專利名稱：：模塊化的災(zāi)害救援機(jī)器人的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本實(shí)用新型涉及一種機(jī)器人，具體地說涉及一種可以應(yīng)用在災(zāi)害救援中的模塊化機(jī)器人。
背景技術(shù)：
：近年來我國及世界范圍內(nèi)地震、火災(zāi)、洪水等自然災(zāi)害頻發(fā)。尤其在今年5月12號發(fā)生的8.0級汶川大地震中有69207遇難?？拐鹁葹?zāi)過程中許多救援行動，因?yàn)榫仍F(xiàn)場情況復(fù)雜而擱淺。其中大多由于救援人員無法進(jìn)入狹小危險(xiǎn)的廢墟中為幸存者提供有效的幫助。將機(jī)器人技術(shù)、營救行動技術(shù)、災(zāi)難學(xué)等多學(xué)科知識有機(jī)融合，研制與開發(fā)用于搜尋和營救的多功能災(zāi)難救援機(jī)器人，是機(jī)器人學(xué)研究中一個(gè)富有挑戰(zhàn)性的新領(lǐng)域，更是新時(shí)代背景下急需解決的新難題。于是，國內(nèi)外的許多高校和研究所在救援機(jī)器人、自主救援無人機(jī)和地面移動特種作業(yè)機(jī)器人等救援機(jī)器人技術(shù)方面開展了研究。然而現(xiàn)有救援、偵測設(shè)備又種類復(fù)雜，并無一個(gè)整體系統(tǒng)將各種設(shè)備結(jié)合在一起實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)模塊化的多用途應(yīng)用，如將各種設(shè)備取長補(bǔ)短，以技術(shù)方式將其整合為統(tǒng)一的、具備互換性的任務(wù)系統(tǒng)，必將大大加強(qiáng)災(zāi)害救援能力與力度。同時(shí)，國外一些較為成熟的救援機(jī)器人造價(jià)昂貴，單價(jià)均在數(shù)十萬美元以上，不適合大量裝備，及災(zāi)害發(fā)生時(shí)大規(guī)模使用，難以適應(yīng)中國國情。為適應(yīng)多種空間環(huán)境與任務(wù)需求，機(jī)器人需要具備各種地形的適應(yīng)能力和各種功能組件的兼容性與互換性。現(xiàn)有災(zāi)害機(jī)器人的研究可分為單一機(jī)械本體，分布式控制兩大方向。單一機(jī)械本體的多用途救援機(jī)器人機(jī)械體系固定，底盤模式單一，負(fù)載能力強(qiáng)。此方式發(fā)展較早，較為成熟，多為針對特殊的場合設(shè)計(jì)，由于固定的底盤模式，無法適應(yīng)多種環(huán)境與不同任務(wù)功能的快速切換。而多機(jī)器人系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)機(jī)械外形的自組與重構(gòu)。此種機(jī)器人多由若干個(gè)外形相同、功能各異的子機(jī)器人構(gòu)成，并根據(jù)不同的環(huán)境進(jìn)行組裝，以適應(yīng)不同需求。但是由于自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，負(fù)載能力較小。
實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是提供一種應(yīng)用在災(zāi)害救援中，具有單一本體式且具有強(qiáng)負(fù)載能力又兼?zhèn)涠鄼C(jī)器人的靈活互換性的機(jī)器人。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采用以下技術(shù)方案本實(shí)用新型包括六邊形的主體模塊以及位于主體模塊上的機(jī)械臂，主體模塊與移動機(jī)構(gòu)相連接；主體模塊包括利用總線技術(shù)進(jìn)行相互通信的識別單元、運(yùn)動控制單元、通信單元和總控單元，其中，識別單元識別移動機(jī)構(gòu)的移動方式，運(yùn)動控制單元根據(jù)該移動方式建立運(yùn)動學(xué)模型并驅(qū)動移動機(jī)構(gòu)運(yùn)動；機(jī)械臂的本體是一個(gè)具有五個(gè)自由度的機(jī)器人操作臂，在操作臂上設(shè)有舵機(jī)和手部夾持機(jī)構(gòu)，舵機(jī)與總控單元相連接。[0010]上述的移動機(jī)構(gòu)包括輪式底盤模塊以及與其相連接的四個(gè)輪模塊，每個(gè)輪模塊均與一個(gè)電機(jī)相連接；運(yùn)動控制單元包括與輪模塊相連接的電機(jī)及其速度傳感器，電機(jī)的輸入端與電機(jī)驅(qū)動器相連接，電機(jī)驅(qū)動器的輸入端連接P麗信號發(fā)生器，P麗信號發(fā)生器的輸入端連接PID控制器，PID控制器的輸入端連接乘法器，所述的乘法器以速度傳感器采樣的當(dāng)前速度值和歷史速度值作為輸入信號。上述的移動機(jī)構(gòu)包括履腿底盤模塊以及與其相連接的四個(gè)履腿模塊，四個(gè)履腿模塊對稱分布。上述的移動機(jī)構(gòu)包括全向輪底盤模塊以及在全向輪底盤模塊周向均勻分布設(shè)置的三個(gè)90°瑞典輪。