)輪向后轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候，帶動(dòng)從動(dòng)輪向前運(yùn)動(dòng)。從動(dòng)輪向前運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)履帶，履帶向后運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)整個(gè)車輛的倒退。這樣設(shè)計(jì)的目的使齒輪之間的嚙合變得緊湊，不在需要傳動(dòng)裝置帶動(dòng)其他輪子一起向一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，這樣一來動(dòng)力也會(huì)變得足，能越坡，前輪和底輪的角度為30°，按照理論算出來，可以越25°的坡度。
圖19 履帶底盤
圖20主動(dòng)輪和從動(dòng)輪
8.1.1履帶穩(wěn)定性分析
由于履帶是有電機(jī)帶動(dòng)，所以容易出現(xiàn)履帶的移動(dòng)速度不相等，是由于驅(qū)動(dòng)左右履帶的電機(jī)在性能上的誤差，使左右電機(jī)的轉(zhuǎn)速不完全相同，囚此盡管給電機(jī)兩邊輸入完全相同的指令，也會(huì)出現(xiàn)左右履帶不相同的速度，從而導(dǎo)致機(jī)器人木身就存在偏離的內(nèi)在囚素。
圖21所示是機(jī)器人爬上一個(gè)傾角為25。的樓道時(shí)出現(xiàn)的側(cè)向傾斜，橫坐標(biāo)為機(jī)器人移動(dòng)的距離，縱坐標(biāo)為機(jī)器人偏轉(zhuǎn)的角度。圖中顯示，機(jī)器人自主爬上樓梯時(shí)比，較容易偏離其預(yù)定的運(yùn)動(dòng)方向，機(jī)器人爬的樓梯越長，其偏離直線的角度就越大，側(cè)向傾斜的程度越嚴(yán)重，當(dāng)機(jī)器人處于橫向狀態(tài)時(shí)，就很容易番羽下樓梯。
圖21 機(jī)器人爬樓時(shí)運(yùn)動(dòng)姿態(tài)圖
經(jīng)過分析當(dāng)機(jī)器人爬上樓梯時(shí)假設(shè)其左右兩側(cè)的履帶速度分別為Vt和Vr，如圖22所示。根據(jù)履帶車輛的轉(zhuǎn)向理論可知，機(jī)器人不僅作平移運(yùn)動(dòng)，同時(shí)作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，假設(shè)履帶中心距為b從而機(jī)器人回轉(zhuǎn)的角速度為
ω=（Vt-Vr）/b （8-1）
圖22 履帶速度偏差引起的偏離
顯然，當(dāng)機(jī)器人兩側(cè)履帶速度不等時(shí)，機(jī)器人就會(huì)按一定的弧線行走，速度差值越大，機(jī)器人的回轉(zhuǎn)半徑越小，其旋轉(zhuǎn)角速度越大，所以機(jī)器人的偏離就越嚴(yán)重，即偏轉(zhuǎn)角中越大，顯然當(dāng)機(jī)器人偏離到一定程度時(shí)，機(jī)器人就容易翻下樓梯。
機(jī)器人一般都有一些其它部分組成，由于機(jī)器人多個(gè)不同重量組成，他的重心很難保證，當(dāng)重心偏向左邊履帶時(shí)，其左邊履帶受到的摩擦阻力要比右邊履帶的摩擦阻力要大，這樣左邊履帶需要克服的扭距要比左邊的大，從而導(dǎo)致機(jī)器人側(cè)向傾斜。圖23所示機(jī)器人在坡度上的受力分析。
Fl和Fr分別為左右履帶的法句力，e為機(jī)器人重心的偏心距。根據(jù)力及力矩平衡條可求出左右履帶的法向力之比[11-16]
Fl /Fr=(b+2e)/(b-2e) (8-2)
很容易看出當(dāng)e在左邊時(shí)，履帶左右法相力大于1，說明左邊履帶大于右邊履帶的法相力，反之則數(shù)據(jù)相反。
圖23機(jī)器人在樓梯上的受力分析
當(dāng)機(jī)器人越障時(shí)候，以速度V越上障礙物，l為履帶與地面觸長度重心位于障礙物支點(diǎn)。的左邊時(shí)，此時(shí)履帶底線與地面之間的夾角φ隨著時(shí)間t而逐漸增大，由圖24可得
sinφ=ho/(l-vt)
