基于慧魚系統(tǒng)的無人綜合搶險(xiǎn)車的設(shè)計(jì)

谷鳳民+居鶼+楊偉榮

摘要：以慧魚創(chuàng)意組合模型為平臺，設(shè)計(jì)出一種智能機(jī)器人識別小車。小車?yán)脗鞲衅鬟M(jìn)行循跡?？刂栖浖镽OBO Pro，可控制機(jī)器人完成一系列復(fù)雜動作：如尋找軌跡——沿軌跡行走——識別火源——自動滅火等。

關(guān)鍵詞：慧魚系統(tǒng)；智能機(jī)器人；創(chuàng)新設(shè)計(jì)

引言

慧魚創(chuàng)意組合模型是由德國發(fā)明家Artur Fisher博士于1964年發(fā)明的。它具有一般機(jī)械所具有的零部件，如齒輪、電機(jī)、電氣開關(guān)等，通過聲、光、電和輔助技術(shù)的配合，能夠模擬各種機(jī)械運(yùn)動和機(jī)械設(shè)備的自動控制，而且有比較真實(shí)的功能。它利用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的基本構(gòu)件（機(jī)械元件、電氣元件、氣動元件），輔以傳感器、控制器、執(zhí)行器和軟件的配合，運(yùn)用設(shè)計(jì)構(gòu)思和實(shí)踐分析，可以實(shí)現(xiàn)任何技術(shù)過程的還原，更可以實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)和大型機(jī)械設(shè)備操作的模擬。

1、基于慧魚系統(tǒng)的無人綜合搶險(xiǎn)車的設(shè)計(jì)

無人綜合搶險(xiǎn)車系統(tǒng)是一個典型的機(jī)電一體化系統(tǒng)。它由機(jī)械部分、傳感部分、控制部分三大部分組成。這三大部分可分為驅(qū)動系統(tǒng)、機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、感知系統(tǒng)、智能小車-環(huán)境交互系統(tǒng)、人-機(jī)交互系統(tǒng)、控制系統(tǒng)六個子系統(tǒng)。

1.1 無人綜合搶險(xiǎn)車的功能

無人綜合搶險(xiǎn)車按功能可分為循跡功能、距離識別功能、火焰識別功能、自動噴水功能。循跡功能可分為尋找軌跡和循跡前進(jìn)。智能小車主要任務(wù)要求為：先尋找軌跡→沿軌跡行走→遇到障礙停止→機(jī)械臂伸出尋找火源→噴水裝置工作→繼續(xù)判斷火源→停止噴水→機(jī)械臂收回。功能分類如圖1所示。

1.2 無人綜合搶險(xiǎn)車的A/D轉(zhuǎn)換

圖1功能圖

和數(shù)字量輸入返回1和0值不同，模擬量輸入可以分辨連續(xù)的輸入，所有的模擬量輸入返回一個0～1023之間的值。而ROBO接口板有各種不同的模擬量輸入接口來測量不同的物理量。具體來說，模擬量輸入可以適應(yīng)用來測量電阻，測量電壓和測量距離的不同的傳感器。如表1所示。

通常的慧魚傳感器中，溫度傳感器和光電傳感器將被測量轉(zhuǎn)換成電阻值。所以必須將這些傳感器接到AX和AY輸入端。電壓輸入端A1和A2設(shè)計(jì)用來連接所有產(chǎn)生0到10V電壓的傳感器。在ROBO接口板上沒有針對AV輸入端的端口，它通常和接口板的電源電壓相關(guān)聯(lián)。距離傳感器輸入端D1和D2可以接到慧魚特殊傳感器，可以測量障礙物的距離。

表1模擬量輸入

輸入端輸入類型測量范圍A1,A2電壓輸入0-1023VAX,AY電阻輸入0-5.5KΩD1,D2距離傳感器輸入Ca.0-50cmAV電源電壓0-10圖2行走部分運(yùn)動示意圖