將機(jī)械臂各關(guān)節(jié)的電位器的阻值變化經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換后傳給總控單元，總控單元將其轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角度值后，傳給機(jī)械臂上各關(guān)節(jié)的舵機(jī)。上述主體模塊的實(shí)體架構(gòu)采用光敏樹脂材料，且其柱梁截面內(nèi)嵌。在主體模塊上設(shè)有至少一個(gè)導(dǎo)軌，導(dǎo)軌與任務(wù)模塊相連接；導(dǎo)軌是指主體模塊與任務(wù)模塊的插接口。上述的任務(wù)模塊為影音傳送模塊、生命體征探測模塊、空間環(huán)境測量模塊、空間位置定位模塊、醫(yī)療救護(hù)模塊中的任意一種或幾種組合。采用上述技術(shù)方案的本實(shí)用新型，采用"積木式"的模塊化機(jī)械連接方案，運(yùn)用獨(dú)創(chuàng)的機(jī)械自適應(yīng)雙軌道導(dǎo)軌以完成"即插即用"功能，以主體模塊為平臺實(shí)現(xiàn)一物多用，可根據(jù)環(huán)境以及任務(wù)的種類快速組裝多種任務(wù)模塊，用最快的時(shí)間實(shí)現(xiàn)所需要的綜合救援功能，既具有單一本體式機(jī)器人的強(qiáng)負(fù)載能力又兼?zhèn)涠鄼C(jī)器人系統(tǒng)的靈活互換性。另外，它采用統(tǒng)一規(guī)格的航空插口進(jìn)行線路整合，控制系統(tǒng)使用嵌入式微控制器實(shí)現(xiàn)分布式控制。系統(tǒng)有機(jī)地將現(xiàn)有成熟技術(shù)整合，電子和程序設(shè)計(jì)采用開放式方案，因此產(chǎn)品更利于后續(xù)開發(fā)及更新?lián)Q代。本系統(tǒng)中主體模塊的機(jī)械框架采用3D激光快速成型技術(shù)，使用SomosProtoTool20L光敏樹脂材料，將數(shù)字化三維模型經(jīng)由3D激光快速成型生成為實(shí)體。制造過程快捷、環(huán)保，最大程度利用CAD與CAM的技術(shù)優(yōu)勢，增強(qiáng)機(jī)械結(jié)構(gòu)性能、節(jié)約成本。經(jīng)過有限元結(jié)構(gòu)計(jì)算分析，發(fā)現(xiàn)主體框架橫梁存在應(yīng)力集中點(diǎn)，支柱耐壓能力差等缺陷。為克服此缺陷，設(shè)計(jì)采用柱梁截面內(nèi)嵌微結(jié)構(gòu)技術(shù)，有效減輕重量，同時(shí)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能。機(jī)器人系統(tǒng)采用分布式控制，采用一主機(jī)_多從機(jī)結(jié)構(gòu)。其中總控單元作為主機(jī)完成上位機(jī)通信、總線仲裁、任務(wù)調(diào)度、路徑規(guī)劃；運(yùn)動控制單元等作為子控制器完成電機(jī)PID閉環(huán)、外部事件相應(yīng)、周圍環(huán)境傳感等任務(wù)。且主機(jī)與子控制器間通過高速總線連接。采用改進(jìn)型UART通信協(xié)議，由主控制器進(jìn)行總線仲裁，并通過廣播進(jìn)行設(shè)備握手并進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。由于僅使用兩線制總線，設(shè)備間連接線數(shù)量顯著減少，通過規(guī)定線制的航空插口，快速熱插拔配合機(jī)械連接實(shí)現(xiàn)模塊化的設(shè)計(jì)。另外，本實(shí)用新型中自行設(shè)計(jì)出的機(jī)械臂及其操縱方式，將無線視頻傳輸技術(shù)與多自由度示教儀相結(jié)合，提供操作者第一視角的任務(wù)視野，并可將操作者的手臂動作經(jīng)由示教設(shè)備直接控制機(jī)械臂的運(yùn)動。圖1為本實(shí)用新型實(shí)施例1中輪式移動機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)圖；圖2為本實(shí)用新型主體模塊的框架外形圖；圖3為本實(shí)用新型實(shí)施例1中機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)圖；圖4為本實(shí)用新型中主體模塊的電氣結(jié)構(gòu)框圖；圖5為本實(shí)用新型實(shí)施例1中運(yùn)動控制單元的原理框圖；圖6為本實(shí)用新型實(shí)施例1中PID控制框圖；圖7為本實(shí)用新型實(shí)施例1中建立的運(yùn)動學(xué)模型；圖8為本實(shí)用新型實(shí)施例1運(yùn)動學(xué)模型中計(jì)算行駛阻力的原理圖；圖9為本實(shí)用新型中機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)簡圖；圖10為本實(shí)用新型中機(jī)械臂與手部夾持機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖11為本實(shí)用新型整體的電氣工作原理圖；圖12為本實(shí)用新型中主體模塊的主循環(huán)流程圖；圖13為本實(shí)用新型中主體模塊的工作進(jìn)程圖；圖14為本實(shí)用新型實(shí)施例3中機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)圖；圖15為本實(shí)用新型實(shí)施例3中機(jī)器人的伸展態(tài)運(yùn)動姿態(tài)圖；圖16為本實(shí)用新型實(shí)施例3中機(jī)器人的單翼搭接態(tài)運(yùn)動姿態(tài)圖；圖17為本實(shí)用新型實(shí)施例3中機(jī)器人的抬身態(tài)運(yùn)動姿態(tài)圖；圖18為本實(shí)用新型實(shí)施例4中機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)圖；圖19為本實(shí)用新型實(shí)施例4中建立的全局參考框架運(yùn)動學(xué)模型圖；圖20為本實(shí)用新型實(shí)施例4中加上局部參考框架的運(yùn)動學(xué)模型圖；圖21為本實(shí)用新型實(shí)施例6中機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)圖；圖22為本實(shí)用新型實(shí)施例7中任務(wù)模塊的工作流程圖。具體實(shí)施方式實(shí)施例1如圖1、圖3所示，本實(shí)施例包括六邊形的主體模塊1以及位于主體模塊1上的機(jī)械臂4，主體模塊1通過航空插頭與移動機(jī)構(gòu)3相連接，在本實(shí)施例中，移動機(jī)構(gòu)3采用輪式移動機(jī)構(gòu)。其中，主體模塊1為各移動機(jī)構(gòu)3提供動力及總控，像心臟與大腦一樣，保證整體的正常運(yùn)行。并且航空插頭連接后，主體模塊1會自動識別移動機(jī)構(gòu)3的移動底盤方式，從而應(yīng)用相應(yīng)的移動程序，達(dá)到"即插即用"的效果。這種模塊化設(shè)計(jì)，可以根據(jù)不同的救援環(huán)境改變移動機(jī)構(gòu)，選擇適應(yīng)該環(huán)境的移動機(jī)構(gòu)，從而可以最大程度上發(fā)揮救援機(jī)器人的功效，有效的提高其利用效率。如圖2所示，在本實(shí)用新型中，主體模塊1采用六邊形作為本體核心模塊框架外形。首先，六邊形空間利用率高。從蜂房中采用六邊形作為基礎(chǔ)形態(tài)可知，本體模塊l采用六邊形外框架可以充分增大內(nèi)部空間，同時(shí)與外界插接時(shí)有效減少空間占用；其次，六邊形結(jié)構(gòu)穩(wěn)固，力學(xué)性能好，這一點(diǎn)從晶體中六邊形結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)固就可以看出。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，采用有限元分析軟件C0SM0SWorks進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析，優(yōu)化設(shè)計(jì)出最為合適的六邊形外框架，使得其強(qiáng)度、剛度、抗壓能力優(yōu)異，同時(shí)重量輕、造價(jià)合理，滿足設(shè)計(jì)要求。[0046]如圖4所示，從內(nèi)部電氣控制上來講，主體模塊1包括利用總線技術(shù)進(jìn)行相互通信的識別單元、運(yùn)動控制單元、通信單元和總控單元，其中，識別單元識別移動機(jī)構(gòu)3的移動方式，運(yùn)動控制單元根據(jù)該移動方式建立運(yùn)動學(xué)模型并驅(qū)動移動機(jī)構(gòu)3運(yùn)動；總控單元對整體系統(tǒng)實(shí)施監(jiān)控；通信單元提供通信協(xié)議，負(fù)責(zé)系統(tǒng)內(nèi)部各個(gè)功能單元之間的通信和系統(tǒng)與外部指令設(shè)備的通信工作。在本實(shí)施例中，移動機(jī)構(gòu)3采用輪式移動機(jī)構(gòu)。如圖1所示，移動機(jī)構(gòu)3包括輪式底盤模塊5以及與其相連接的四個(gè)輪模塊6，每個(gè)輪模塊6均與一個(gè)電機(jī)12相連接。其中輪式底盤模塊5采用差動驅(qū)動，它們對四個(gè)電機(jī)12進(jìn)行獨(dú)立驅(qū)動，此種驅(qū)動方式不但可以提供強(qiáng)勁的驅(qū)動能力，也擁有強(qiáng)大的越障和爬坡能力，特別適合室外的應(yīng)用。在采用輪式移動機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上，本實(shí)施例的運(yùn)動控制單元如圖5所示，該控制采用的是閉環(huán)伺服控制，可以保證電機(jī)比較準(zhǔn)確地運(yùn)行，它包括與輪模塊6相連接的電機(jī)12及其速度傳感器，電機(jī)的輸入端與電機(jī)驅(qū)動器相連接，電機(jī)驅(qū)動器的輸入端連接P麗信號發(fā)生器，P麗信號發(fā)生器的輸入端連接PID控制器，PID控制器的輸入端連接乘法器，上述的乘法器以速度傳感器采樣的當(dāng)前速度值n(t)和歷史速度值n。(t)作為輸入信號。—側(cè)輪子的等速控制采用的是PID控制器，即將偏差的比例P、積分I和微分D通過線性組合構(gòu)成控制量，用這一控制量對被控對象進(jìn)行控制。