六輪式多功能智能搶險機器人的設計

吉雙章 曾實現(xiàn) 馬玉華

摘 要：針對各種自然災害和突發(fā)情況下，各種救援工具難以在短時間內(nèi)聚集使用，我們設計了六輪式智能搶險機器人。該車能實現(xiàn)自動避障、道路除障、火災救援、物品搬運、高空營救、多地形越野等功能。利用光電開關(guān)，人體熱釋，火焰?zhèn)鞲?，紅外測距，煙霧氣敏傳感器檢測周圍環(huán)境，做出反應。運用機械手臂進行道路除障，連桿機構(gòu)式的升降云梯裝置能夠?qū)崿F(xiàn)高空救援，六輪式越野底盤設計能夠適應各種各樣復雜的地形條件。

關(guān)鍵詞：傳感器；機械手臂；升降云梯；六輪越野底盤

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.08.133

1 研制背景及意義

在21世紀的今天，由于自然災害、恐怖活動和各種突發(fā)事件等原因，災難經(jīng)常發(fā)生[1]。在災難救援中，救援人員只有非常短的時間用于在倒塌的廢墟中尋找幸存者，發(fā)現(xiàn)幸存者的幾率非常低，即便發(fā)現(xiàn)后，由于周圍環(huán)境的復雜情況，很難實施救援，特別是發(fā)生重大安全事故和自然災害后，由于無法馬上進行救援行動，導致大量人員傷亡[2]。通過對該機器人的研制，可以有效地減少人員傷亡和生命財產(chǎn)損失，機器人本身可以進行夜間不間歇的工作，工作效率非常高，因此具有研究價值和實際應用價值。

2 硬件電路設計

2.1 光電開關(guān)

光電開關(guān)是由發(fā)射器、接收器和檢測電路三部分組成。發(fā)射器對準目標發(fā)射光束，發(fā)射的光束一般來源于發(fā)光二極管（LED）和激光二極管。光束不間斷地發(fā)射，或者改變脈沖寬度。受脈沖調(diào)制的光束輻射強度在發(fā)射中經(jīng)過多次選擇，朝著目標不間接地運行；接收器有光電二極管或光電三極管組成。在接收器的前面，裝有光學元件如透鏡和光圈等。在其后面的是檢測電路，它能濾出有效信號和應用該信號。我們通過光電開光傳感器檢測前方障礙物，當前方檢測到障礙物時，傳感器將信號傳輸給單片機，該車停止前進，機械手臂自動清除障礙物，該車繼續(xù)前進。

2.2 傳感器電路設計

火焰?zhèn)鞲衅魇菣C器人專門用來搜尋火源的傳感器。其利用紅外線對管對火焰非常敏感的特點，使用特制的紅外線接受管來檢測火焰，然后把火焰的亮度轉(zhuǎn)化為高低變化的電平信號，輸入到中央處理器中，中央處理器根據(jù)信號的變化做出相應的程序處理；熱釋電傳感器是對溫度敏感的傳感器，檢測人體或者動物的活動傳感。當前方有人員經(jīng)過時，傳感器會檢測到人體的熱量變化，將檢測信號發(fā)送給單片機，該車停止前進，并輸出語音警告；超聲波測距原理是通過超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時刻的同時開始計時，超聲波在空氣中傳播時碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就立即停止計時；氣敏電阻傳感器就是一種將檢測到的氣體的成分和濃度轉(zhuǎn)換為電信號的傳感器。是利用氣體的吸附而使半導體本身的電導率發(fā)生變化這一機理來進行檢測的；驅(qū)動電路主要是基于51單片機設計的電機驅(qū)動電路，有5V穩(wěn)壓模塊和L298N電機驅(qū)動模塊組成，可以外接傳感器模塊，以便更好地實現(xiàn)對該車的自動控制。

3 機械結(jié)構(gòu)設計

3.1 六輪式越野底盤

采用六驅(qū)承重小車底盤，電機規(guī)格12V230轉(zhuǎn)，輪子結(jié)構(gòu)直徑85mm，機械承重10KG左右，空載電流510MA（12V時），理論空載行進速度56米/分鐘（12V時）[2]。六輪驅(qū)動越野性能強勁，能夠適應各種災后地形路況，可以穿越大部分的復雜路段，也可以爬樓梯。同時在前兩輪之間還有一個減震裝置，可以有效減少穿越復雜路段時帶來的震動。

3.2 機械手臂

機械手臂的動力系統(tǒng)由6個LDX-335MG數(shù)字舵機組成，工作電壓6-7.4V，空載電流100mA，堵轉(zhuǎn)扭矩15KG/cm 6V，17KG/cm 7.4V，虛位小，壽命長，防燒耐高溫。前部機械手回轉(zhuǎn)角度180度，夾持前部最大開度55mm，夾持最寬距離98mm，能抓取200g左右物體[3]。所有支架配件均采用2mm厚度的鋁板，從而有效的提高了機械手自身的穩(wěn)定性，轉(zhuǎn)向關(guān)節(jié)處均采用進口杯式軸承，不僅可以使轉(zhuǎn)向更加靈活，而且還可以使舵機的轉(zhuǎn)向在同一圓心?？刂葡到y(tǒng)可通過PS2無線手柄進行控制，還可以通過藍牙通信實現(xiàn)對該機械手臂的控制，可以實現(xiàn)機械手的前后、上下及左右抓取搬運的功能。

3.3 升降移動云梯

可升降移動云梯采用連桿式結(jié)構(gòu)，由兩個5V電壓的電機帶動，最高升降30CM，可載重2KG。連桿式結(jié)構(gòu)能實現(xiàn)云梯平穩(wěn)的升降，既節(jié)省了空間，又能夠?qū)崿F(xiàn)快速的升降，給高空救援帶來了極大的便利。

3.4 太陽能電池板

隨著時代的高速發(fā)展，能源問題越來越突出，所以在我們的救援車上將采用太陽能電池板和鋰電池共同為車子提供動力。此太陽能電池板采用多晶硅的材質(zhì)，裝換太陽能的效率更高，能輸出5V電壓，為傳感器提供能源。

4 總結(jié)

機器人救援就可以用自身所帶的云梯可以快速、安全地救出被困人員，尤其是在高樓等地方被困住的人員。此功能的實現(xiàn)主要是靠火焰?zhèn)鞲衅鱽碜R別前方存在的火源，然后將信號傳給單片機進行處理，小車停止前進，語音模塊進行報警，最后由電機帶動水泵將前方發(fā)現(xiàn)的火源撲滅。六輪式底盤越野設計，可以輕松應對各種地形，在地震發(fā)生后，房屋倒塌，山體滑坡等地形，該車都能迅速越野，增加寶貴的救援時間。

參考文獻：

[1]楊大明，王磊，陳杰，吳兆宏.煤礦救災機器人的基本安全性能要求[J].煤礦安全，2015（12）：104-107.

[2]陳利明.搶險機器及機器人的研究與實際應用[J].機器人技術(shù)與應用，2015（04）：20-22.

[3]吳占臣，馮開林.遙控搶險機器人及其關(guān)鍵技術(shù)研究[J].液壓與氣動，2015（09）：28-29.