2、無人綜合搶險(xiǎn)車機(jī)械部分設(shè)計(jì)過程

2.1行走部分

由兩個9v/2.4w大功率馬達(dá)帶動履帶上的兩個驅(qū)動齒輪旋轉(zhuǎn)，由驅(qū)動齒輪和引導(dǎo)齒輪帶動履帶運(yùn)動，由于履帶較長，中間部位需加支撐輪，如圖2所示。

2.2 機(jī)械臂部分

無人綜合搶險(xiǎn)車的機(jī)械臂由直流電機(jī)控制，當(dāng)機(jī)械臂前端的紅外傳感器檢測到火源，車輛就立刻停止，然后確定火源的準(zhǔn)確位置，在機(jī)械臂上升的同時，機(jī)械臂向前伸出，但與火源保持安全距離，如圖3(上升)、圖4（伸出）所示。

圖3機(jī)械臂上升圖4機(jī)械臂伸出

2.3 噴水裝置設(shè)計(jì)

如圖5所示，通過傳感器檢測火源，將檢測信號傳送給ROBO控制板，經(jīng)處理后將信號發(fā)送給氣泵，氣泵給儲水罐加壓，噴頭噴水滅火。滅火結(jié)束，傳感器將信息傳給控制板，控制板控制氣泵和電子氣閥，將氣罐中的高壓氣體放出，氣泵停止工作。

圖5噴水裝置功能圖

2.4 控制板接線

慧魚智能接口板自帶微處理器（如圖6），通過串口與計(jì)算機(jī)相連。在機(jī)器人系統(tǒng)中，連接線就是其神經(jīng)，它將輸入、輸出原件與主控器連接起來，起著傳遞信息的作用。為了保證機(jī)器人能夠正常運(yùn)行，質(zhì)量可靠的連接線是必不可少的。為了保證控制面板的整潔美觀，也防止散亂的連接線阻礙機(jī)器人的正常運(yùn)動。

圖6ROBO控制板接線圖

3、自動程序控制的設(shè)計(jì)

自動控制是通過電腦將編好的程序下載到控制器的微處理器內(nèi)，它可以脫離計(jì)算機(jī)獨(dú)立地處理程序的功能，使機(jī)器人在無人的情況下自動運(yùn)行，也可以到達(dá)危險(xiǎn)地方進(jìn)行探測，但在突發(fā)情況時不易控制。如圖7所示，自動控制程序控制簡單，定位準(zhǔn)確，滅火精度高。

圖7程序圖

4、作品

利用慧魚模塊，按照設(shè)計(jì)思路進(jìn)行組裝，經(jīng)過調(diào)試，產(chǎn)品能完成預(yù)定功能，符合預(yù)定的設(shè)計(jì)要求。下面為作品的三維造型圖（圖8）和實(shí)物圖（圖9）。

圖8三維造型圖

圖9實(shí)物圖

5、結(jié)束語

該設(shè)計(jì)可以檢測到火源并進(jìn)行噴淋，但目前只是限于慧魚創(chuàng)意組合的設(shè)計(jì)階段，還沒有將研究的成果應(yīng)用于實(shí)踐中。對應(yīng)噴水裝置可以考慮使用高壓水泵來代替，而對火源的檢測和滅火裝置，由于慧魚的器材是塑料的，故用燈光代替火源。

［參考文獻(xiàn)］

［1］慧魚ROBO TX CONTROLLER 說明書（7-10頁）.

［2］慧魚創(chuàng)意機(jī)器人設(shè)計(jì)與實(shí)踐教程（上海交通大學(xué)出版社，曲凌 編）（11-13頁）.

［3］機(jī)械原理（第七版）（西北工業(yè)大學(xué)機(jī)械原理及機(jī)械零件教研室編）（13頁）.

［4］ROBOpro軟件中文手冊（7-10頁）.