模擬系統(tǒng)中PID算法的表達(dá)式為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>式(1)中P(t)為調(diào)節(jié)器的輸出；e(t)為調(diào)節(jié)器的偏差信號，等于測量值與給定值之差；Kp為調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)A為調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間；TD為調(diào)節(jié)器的微分時(shí)間。計(jì)算機(jī)控制是一種采樣控制，只能根據(jù)采樣時(shí)刻的偏差值來計(jì)算控制量，所以必須先對上式進(jìn)行離散化處理，積分項(xiàng)可用求和表達(dá)式表示，微分項(xiàng)可用增量表達(dá)式表示<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>[0056]將上面二式代入(1)式可得到用數(shù)字形式的差分方程代替連續(xù)系統(tǒng)的微分方程式<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>[0058]式(2)中U(n)為采樣時(shí)刻n時(shí)的電機(jī)控制信號輸出，e(n)為采樣時(shí)刻n時(shí)的位置誤差值，Kp、Ki、Kd分別為PID控制器的比例、積分、微分系數(shù)，n'為微分采樣時(shí)間。對應(yīng)(2)式的PID控制框圖如圖6所示。在圖5中，Kp起比例調(diào)節(jié)作用按比例反應(yīng)系統(tǒng)的偏差，系統(tǒng)一旦出現(xiàn)了偏差，比例調(diào)節(jié)立即產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用以減少偏差。比例作用大，可以加快調(diào)節(jié)，減少誤差，但是過大的比例，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降。僅有比例控制的系統(tǒng)會存在穩(wěn)態(tài)誤差。Ki起積分調(diào)節(jié)作用控制器的輸出與輸入誤差信號的積分(歷次誤差值求和)成正比關(guān)系，可以消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，提高無差度。加入積分調(diào)節(jié)會使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，動態(tài)響應(yīng)變慢，常與另兩種調(diào)節(jié)規(guī)律結(jié)合使用。Kd起微分調(diào)節(jié)作用控制器的輸出與輸入誤差信號的微分(即誤差的變化率)成正比關(guān)系，微分作用反映系統(tǒng)偏差信號的變化率，具有預(yù)見性，能產(chǎn)生超前的控制作用，其引入的超前量將抵消慣性環(huán)節(jié)和滯后元件產(chǎn)生的誤差。因此，可以改善系統(tǒng)動態(tài)性能，減少超調(diào)和調(diào)節(jié)時(shí)間。但過強(qiáng)的微分調(diào)節(jié)，對系統(tǒng)抗干擾性能不利。微分作用同樣需要與另兩種調(diào)節(jié)規(guī)律結(jié)合使用。在此過程中，運(yùn)動控制單元將輪式移動機(jī)構(gòu)等效為兩履帶運(yùn)動方式建立運(yùn)動學(xué)模型。首先假定機(jī)器人履帶在平整路面內(nèi)接地比壓平均分布，建立起如圖7所示的X0Y基礎(chǔ)坐標(biāo)系(1)平均著地壓強(qiáng)計(jì)算時(shí)假定車輛重量平均分布在著地面上，但很難做到載荷完全均勻分布，實(shí)際上，位于誘導(dǎo)輪、主動輪正下方的載荷較大?！篜=i其中，W為車輛重量；b為履帶寬度；L為著地長度，這里是一側(cè)兩條履帶的總長度。(2)旋轉(zhuǎn)半徑<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>車輛等效線速度、^2車輛旋轉(zhuǎn)半徑；=7〃旋轉(zhuǎn)。式行駛系統(tǒng)中，若設(shè)車輛重量為w，則左右履帶的阻力2V！—v2將左右履帶/車輪反向驅(qū)動可得到自旋旋轉(zhuǎn)；將單邊履帶/車輪停止可得到樞軸(3)行駛阻力:如圖8所示，移動機(jī)構(gòu)的行駛阻力為平均阻力與旋轉(zhuǎn)阻力之和，在通常的兩履帶<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>[0074]式中，i！。為滾動阻力系數(shù)；P為行駛路面與履帶的摩擦系數(shù)。這樣，在PID控制和已建立的運(yùn)動學(xué)模型下，運(yùn)動控制單元將輪式移動分為直線運(yùn)動和轉(zhuǎn)彎兩種情況，機(jī)器人兩側(cè)的輪模塊6等速運(yùn)動實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動功能；兩側(cè)的輪模塊6反向或不等速運(yùn)動實(shí)現(xiàn)機(jī)器人滑差轉(zhuǎn)向。