式中:ho障礙物高度，由于ho＜＜l,故φ值較小，sinφ≈φ此時(shí)機(jī)器人的角速度ω和加速度ε為
ω=φ=dφ/dt=vho/(l-vt)2 （8-3）
ε=φ=d2φ/dt2=2v2ho/（l-vt）2 （8-4）
圖24機(jī)器人越上障礙物
分析表明，機(jī)器人在自我運(yùn)作時(shí)候，跨越復(fù)雜障礙時(shí)候，爬坡時(shí)候容易發(fā)生左右履帶的移動(dòng)速度不足，甚至發(fā)生傾斜，側(cè)翻所以給機(jī)器人裝有個(gè)攝像頭，用人員來操控還是比較穩(wěn)定的。
8.2后背儲(chǔ)存箱
圖25為后備存儲(chǔ)箱，它是一個(gè)全封閉的環(huán)境，下面的們是利用馬達(dá)帶動(dòng)，會(huì)繞著軸旋轉(zhuǎn)90°，下面的儲(chǔ)備箱是給放機(jī)器人的馬達(dá)、排線等一些機(jī)器人的控制設(shè)備，這樣保護(hù)起來，使機(jī)器人不容易受傷，不容易損壞。到達(dá)目的地時(shí)候，或者需要放出小機(jī)器人的時(shí)候，打開上面的艙門，上面的艙門是垂直打開的，只能打開一半，這樣是為了節(jié)約時(shí)間，要全打開，沒有那個(gè)必要。下面的艙門90°垂直打開后還能給小機(jī)器人利用下，當(dāng)做一個(gè)平臺(tái)起飛，和降落，讓小機(jī)器人探索地形，和探索存在的生命。上面的儲(chǔ)存箱，可以裝有一些小型機(jī)器人，目的是讓小機(jī)器人去探索環(huán)境。上面的儲(chǔ)備箱，前面半段是放有一個(gè)液壓泵，它是升降雷達(dá)之用，不過除了這些還有很大的空間，可以存食物，或者飲用水還有醫(yī)療用品。去救助災(zāi)區(qū)人民。
圖25 后備存儲(chǔ)箱
8.3空降設(shè)備
圖26為降落傘設(shè)備，它是由四朵小傘組成的，每個(gè)圓環(huán)就是一個(gè)降落傘的中心點(diǎn)，他于圖27上每個(gè)環(huán)配合，形成一個(gè)環(huán)對(duì)應(yīng)一個(gè)傘，到時(shí)降落的安全性和穩(wěn)定性就會(huì)大大提高，也不會(huì)出現(xiàn)大的震動(dòng)。采用這個(gè)裝置是考慮到，在災(zāi)區(qū)的時(shí)候，地震肯定會(huì)把路面震塌，路也會(huì)斷斷續(xù)續(xù)的，震碎的石頭磚塊也到處是，這樣馬路上肯定不能一下子就進(jìn)入到災(zāi)區(qū)里面。既然陸地上一時(shí)半或進(jìn)去不了，我們就可以采用空投，在災(zāi)區(qū)每個(gè)地方投下幾個(gè)機(jī)器人，可以充分利用雷達(dá)，讓這幾個(gè)機(jī)器的使用范圍遍布災(zāi)區(qū)，給災(zāi)區(qū)帶來信號(hào)，同時(shí)還能放出小機(jī)器人進(jìn)行地震后的3維地圖繪制，這樣能讓救援組更方便，有了最新地圖的話指哪里就能去哪了。
圖26 降落傘
圖27降落傘搭扣
8.4雷達(dá)裝置
雷達(dá)是我設(shè)計(jì)的這個(gè)機(jī)器人的核心東西，主要是靠他工作，但是由于慧魚組的材料有限，我也不能真正的模擬出雷達(dá)的作用，這里也就畫了個(gè)圖，讓大家知道下，要是以后有機(jī)會(huì)還能進(jìn)行改進(jìn)和完全制造起來。
圖28為雷達(dá)保護(hù)狀態(tài)中的樣子，這時(shí)的雷達(dá)就藏在哪個(gè)黑色的盒子里面。這個(gè)是保護(hù)雷達(dá)用的，雷達(dá)也可以在這個(gè)里面工作，到時(shí)候我們只需采用透波材料即可。這樣子主要是為了防止雷達(dá)受到一些損失砸壞雷達(dá)，圖29上面的黑色太陽能板，是可以移動(dòng)的，要是雷達(dá)要伸出來，進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸?shù)脑掍摶ＡУ奶柲馨逋ㄟ^里面的液壓裝置相互伸出，就讓板相互移動(dòng)推到一定距離，為下面的雷達(dá)把窗戶打開，下面的雷達(dá)就能通過6個(gè)小型的液壓泵傳送，把雷達(dá)推上去。而下面的灰色的，在中間的是一個(gè)大型液壓泵，它可以吧這個(gè)雷達(dá)裝置托起來，在配合裝在這個(gè)雷達(dá)裝置四周的4個(gè)小泵，平穩(wěn)的把它托起來。圖30為裝置的開啟圖。