（作者單位：1.寧夏大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院, 寧夏銀川 750021；2.中國電信集團(tuán)系統(tǒng)集成寧夏分公司，寧夏 銀川 750021）

摘要：以慧魚創(chuàng)意組合模型為平臺，設(shè)計(jì)出一種智能機(jī)器人識別小車。小車?yán)脗鞲衅鬟M(jìn)行循跡?？刂栖浖镽OBO Pro，可控制機(jī)器人完成一系列復(fù)雜動作：如尋找軌跡——沿軌跡行走——識別火源——自動滅火等。

關(guān)鍵詞：慧魚系統(tǒng)；智能機(jī)器人；創(chuàng)新設(shè)計(jì)

引言

慧魚創(chuàng)意組合模型是由德國發(fā)明家Artur Fisher博士于1964年發(fā)明的。它具有一般機(jī)械所具有的零部件，如齒輪、電機(jī)、電氣開關(guān)等，通過聲、光、電和輔助技術(shù)的配合，能夠模擬各種機(jī)械運(yùn)動和機(jī)械設(shè)備的自動控制，而且有比較真實(shí)的功能。它利用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的基本構(gòu)件（機(jī)械元件、電氣元件、氣動元件），輔以傳感器、控制器、執(zhí)行器和軟件的配合，運(yùn)用設(shè)計(jì)構(gòu)思和實(shí)踐分析，可以實(shí)現(xiàn)任何技術(shù)過程的還原，更可以實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)和大型機(jī)械設(shè)備操作的模擬。

1、基于慧魚系統(tǒng)的無人綜合搶險(xiǎn)車的設(shè)計(jì)

無人綜合搶險(xiǎn)車系統(tǒng)是一個典型的機(jī)電一體化系統(tǒng)。它由機(jī)械部分、傳感部分、控制部分三大部分組成。這三大部分可分為驅(qū)動系統(tǒng)、機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、感知系統(tǒng)、智能小車-環(huán)境交互系統(tǒng)、人-機(jī)交互系統(tǒng)、控制系統(tǒng)六個子系統(tǒng)。

1.1 無人綜合搶險(xiǎn)車的功能

無人綜合搶險(xiǎn)車按功能可分為循跡功能、距離識別功能、火焰識別功能、自動噴水功能。循跡功能可分為尋找軌跡和循跡前進(jìn)。智能小車主要任務(wù)要求為：先尋找軌跡→沿軌跡行走→遇到障礙停止→機(jī)械臂伸出尋找火源→噴水裝置工作→繼續(xù)判斷火源→停止噴水→機(jī)械臂收回。功能分類如圖1所示。

1.2 無人綜合搶險(xiǎn)車的A/D轉(zhuǎn)換

圖1功能圖

和數(shù)字量輸入返回1和0值不同，模擬量輸入可以分辨連續(xù)的輸入，所有的模擬量輸入返回一個0～1023之間的值。而ROBO接口板有各種不同的模擬量輸入接口來測量不同的物理量。具體來說，模擬量輸入可以適應(yīng)用來測量電阻，測量電壓和測量距離的不同的傳感器。如表1所示。

通常的慧魚傳感器中，溫度傳感器和光電傳感器將被測量轉(zhuǎn)換成電阻值。所以必須將這些傳感器接到AX和AY輸入端。電壓輸入端A1和A2設(shè)計(jì)用來連接所有產(chǎn)生0到10V電壓的傳感器。在ROBO接口板上沒有針對AV輸入端的端口，它通常和接口板的電源電壓相關(guān)聯(lián)。距離傳感器輸入端D1和D2可以接到慧魚特殊傳感器，可以測量障礙物的距離。

表1模擬量輸入

輸入端輸入類型測量范圍A1,A2電壓輸入0-1023VAX,AY電阻輸入0-5.5KΩD1,D2距離傳感器輸入Ca.0-50cmAV電源電壓0-10圖2行走部分運(yùn)動示意圖