在具體實(shí)施時(shí)，外部指令設(shè)備發(fā)出控制指令，主體模塊1中的總控單元接收該控制指令并傳達(dá)給各個(gè)功能單元，各個(gè)功能單元聯(lián)合動作，最后使得電機(jī)12動作，這樣機(jī)器人就能夠按照設(shè)定的指令運(yùn)作。另外，在本實(shí)施例中，機(jī)械臂4的本體是一個(gè)具有五個(gè)自由度的機(jī)器人操作臂，在操作臂上設(shè)有舵機(jī)和手部夾持機(jī)構(gòu)，其中，舵機(jī)與總控單元相連接，并根據(jù)總控單元的指令完成各種夾持等動作。如圖9所示，機(jī)械臂4共有五個(gè)可動部件，五個(gè)關(guān)節(jié)組成，故其自由度為F=5X3-5X2=5。因此，在實(shí)施時(shí)，其機(jī)座轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)采用TowerProMG945舵機(jī)進(jìn)行驅(qū)動，肘部和腕部關(guān)節(jié)則采用TowerProSG90舵機(jī)進(jìn)行驅(qū)動,<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>[0079]表l由上述表1的操作臂連桿參數(shù)，可求得連桿變換矩陣如下<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>手部夾持機(jī)構(gòu)13如圖10所示，它采用TowerProSG90舵機(jī)驅(qū)動，兩模數(shù)、齒數(shù)相同，帶夾持手爪的齒輪相互嚙合而形成，其夾持范圍9為018(T。手部夾持機(jī)構(gòu)13的夾持力F由下式計(jì)算可得M^n2=FXL上式中，M為舵機(jī)的輸出力矩，為1.3kgcm;1為齒輪之間的嚙合效率，為0.9;^為機(jī)械摩擦效率，為0.9;L為力臂長度，為5cm^/幫21.3x9.8x0.9x0.9—廠^2NN=2iiF=2X0.3X2=1.2N，其中y為機(jī)械爪與物體之間的摩擦系數(shù)，約為O.20.4。<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>0090]在本實(shí)用新型中，主體模塊1中的通信單元提供通信協(xié)議，并負(fù)責(zé)系統(tǒng)內(nèi)部各個(gè)功能單元之間的通信和系統(tǒng)與外部指令設(shè)備的通信工作。在通信單元提供的通信協(xié)議中，其每次通信包含兩個(gè)8位2進(jìn)制信息，即首位字節(jié)和次位字節(jié)。設(shè)備通信時(shí)，總控單元發(fā)送首位字節(jié)，通過總線進(jìn)行廣播，ADD3ADDO構(gòu)成指定的設(shè)備地址，Mod2ModO構(gòu)成指定設(shè)備的工作模式；然后總控單元再發(fā)送次位字節(jié)，通過總線進(jìn)行廣播；接著，指定設(shè)備接收到廣播后，對比自身設(shè)備地址，如與ADD3ADD0對應(yīng)，讀取次位字節(jié)，執(zhí)行指定操作；最后，指定設(shè)備根據(jù)執(zhí)行狀況發(fā)送應(yīng)答信息。其中，首位字節(jié)的定義如表2所示<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>表2次位字節(jié)的定義如表3所示<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>[0099]表3如圖11所示，在本實(shí)用新型的整體電氣系統(tǒng)中，主體模塊1中的主控單元采用ARM進(jìn)行開發(fā)，它與各個(gè)移動機(jī)構(gòu)3中的電機(jī)控制器、機(jī)械臂4中的舵機(jī)控制器、通信單元、加速度傳感器以及其他傳感器相通信，獲取綜合信息后下達(dá)控制指令。如圖12所示，在機(jī)器人開機(jī)的狀態(tài)下，外部指令設(shè)備先對主體模塊1進(jìn)行無線通信檢測，若出現(xiàn)錯(cuò)誤則發(fā)出蜂鳴報(bào)警；無錯(cuò)誤時(shí)，主體模塊1開始對各設(shè)備進(jìn)行廣播點(diǎn)名，各設(shè)備依次應(yīng)答，并將應(yīng)答信息傳給主體模塊1，主體模塊1判斷機(jī)體的狀態(tài)后，開始工作進(jìn)程。如圖13所示，當(dāng)主體模塊1開始工作進(jìn)程后，首先接收外部指令設(shè)備發(fā)出的控制指令，并對當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)行分析決策，即主體模塊l自動識別移動機(jī)構(gòu)3的移動底盤方式，是輪式移動方式、或履腿式移動方式、或全向輪式移動方式中的哪一種。當(dāng)確定是輪式移動方式后，繼續(xù)接收外部指令設(shè)備的控制指令，然后在運(yùn)動控制單元中進(jìn)行運(yùn)動規(guī)劃并最終執(zhí)行命令。實(shí)施例2本實(shí)施例與實(shí)施例1不同的是，在本實(shí)施例中，主體模塊1的實(shí)體架構(gòu)采用光敏樹脂材料，且其柱梁截面內(nèi)嵌。