六轮式多功能智能抢险机器人的设计

    吉双章 曾实现 马玉华

    摘 要：针对各种自然灾害和突发情况下，各种救援工具难以在短时间内聚集使用，我们设计了六轮式智能抢险机器人。该车能实现自动避障、道路除障、火灾救援、物品搬运、高空营救、多地形越野等功能。利用光电开关，人体热释，火焰传感，红外测距，烟雾气敏传感器检测周围环境，做出反应。运用机械手臂进行道路除障，连杆机构式的升降云梯装置能够实现高空救援，六轮式越野底盘设计能够适应各种各样复杂的地形条件。

    关键词：传感器；机械手臂；升降云梯；六轮越野底盘

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

    1 研制背景及意义

    在21世纪的今天，由于自然灾害、恐怖活动和各种突发事件等原因，灾难经常发生[1]。在灾难救援中，救援人员只有非常短的时间用于在倒塌的废墟中寻找幸存者，发现幸存者的几率非常低，即便发现后，由于周围环境的复杂情况，很难实施救援，特别是发生重大安全事故和自然灾害后，由于无法马上进行救援行动，导致大量人员伤亡[2]。通过对该机器人的研制，可以有效地减少人员伤亡和生命财产损失，机器人本身可以进行夜间不间歇的工作，工作效率非常高，因此具有研究价值和实际应用价值。

    2 硬件电路设计

    2.1 光电开关

    光电开关是由发射器、接收器和检测电路三部分组成。发射器对准目标发射光束，发射的光束一般来源于发光二极管（LED）和激光二极管。光束不间断地发射，或者改变脉冲宽度。受脉冲调制的光束辐射强度在发射中经过多次选择，朝着目标不间接地运行；接收器有光电二极管或光电三极管组成。在接收器的前面，装有光学元件如透镜和光圈等。在其后面的是检测电路，它能滤出有效信号和应用该信号。我们通过光电开光传感器检测前方障碍物，当前方检测到障碍物时，传感器将信号传输给单片机，该车停止前进，机械手臂自动清除障碍物，该车继续前进。

    2.2 传感器电路设计

    火焰传感器是机器人专门用来搜寻火源的传感器。其利用红外线对管对火焰非常敏感的特点，使用特制的红外线接受管来检测火焰，然后把火焰的亮度转化为高低变化的电平信号，输入到中央处理器中，中央处理器根据信号的变化做出相应的程序处理；热释电传感器是对温度敏感的传感器，检测人体或者动物的活动传感。当前方有人员经过时，传感器会检测到人体的热量变化，将检测信号发送给单片机，该车停止前进，并输出语音警告；超声波测距原理是通过超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播时碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时；气敏电阻传感器就是一种将检测到的气体的成分和浓度转换为电信号的传感器。是利用气体的吸附而使半导体本身的电导率发生变化这一机理来进行检测的；驱动电路主要是基于51单片机设计的电机驱动电路，有5V稳压模块和L298N电机驱动模块组成，可以外接传感器模块，以便更好地实现对该车的自动控制。

    3 机械结构设计

    3.1 六轮式越野底盘

    采用六驱承重小车底盘，电机规格12V230转，轮子结构直径85mm，机械承重10KG左右，空载电流510MA（12V时），理论空载行进速度56米/分钟（12V时）[2]。六轮驱动越野性能强劲，能够适应各种灾后地形路况，可以穿越大部分的复杂路段，也可以爬楼梯。同时在前两轮之间还有一个减震装置，可以有效减少穿越复杂路段时带来的震动。

    3.2 机械手臂

    机械手臂的动力系统由6个LDX-335MG数字舵机组成，工作电压6-7.4V，空载电流100mA，堵转扭矩15KG/cm 6V，17KG/cm 7.4V，虛位小，寿命长，防烧耐高温。前部机械手回转角度180度，夹持前部最大开度55mm，夹持最宽距离98mm，能抓取200g左右物体[3]。所有支架配件均采用2mm厚度的铝板，从而有效的提高了机械手自身的稳定性，转向关节处均采用进口杯式轴承，不仅可以使转向更加灵活，而且还可以使舵机的转向在同一圆心。控制系统可通过PS2无线手柄进行控制，还可以通过蓝牙通信实现对该机械手臂的控制，可以实现机械手的前后、上下及左右抓取搬运的功能。

    3.3 升降移动云梯

    可升降移动云梯采用连杆式结构，由两个5V电压的电机带动，最高升降30CM，可载重2KG。连杆式结构能实现云梯平稳的升降，既节省了空间，又能够实现快速的升降，给高空救援带来了极大的便利。

    3.4 太阳能电池板

    随着时代的高速发展，能源问题越来越突出，所以在我们的救援车上将采用太阳能电池板和锂电池共同为车子提供动力。此太阳能电池板采用多晶硅的材质，装换太阳能的效率更高，能输出5V电压，为传感器提供能源。

    4 总结

    机器人救援就可以用自身所带的云梯可以快速、安全地救出被困人员，尤其是在高楼等地方被困住的人员。此功能的实现主要是靠火焰传感器来识别前方存在的火源，然后将信号传给单片机进行处理，小车停止前进，语音模块进行报警，最后由电机带动水泵将前方发现的火源扑灭。六轮式底盘越野设计，可以轻松应对各种地形，在地震发生后，房屋倒塌，山体滑坡等地形，该车都能迅速越野，增加宝贵的救援时间。

    参考文献：

    [1]杨大明，王磊，陈杰，吴兆宏.煤矿救灾机器人的基本安全性能要求[J].煤矿安全，2015（12）：104-107.

    [2]陈利明.抢险机器及机器人的研究与实际应用[J].机器人技术与应用，2015（04）：20-22.

    [3]吴占臣，冯开林.遥控抢险机器人及其关键技术研究[J].液压与气动，2015（09）：28-29.