2、無人綜合搶險(xiǎn)車機(jī)械部分設(shè)計(jì)過程

2.1行走部分

由兩個9v/2.4w大功率馬達(dá)帶動履帶上的兩個驅(qū)動齒輪旋轉(zhuǎn)，由驅(qū)動齒輪和引導(dǎo)齒輪帶動履帶運(yùn)動，由于履帶較長，中間部位需加支撐輪，如圖2所示。

2.2 機(jī)械臂部分

無人綜合搶險(xiǎn)車的機(jī)械臂由直流電機(jī)控制，當(dāng)機(jī)械臂前端的紅外傳感器檢測到火源，車輛就立刻停止，然后確定火源的準(zhǔn)確位置，在機(jī)械臂上升的同時，機(jī)械臂向前伸出，但與火源保持安全距離，如圖3(上升)、圖4（伸出）所示。

圖3機(jī)械臂上升圖4機(jī)械臂伸出

2.3 噴水裝置設(shè)計(jì)

如圖5所示，通過傳感器檢測火源，將檢測信號傳送給ROBO控制板，經(jīng)處理后將信號發(fā)送給氣泵，氣泵給儲水罐加壓，噴頭噴水滅火。滅火結(jié)束，傳感器將信息傳給控制板，控制板控制氣泵和電子氣閥，將氣罐中的高壓氣體放出，氣泵停止工作。

圖5噴水裝置功能圖

2.4 控制板接線

慧魚智能接口板自帶微處理器（如圖6），通過串口與計(jì)算機(jī)相連。在機(jī)器人系統(tǒng)中，連接線就是其神經(jīng)，它將輸入、輸出原件與主控器連接起來，起著傳遞信息的作用。為了保證機(jī)器人能夠正常運(yùn)行，質(zhì)量可靠的連接線是必不可少的。為了保證控制面板的整潔美觀，也防止散亂的連接線阻礙機(jī)器人的正常運(yùn)動。

圖6ROBO控制板接線圖

3、自動程序控制的設(shè)計(jì)

自動控制是通過電腦將編好的程序下載到控制器的微處理器內(nèi)，它可以脫離計(jì)算機(jī)獨(dú)立地處理程序的功能，使機(jī)器人在無人的情況下自動運(yùn)行，也可以到達(dá)危險(xiǎn)地方進(jìn)行探測，但在突發(fā)情況時不易控制。如圖7所示，自動控制程序控制簡單，定位準(zhǔn)確，滅火精度高。

圖7程序圖

4、作品

利用慧魚模塊，按照設(shè)計(jì)思路進(jìn)行組裝，經(jīng)過調(diào)試，產(chǎn)品能完成預(yù)定功能，符合預(yù)定的設(shè)計(jì)要求。下面為作品的三維造型圖（圖8）和實(shí)物圖（圖9）。

圖8三維造型圖

圖9實(shí)物圖

5、結(jié)束語

該設(shè)計(jì)可以檢測到火源并進(jìn)行噴淋，但目前只是限于慧魚創(chuàng)意組合的設(shè)計(jì)階段，還沒有將研究的成果應(yīng)用于實(shí)踐中。對應(yīng)噴水裝置可以考慮使用高壓水泵來代替，而對火源的檢測和滅火裝置，由于慧魚的器材是塑料的，故用燈光代替火源。

［參考文獻(xiàn)］

［1］慧魚ROBO TX CONTROLLER 說明書（7-10頁）.

［2］慧魚創(chuàng)意機(jī)器人設(shè)計(jì)與實(shí)踐教程（上海交通大學(xué)出版社，曲凌 編）（11-13頁）.

［3］機(jī)械原理（第七版）（西北工業(yè)大學(xué)機(jī)械原理及機(jī)械零件教研室編）（13頁）.

［4］ROBOpro軟件中文手冊（7-10頁）.