在制備過程中，主體模塊1的機(jī)械加工工藝采用了先進(jìn)的激光快速成形技術(shù)，使用SomosProtoTool20L光敏樹脂材料，將數(shù)字化三維模型經(jīng)由3D激光快速成型生成為實(shí)體。制造過程快捷、環(huán)保，最大程度利用CAD與CAM的技術(shù)優(yōu)勢，增強(qiáng)機(jī)械結(jié)構(gòu)性能、節(jié)約成本。經(jīng)過有限元結(jié)構(gòu)計(jì)算分析，發(fā)現(xiàn)主體框架橫梁存在應(yīng)力集中點(diǎn)，支柱耐壓能力差等缺陷。為克服此缺陷，設(shè)計(jì)采用柱梁截面內(nèi)嵌微結(jié)構(gòu)技術(shù)，有效減輕重量，同時(shí)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能。其他技術(shù)特征與實(shí)施例1相同。實(shí)施例3本實(shí)施例與實(shí)施例1不同的是，在本實(shí)施例中，移動機(jī)構(gòu)3采用履腿式移動機(jī)構(gòu)。如圖14所示，移動機(jī)構(gòu)3包括履腿底盤模塊7以及與其相連接的四個(gè)履腿模塊8，四個(gè)履腿模塊8對稱分布，控制履腿模塊8的電機(jī)位于履腿底盤模塊7上，且每個(gè)履腿模塊8對應(yīng)一個(gè)控制電機(jī)。另外，在履腿底盤模塊7上可以裝載各種儀器、設(shè)備用于完成各項(xiàng)作業(yè)任務(wù)，它是運(yùn)載平臺，在運(yùn)動中一般保持水平姿態(tài)。履腿模塊8是運(yùn)動單元，它可以繞機(jī)器人主體旋轉(zhuǎn)輔助機(jī)器人攀爬越障。如圖14所示，履腿式移動機(jī)器人共有四個(gè)自由度，履帶自身轉(zhuǎn)動和腿結(jié)構(gòu)繞主體轉(zhuǎn)動。其中，在履帶自身轉(zhuǎn)動中，機(jī)器人通過小履帶輪處的電機(jī)直接驅(qū)動小履帶輪，將小輪旋轉(zhuǎn)，其自由度轉(zhuǎn)變?yōu)槁膸мD(zhuǎn)動自由度，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人前進(jìn)和后退；在腿結(jié)構(gòu)繞主體轉(zhuǎn)動中，機(jī)器人履帶模塊內(nèi)的兩臺直流電機(jī)驅(qū)動腿結(jié)構(gòu)部分沿y軸方向繞主體轉(zhuǎn)動產(chǎn)生2個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度。—般來說，履腿式移動機(jī)器人在運(yùn)動中有三種典型的運(yùn)動姿態(tài)，即伸展態(tài)、單翼搭接態(tài)和抬身態(tài)。上述的伸展態(tài)是機(jī)器人正常行進(jìn)姿態(tài)，如圖15所示，且正常行進(jìn)分為直線運(yùn)動和轉(zhuǎn)彎兩種情況，機(jī)器人兩側(cè)運(yùn)動單元中的履帶等速運(yùn)動實(shí)現(xiàn)直線行走功能；反向或不等速運(yùn)動實(shí)現(xiàn)機(jī)器人滑差轉(zhuǎn)向。如圖16所示，單翼搭接態(tài)是機(jī)器人越障、跨溝姿態(tài)，作用是在機(jī)器人越障、跨溝過程中能展開翼板搭接到高處的障礙物或是深溝對面，給機(jī)器人通過提供支撐力幫助攀爬，或者在機(jī)器人運(yùn)動中作為復(fù)位姿態(tài)出現(xiàn)。如圖17所示，抬身態(tài)是機(jī)器人結(jié)構(gòu)變形姿態(tài)，該姿態(tài)能抬升中間主體高度升起安裝在主體上的監(jiān)視器，從而拓寬機(jī)器人視線擴(kuò)大偵查范圍。由于上述履腿式移動機(jī)器人的運(yùn)動特點(diǎn)，所以運(yùn)動控制單元將履腿底盤模塊也等效為兩履帶運(yùn)動方式建立運(yùn)動學(xué)模型，其模型的建立與實(shí)施例1中的相同。其他技術(shù)特征與實(shí)施例1相同。實(shí)施例4本實(shí)施例與實(shí)施例1不同的是，在本實(shí)施例中，移動機(jī)構(gòu)3采用全向輪式移動機(jī)構(gòu)。如圖18所示，移動機(jī)構(gòu)3包括全向輪底盤模塊9以及在全向輪底盤模塊9周向均勻分布設(shè)置的三個(gè)90。瑞典輪IO。瑞典輪為本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所熟知的技術(shù)。三個(gè)90°的瑞典輪徑向?qū)ΨQ地安裝，滾柱垂直于各主輪。瑞典輪結(jié)構(gòu)的這種特殊結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生了全去耦的運(yùn)動，為滾柱和主輪提供了正交的運(yùn)動方向，使得該機(jī)器人可以在任何時(shí)候任何方向上(x，y，9)移動，從而達(dá)到全向運(yùn)動的目的。由于全向輪式移動機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)，運(yùn)動控制單元建立運(yùn)動學(xué)模型，它包括建立全局參考框架和局部參考框架。其全局參考框架如圖19所示，加上局部參考框架后如圖20所示。在機(jī)器人上加上特定的局部參考框架后，通過在機(jī)器人中心選擇點(diǎn)P，然后將機(jī)器人排列成與局部參老框架一致，使XR與輪2的軸重合。