8.4.1雷達(dá)支架氣動(dòng)部分設(shè)計(jì)
(設(shè)定一個(gè)氣缸的壓力為Y)
對(duì)于單個(gè)氣缸： S=r2=3.14 X (0.0055)2=9.5× (8-5)
對(duì)于六個(gè)氣缸： 4Y=4PS≥mg (8-6)
P≥mg/6s=10×9.8/3×9.5×=0.31MPa (8-7)
圖28 雷達(dá)保護(hù)時(shí)
圖29 太陽能板
圖30 雷達(dá)升起
8.5小型遙控探索機(jī)器人
圖31為小型遙控探索機(jī)器人。是可以放在這個(gè)通訊機(jī)器人里面的，一個(gè)子塊。在地震時(shí)候要是沒有地震的全部災(zāi)區(qū)面貌圖，也很難進(jìn)行地面的評(píng)估，和找到一條很好的救援路線，和進(jìn)入點(diǎn)，因?yàn)橛辛诉@種想法，所以每個(gè)通訊機(jī)器人都搭載有這個(gè)小機(jī)器人，這個(gè)機(jī)器人可以多個(gè)搭載，方便快速的查找和掃描地形和搜索人員。這個(gè)機(jī)器人人裝有一個(gè)螺旋槳，它的功能和直升機(jī)一樣，垂直上下移動(dòng)，下面的圓球有個(gè)洞的是一個(gè)攝像頭，和一個(gè)生命傳感器，每個(gè)小機(jī)器人拍攝的內(nèi)容都會(huì)傳送到通訊機(jī)器人的本體，然后進(jìn)行總結(jié)和編輯可以制成一張地圖，他在外面飛信時(shí)候還能去尋找生命跡象，他的4個(gè)角能進(jìn)行行走，還能伸縮，要是想爬坡，就可以向4足機(jī)器人一樣進(jìn)行爬坡，每個(gè)輪子都有一個(gè)單獨(dú)的動(dòng)力，遇到障礙需要爬行時(shí)候，前面2個(gè)腿抬高，后面兩個(gè)腿給他一個(gè)推力，前面的腿就會(huì)放在了障礙物上，然后鎖腿，后面的腿伸長，前面的腿收回去，并且給它一個(gè)動(dòng)力。這樣也能進(jìn)行簡單的爬坡，當(dāng)然這個(gè)機(jī)器人主要是靠飛信，這個(gè)小機(jī)器人需要人員的操控來完成它[16-21]。
圖31小型遙控探索機(jī)器人
8.5.1小型遙控探索機(jī)器人力學(xué)分析
小型遙控探索機(jī)器人的每條腿上有3個(gè)自由度，因此，有多種步態(tài)形式，先研究一種簡單步態(tài)形式下的目標(biāo)跟蹤問題。這種步態(tài)類似于輪滑溜冰中的外八字前進(jìn)步行，在這種步態(tài)下機(jī)器人后面的2條腿作周期性運(yùn)動(dòng)以產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力，2條前腿不動(dòng)僅作為支撐(運(yùn)動(dòng)原理見圖31)。選取圖31的坐標(biāo)系，設(shè)廣義坐標(biāo)為q，根據(jù)非完整系統(tǒng)的廣義Lagrange-Ruth方程得。
M(q)×q+ V(q×q)—E (q)t×A(q)tλ (8—8)
式子中M(q)為n×n的對(duì)稱正定慣性矩陣，V(q×q)為離心哥氏力向量，E (q)為n×r的輸入變換矩陣，r=n-m，t為t維控制輸入向量，設(shè)系統(tǒng)受到m個(gè)非完整約束的作用，則λ表示非完整約
束的m維Lagrange乘子向量，A(q)為Jocobian矩陣，日_A ( q)滿足關(guān)系式
A(q)q=0 (8—9)
設(shè)s1(q)，s2(q)……sn…m (q)為A（q）化零空間N（A）中的線性無關(guān)向量，則：
A(q) S(q)=0 （8—10）
式子中S(q)=[ s1(q)，s2(q)……sn…m (q)]
由式（8-9）和式（8-10）知存在（n-m）維德速度向量Z=[Z1，…Zn-m]T滿足：
q=S(q)z (8—11)
對(duì)式（8—11）求導(dǎo)得：
Q=Sz+Sz （8—12）
帶入式子（8-8），兩邊同時(shí)乘以ST得：
ST (MSz+MSz+V)= STET +STATλ： （8—13）
兩邊同時(shí)乘以（ST E）-1 得：
H(q)z+G(q,z)=t (8-14)