（作者單位：1.寧夏大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院, 寧夏銀川 750021；2.中國電信集團(tuán)系統(tǒng)集成寧夏分公司，寧夏 銀川 750021）

摘要：以慧魚創(chuàng)意組合模型為平臺，設(shè)計(jì)出一種智能機(jī)器人識別小車。小車?yán)脗鞲衅鬟M(jìn)行循跡?？刂栖浖镽OBO Pro，可控制機(jī)器人完成一系列復(fù)雜動作：如尋找軌跡——沿軌跡行走——識別火源——自動滅火等。

關(guān)鍵詞：慧魚系統(tǒng)；智能機(jī)器人；創(chuàng)新設(shè)計(jì)

引言

慧魚創(chuàng)意組合模型是由德國發(fā)明家Artur Fisher博士于1964年發(fā)明的。它具有一般機(jī)械所具有的零部件，如齒輪、電機(jī)、電氣開關(guān)等，通過聲、光、電和輔助技術(shù)的配合，能夠模擬各種機(jī)械運(yùn)動和機(jī)械設(shè)備的自動控制，而且有比較真實(shí)的功能。它利用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的基本構(gòu)件（機(jī)械元件、電氣元件、氣動元件），輔以傳感器、控制器、執(zhí)行器和軟件的配合，運(yùn)用設(shè)計(jì)構(gòu)思和實(shí)踐分析，可以實(shí)現(xiàn)任何技術(shù)過程的還原，更可以實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)和大型機(jī)械設(shè)備操作的模擬。

1、基于慧魚系統(tǒng)的無人綜合搶險(xiǎn)車的設(shè)計(jì)

無人綜合搶險(xiǎn)車系統(tǒng)是一個典型的機(jī)電一體化系統(tǒng)。它由機(jī)械部分、傳感部分、控制部分三大部分組成。這三大部分可分為驅(qū)動系統(tǒng)、機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、感知系統(tǒng)、智能小車-環(huán)境交互系統(tǒng)、人-機(jī)交互系統(tǒng)、控制系統(tǒng)六個子系統(tǒng)。

1.1 無人綜合搶險(xiǎn)車的功能

無人綜合搶險(xiǎn)車按功能可分為循跡功能、距離識別功能、火焰識別功能、自動噴水功能。循跡功能可分為尋找軌跡和循跡前進(jìn)。智能小車主要任務(wù)要求為：先尋找軌跡→沿軌跡行走→遇到障礙停止→機(jī)械臂伸出尋找火源→噴水裝置工作→繼續(xù)判斷火源→停止噴水→機(jī)械臂收回。功能分類如圖1所示。

1.2 無人綜合搶險(xiǎn)車的A/D轉(zhuǎn)換

圖1功能圖

和數(shù)字量輸入返回1和0值不同，模擬量輸入可以分辨連續(xù)的輸入，所有的模擬量輸入返回一個0～1023之間的值。而ROBO接口板有各種不同的模擬量輸入接口來測量不同的物理量。具體來說，模擬量輸入可以適應(yīng)用來測量電阻，測量電壓和測量距離的不同的傳感器。如表1所示。

通常的慧魚傳感器中，溫度傳感器和光電傳感器將被測量轉(zhuǎn)換成電阻值。所以必須將這些傳感器接到AX和AY輸入端。電壓輸入端A1和A2設(shè)計(jì)用來連接所有產(chǎn)生0到10V電壓的傳感器。在ROBO接口板上沒有針對AV輸入端的端口，它通常和接口板的電源電壓相關(guān)聯(lián)。距離傳感器輸入端D1和D2可以接到慧魚特殊傳感器，可以測量障礙物的距離。

表1模擬量輸入

輸入端輸入類型測量范圍A1,A2電壓輸入0-1023VAX,AY電阻輸入0-5.5KΩD1,D2距離傳感器輸入Ca.0-50cmAV電源電壓0-10圖2行走部分運(yùn)動示意圖