由全局參考框架中的運(yùn)動向量與局部參考框架中的運(yùn)動向量之間的映射關(guān)系可得.如<formula>formulaseeoriginaldocumentpage10</formula>[0118]其中<^=為全局參考框架中的運(yùn)動向量，由2個(gè)移動速度和1個(gè)旋轉(zhuǎn)速度表不；R(e)為正交旋轉(zhuǎn)矩陣；Jlf為一個(gè)具有投影的矩陣，該矩陣投射到沿著它們各個(gè)輪子平面的運(yùn)動上；衛(wèi)為常對角3*3矩陣，它的實(shí)體是全部標(biāo)準(zhǔn)輪子的半徑1~^為局部參考框架中的運(yùn)動向量，由3個(gè)輪子的旋轉(zhuǎn)速度表示。所以，只要知道全局參考框架中的運(yùn)動向量與局部參考框架中的運(yùn)動向量中的任何一個(gè)，就可以求得另外一個(gè)，從而達(dá)到控制運(yùn)動的目的。其他技術(shù)特征與實(shí)施例1相同。實(shí)施例5本實(shí)施例與上述實(shí)施例1、實(shí)施例2、實(shí)施例3、實(shí)施例4不同的是，本實(shí)施例中的機(jī)械臂4通過運(yùn)行來"示教"位置和姿勢。其原理是將同等大小的示教手臂各關(guān)節(jié)的電位器的阻值變化經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換后傳給總控單元，總控單元將其轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角度值，經(jīng)通信協(xié)議傳給實(shí)際機(jī)械臂4上各關(guān)節(jié)的舵機(jī)，從而達(dá)到控制的目的。這樣，在實(shí)際操作時(shí)，可將機(jī)械臂4運(yùn)行至一期望位置并將這一位置記錄下來，在用這種方法示教時(shí)，機(jī)器人不必要求返回原來的坐標(biāo)系，此坐標(biāo)系可以是局部坐標(biāo)系也可以是固定坐標(biāo)系。其他技術(shù)特征與實(shí)施例1、實(shí)施例2、實(shí)施例3、實(shí)施例4相同。實(shí)施例6本實(shí)施例與實(shí)施例3不同的是，在本實(shí)施例中，在主體模塊1上設(shè)有多個(gè)導(dǎo)軌11，導(dǎo)軌11與任務(wù)模塊2相連接；導(dǎo)軌11是指主體模塊1與任務(wù)模塊2的插接口，如圖21所示。需要說明的是，導(dǎo)軌ll的數(shù)量可以根據(jù)實(shí)際設(shè)置的任務(wù)模塊2的數(shù)量而設(shè)定，可以為一個(gè)、二個(gè)、三個(gè)或甚至更多個(gè)，這可以大大提高機(jī)器人的救援工作效率，并且裝拆方便、迅速、可靠。另外，導(dǎo)軌ll上可以設(shè)置七個(gè)定位位置，也可以設(shè)置四個(gè)定位位置。在本實(shí)施例中，任務(wù)模塊2為影音傳送模塊。具體地說，它包括大小兩個(gè)攝像頭大攝像頭為1.2GHz紅外防水?dāng)z像頭，安裝在六邊形主體模塊上面的定位滑道中，可以為操作者及時(shí)提供清晰的救援現(xiàn)場環(huán)境視屏，幫助救援人員獲得第一手救援現(xiàn)場信息，同時(shí)為操作人員提供良好的視角，便于操作機(jī)器人進(jìn)行各種運(yùn)動，并且該攝像頭具有紅外夜視功能，可以在黑暗的環(huán)境下獲得效果良好的視屏信息；小攝像頭為微型針孔攝像頭，安裝在手部夾持機(jī)構(gòu)13地上方，可以同機(jī)械臂4一同運(yùn)動，從而擴(kuò)大視角范圍，同時(shí)可以在機(jī)械臂4伸到狹縫中夾取東西時(shí)，為操作者提供視屏資料，便于操作人員有效的完成夾取工作。其他技術(shù)特征與實(shí)施例3相同。實(shí)施例7本實(shí)施例與上述實(shí)施例不同的是，本實(shí)施例可以在上述所有實(shí)施例的基礎(chǔ)上，在主體模塊1上增設(shè)導(dǎo)軌ll，通過導(dǎo)軌11與任務(wù)模塊2相連，進(jìn)行災(zāi)害救援機(jī)器人的功能拓展。上述的任務(wù)模塊2可以為生命體征探測模塊、空間環(huán)境測量模塊、空間位置定位模塊、醫(yī)療救護(hù)模塊中的任意一種或其幾種組合。其中，生命體征探測模塊采用現(xiàn)有體溫及電場生命體征探測儀技術(shù)，以機(jī)械臂為核心結(jié)合上述模塊實(shí)現(xiàn)的綜合系統(tǒng)?？臻g環(huán)境測量模塊主要包含紅外、超聲波、激光測距單元，依照項(xiàng)目進(jìn)展與自身能力，由易至難選擇不同的測距方式進(jìn)行模塊設(shè)計(jì)。可采用具有通用數(shù)據(jù)總線的工業(yè)級傳感器，將大大降低項(xiàng)目難度?？臻g位置定位模塊采用具有通用數(shù)據(jù)總線的商業(yè)級無線電定位及GPS定位模塊，實(shí)時(shí)對機(jī)器人的空間位置進(jìn)行定位，并可通過路點(diǎn)軌跡進(jìn)行存儲并繪制出未知空間地圖。另外，各個(gè)任務(wù)模塊的工作流程圖如圖22所示在機(jī)器人開機(jī)的狀態(tài)下，當(dāng)主體模塊1的呼叫請求到來時(shí)，應(yīng)答該呼叫請求，并制定相應(yīng)的工作決策，從而開始工作進(jìn)程。