根據(jù)動(dòng)力分析的結(jié)果得出應(yīng)用上述控制方法，在小型遙控探索機(jī)器人上進(jìn)行了目標(biāo)跟蹤實(shí)驗(yàn) , 實(shí)驗(yàn)結(jié)果如 圖 32圖 33所示 。圖 32（a）為目標(biāo)位于機(jī)器人上部時(shí)的跟蹤過程曲線 ,實(shí)線為機(jī)器人實(shí)際走過的路徑 ,虛線為期望路徑。機(jī)器人的初始位置不在期望路徑上，大約6 s 后機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)跟蹤 ,基本在期望的路徑上運(yùn)行。圖32(b) 、 (c)和(d)分別為機(jī)器人的位置誤差，Xe、Ye和姿態(tài)誤差θc曲線。圖33為目標(biāo)機(jī)器人下部時(shí)的跟蹤過程曲線，跟蹤時(shí)間大約為10S。從圖32、圖33看出，在在以上各種情祝下，跟蹤效果是非常令人滿意的[21-25]。
圖32目標(biāo)位于機(jī)器人上部時(shí)的跟蹤過程曲線
、
圖 33 目標(biāo)位于機(jī)器人下部時(shí)的跟蹤過程曲線
研究了小型遙控探索機(jī)器人的目標(biāo)跟蹤問題 ,在建立非完整約束作用下動(dòng)力學(xué)模型的基礎(chǔ)上 ,提出基于線性反饋控制的目標(biāo)跟蹤控制方法 ,設(shè)計(jì)了運(yùn)動(dòng)學(xué)控制器并證明了閉環(huán)系統(tǒng)的指數(shù)漸進(jìn)穩(wěn)定性 ,最后,結(jié)果驗(yàn)證了所提出的控制方法的可行性 。
結(jié)束語
這次的畢業(yè)設(shè)計(jì)，可謂是充滿艱辛和辛苦，但是也是很值得的，在這次畢業(yè)設(shè)計(jì)當(dāng)中大大的提高了我的動(dòng)手能力，并且提高了我的思維空間的想象能力，把一些一塊一塊的慧魚零件搭建了起來一個(gè)機(jī)器人，這些也少不了老師和同學(xué)的幫助
在這次的畢業(yè)設(shè)計(jì)里面我努力了很多也學(xué)到和很多東西，多虧學(xué)校組織了這次的慧魚搭建機(jī)器的課題，這個(gè)課題充滿了樂趣。非常的有意義，并不是那樣的乏味和枯燥。
致 謝
本課題的研究工作是在劉艷和李連波老師的細(xì)心指導(dǎo)下，從構(gòu)思，想法可行性到最后的制作和畫圖。劉艷、李連波老師給了我莫大的幫助。兩位老師嚴(yán)謹(jǐn)、求實(shí)的治學(xué)態(tài)度，深邃的洞察力，高度的責(zé)任心和敬業(yè)精神，平易近人的工作作風(fēng)，一直深深的影響和激勵(lì)著我，使得我在學(xué)習(xí)和生活上受益匪淺。在畢業(yè)設(shè)計(jì)完成之時(shí)，謹(jǐn)向恩師們表示最衷心的感謝，并致以崇高的敬意。
同時(shí)我還要感謝我的同學(xué)們，他們也在我做畢業(yè)設(shè)計(jì)的時(shí)候給我提出一些意見和建議，并對(duì)我的分析中有問題的地方給予分析指正，對(duì)我的課題研究提供了不少的幫助。
最后我還要感謝我們的組員，在這次組員里面我們大家積極認(rèn)真的配合，才能順利完成這個(gè)項(xiàng)目和課題。
參考文獻(xiàn)
[1] 安杰利斯, 宋偉剛. 機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)原理[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2004.
[2] 陳懇, 楊向東, 劉莉. 機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用[M]. 北京: 清華大學(xué)出版社, 2006.
[3] 秦志強(qiáng), 陳偉, 王文斌. 基礎(chǔ)機(jī)器人制作與編程[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2007.
[4] 馬丁, 劉榮, 等. 機(jī)器人探索[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2004.
[