2、無人綜合搶險(xiǎn)車機(jī)械部分設(shè)計(jì)過程

2.1行走部分

由兩個9v/2.4w大功率馬達(dá)帶動履帶上的兩個驅(qū)動齒輪旋轉(zhuǎn)，由驅(qū)動齒輪和引導(dǎo)齒輪帶動履帶運(yùn)動，由于履帶較長，中間部位需加支撐輪，如圖2所示。

2.2 機(jī)械臂部分

無人綜合搶險(xiǎn)車的機(jī)械臂由直流電機(jī)控制，當(dāng)機(jī)械臂前端的紅外傳感器檢測到火源，車輛就立刻停止，然后確定火源的準(zhǔn)確位置，在機(jī)械臂上升的同時，機(jī)械臂向前伸出，但與火源保持安全距離，如圖3(上升)、圖4（伸出）所示。

圖3機(jī)械臂上升圖4機(jī)械臂伸出

2.3 噴水裝置設(shè)計(jì)

如圖5所示，通過傳感器檢測火源，將檢測信號傳送給ROBO控制板，經(jīng)處理后將信號發(fā)送給氣泵，氣泵給儲水罐加壓，噴頭噴水滅火。滅火結(jié)束，傳感器將信息傳給控制板，控制板控制氣泵和電子氣閥，將氣罐中的高壓氣體放出，氣泵停止工作。

圖5噴水裝置功能圖

2.4 控制板接線

慧魚智能接口板自帶微處理器（如圖6），通過串口與計(jì)算機(jī)相連。在機(jī)器人系統(tǒng)中，連接線就是其神經(jīng)，它將輸入、輸出原件與主控器連接起來，起著傳遞信息的作用。為了保證機(jī)器人能夠正常運(yùn)行，質(zhì)量可靠的連接線是必不可少的。為了保證控制面板的整潔美觀，也防止散亂的連接線阻礙機(jī)器人的正常運(yùn)動。

圖6ROBO控制板接線圖

3、自動程序控制的設(shè)計(jì)

自動控制是通過電腦將編好的程序下載到控制器的微處理器內(nèi)，它可以脫離計(jì)算機(jī)獨(dú)立地處理程序的功能，使機(jī)器人在無人的情況下自動運(yùn)行，也可以到達(dá)危險(xiǎn)地方進(jìn)行探測，但在突發(fā)情況時不易控制。如圖7所示，自動控制程序控制簡單，定位準(zhǔn)確，滅火精度高。

圖7程序圖

4、作品

利用慧魚模塊，按照設(shè)計(jì)思路進(jìn)行組裝，經(jīng)過調(diào)試，產(chǎn)品能完成預(yù)定功能，符合預(yù)定的設(shè)計(jì)要求。下面為作品的三維造型圖（圖8）和實(shí)物圖（圖9）。

圖8三維造型圖

圖9實(shí)物圖

5、結(jié)束語

該設(shè)計(jì)可以檢測到火源并進(jìn)行噴淋，但目前只是限于慧魚創(chuàng)意組合的設(shè)計(jì)階段，還沒有將研究的成果應(yīng)用于實(shí)踐中。對應(yīng)噴水裝置可以考慮使用高壓水泵來代替，而對火源的檢測和滅火裝置，由于慧魚的器材是塑料的，故用燈光代替火源。

［參考文獻(xiàn)］

［1］慧魚ROBO TX CONTROLLER 說明書（7-10頁）.

［2］慧魚創(chuàng)意機(jī)器人設(shè)計(jì)與實(shí)踐教程（上海交通大學(xué)出版社，曲凌 編）（11-13頁）.

［3］機(jī)械原理（第七版）（西北工業(yè)大學(xué)機(jī)械原理及機(jī)械零件教研室編）（13頁）.

［4］ROBOpro軟件中文手冊（7-10頁）.

（作者單位：1.寧夏大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院, 寧夏銀川 750021；2.中國電信集團(tuán)系統(tǒng)集成寧夏分公司，寧夏 銀川 750021）