在此過程中，可接收主體模塊1的控制指令；若有錯(cuò)誤也可進(jìn)行蜂鳴報(bào)警。其他技術(shù)特征與實(shí)施例1、實(shí)施例2、實(shí)施例3、實(shí)施例4、實(shí)施例5、實(shí)施例6相同。權(quán)利要求一種模塊化的災(zāi)害救援機(jī)器人，其特征在于它包括六邊形的主體模塊(1)以及位于主體模塊(1)上的機(jī)械臂(4)，主體模塊(1)與移動機(jī)構(gòu)(3)相連接；所述的主體模塊(1)包括利用總線技術(shù)進(jìn)行相互通信的識別單元、運(yùn)動控制單元、通信單元和總控單元，其中，識別單元識別移動機(jī)構(gòu)(3)的移動方式，運(yùn)動控制單元根據(jù)該移動方式建立運(yùn)動學(xué)模型并驅(qū)動移動機(jī)構(gòu)(3)運(yùn)動；所述機(jī)械臂(4)的本體是一個(gè)具有五個(gè)自由度的機(jī)器人操作臂，在操作臂上設(shè)有舵機(jī)和手部夾持機(jī)構(gòu)(13)，所述的舵機(jī)與總控單元相連接。2.根據(jù)權(quán)利要求l所述模塊化的災(zāi)害救援機(jī)器人，其特征在于所述的移動機(jī)構(gòu)(3)包括輪式底盤模塊(5)以及與其相連接的四個(gè)輪模塊(6)，每個(gè)輪模塊(6)均與一個(gè)電機(jī)相連接；所述的運(yùn)動控制單元包括與輪模塊(6)相連接的電機(jī)及其速度傳感器，電機(jī)的輸入端與電機(jī)驅(qū)動器相連接，電機(jī)驅(qū)動器的輸入端連接P麗信號發(fā)生器，P麗信號發(fā)生器的輸入端連接PID控制器，PID控制器的輸入端連接乘法器，所述的乘法器以速度傳感器采樣的當(dāng)前速度值和歷史速度值作為輸入信號。3.根據(jù)權(quán)利要求l所述模塊化的災(zāi)害救援機(jī)器人，其特征在于所述的移動機(jī)構(gòu)(3)包括履腿底盤模塊(7)以及與其相連接的四個(gè)履腿模塊(8)，四個(gè)履腿模塊(8)對稱分布。4.根據(jù)權(quán)利要求l所述模塊化的災(zāi)害救援機(jī)器人，其特征在于所述的移動機(jī)構(gòu)(3)包括全向輪底盤模塊(9)以及在全向輪底盤模塊(9)周向均勻分布設(shè)置的三個(gè)90。瑞典輪(10)。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述模塊化的災(zāi)害救援機(jī)器人，其特征在于將機(jī)械臂(4)各關(guān)節(jié)的電位器的阻值變化經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換后傳給總控單元，總控單元將其轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角度值后，傳給機(jī)械臂(4)上各關(guān)節(jié)的舵機(jī)。6.根據(jù)權(quán)利要求l所述模塊化的災(zāi)害救援機(jī)器人，其特征在于所述主體模塊(1)的實(shí)體架構(gòu)采用光敏樹脂材料，且其柱梁截面內(nèi)嵌。7.根據(jù)權(quán)利要求16任一所述模塊化的災(zāi)害救援機(jī)器人，其特征在于在主體模塊(1)上設(shè)有至少一個(gè)導(dǎo)軌(ll)，導(dǎo)軌(11)與任務(wù)模塊(2)相連接；所述的導(dǎo)軌(11)是指主體模塊(1)與任務(wù)模塊(2)的插接口。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述模塊化的災(zāi)害救援機(jī)器人，其特征在于所述的任務(wù)模塊(2)為影音傳送模塊、生命體征探測模塊、空間環(huán)境測量模塊、空間位置定位模塊、醫(yī)療救護(hù)模塊中的任意一種或幾種組合。專利摘要本實(shí)用新型公開了一種模塊化的災(zāi)害救援機(jī)器人，它包括六邊形的主體模塊以及位于主體模塊上的機(jī)械臂，主體模塊與移動機(jī)構(gòu)相連接；主體模塊包括利用總線技術(shù)進(jìn)行相互通信的識別單元、運(yùn)動控制單元、通信單元和總控單元，識別單元識別移動機(jī)構(gòu)的移動方式，運(yùn)動控制單元根據(jù)該移動方式建立運(yùn)動學(xué)模型并驅(qū)動移動機(jī)構(gòu)運(yùn)動；機(jī)械臂的本體是一個(gè)具有五個(gè)自由度的機(jī)器人操作臂，在操作臂上設(shè)有舵機(jī)和手部夾持機(jī)構(gòu)，舵機(jī)與總控單元相連接。本實(shí)用新型采用“積木式”的模塊化機(jī)械連接方案，運(yùn)用機(jī)械自適應(yīng)雙軌道導(dǎo)軌以完成“即插即用”功能，以主體模塊為平臺實(shí)現(xiàn)一物多用，可根據(jù)環(huán)境以及任務(wù)的種類快速組裝多種任務(wù)模塊。文檔編號B25J13/00GK201525026SQ20092022419公開日2010年7月14日申請日期2009年10月16日優(yōu)先權(quán)日2009年10月16日發(fā)明者張凱,張晨峰,李俊,李路,王清川申請人:李路