自主柔性变形蛇形机器人控制系统设计

针对搜救机器人对多信息获取与处理、远程监控与运动控制的实时高性能需求,设计了以ARM微处理器STM32为核心、多传感器融合的自主柔性变形蛇形机器人控制系统,实现了机器人的远程监控与运动控制、多传感器环境信息采集等功能。整个控制系统具有良好的扩展性、硬件可裁剪性。通过模拟灾难废墟场景实验,结果表明：蛇形机器人控制系统可实现多信息的实时准确无线通信,在不同的环境中,具有良好的多步态运动稳定性和自主移动性能。     

基于遗传算法的蛇形机器人CPG模型参数优化

针对蛇形机器人采用的循环抑制CPG模型,为解决CPG控制模型中参数整定效率低、不稳定的问题,阐述基于CPG模型的蛇形搜救机器人控制系统总体方案的设计,提出一种基于遗传算法的CPG控制模型参数优化方法,实现链式CPG网络的节律输出。仿真实现蛇形搜救机器人各关节控制信号的有效输出,仿真结果表明,该方法具有高效、准确、稳定等优点,可有效应用于蛇形搜救机器人的步态控制。     

内窥镜式生命搜救仪的送进机器人设计与分析

针对地震废墟环境,为扩大内窥镜式生命搜救仪的搜救范围,使其能够被送进到狭小的废墟缝隙中,研制了一种用于废墟搜救的内窥镜式生命搜救仪的送进机器人.首先,对镜体的送进机理以及机器人结构作了详细的理论分析,然后对分析结果进行了运动学仿真验证,并据此设计出机器人样机.通过多机器人协作,配合前拉后推的送进方式和头部偏转机构的方向控制,可以逐节渐进式地将柔性内窥镜镜体送进到废墟缝隙中.样机实验结果表明,该机器人能够平稳有效地完成对柔性内窥镜镜体的送进工作.     

基于远程控制的六足搜救机器人系统的设计

针对灾后现场环境的危险性与复杂性,设计了一套搜救机器人系统;在基于仿生学的基础上设计机器人六足式移动平台,以Atmega128型单片机为控制核心,通过步态与动作控制,使之具有强大的越障能力和机体灵活性;整个搜救系统分为机器人系统和控制中心系统两大部分;机器人系统配有完备的传感器模块以及高清摄像头,通过无线传输技术,可在0～1 000 m范围内实现向控制中心系统上位机的数据与图像传输,并接受上位机控制指令,控制中心根据采集到的信息,可以有效指挥现场搜救人员,大大提高了搜救速度与效率。     

多功能搜救机器人设计

地震、火灾、矿难等事故会给人们的生命及财产造成极大的危害,而且灾难现场情况复杂,在情况不明的情况下,救援人员难以开展救援工作。本文针对上述情况提出了一种多功能搜救机器人的设计方案。该搜救机器人通过热释传感器与摄像头的配合,来寻找幸存者,搜救人员通过蓝牙对该机器人远程控制,并通过摄像头传回的信息及时掌握搜救现场的情况,还利用了软件延时的方法来实现多路PWM波输出,在不增加任何硬件接口的前提下,实现了8路PWM波的输出。运行过程中,机器人采集现场的温度及烟雾浓度数据,车载三自由度机械手搬运物体,为救援人员提供现场的环境信息。该机器人移动平台采用的结构,具有更好的稳定性和爬坡能力。实验表明,该机器人能在搜救人员的控制下快速、准确地搜索到目标。     

基于多传感器融合的全地形机器人系统设计

针对因强降雨、堤防溃决、暴雨增水等因素导致的水位突然上升而泛滥和山洪暴发,形成复杂多变灾后的地形环境。设计了以FPGA为控制器的多传感器融合机器人,提高灾后救援效率。该机器人通过GPS为机器人作业划定区域,生命特征仪、力矩仪和空气质量仪等传感器采集环境数据,搭建非线性全地形机器人动态模型,利用六轴陀螺仪和霍尔传感器获取机器人状态,数据经过扩展卡尔曼滤波算法融合以及航迹算法推算后,获得机器人在灾后环境中的实际信息,使得机器人能够按要求进行搜救作业。实验结果表面,多传感器融合的机器人系统,能够在灾后环境完成信息采集与传输,具有较高的稳定性及准确性。     

蜿蜒步态下的蛇形机器人路径跟踪控制研究

在面向灾区救援等针对蛇形机器人蜿蜒运动的直线路径跟踪效果差的问题,本项目提出基于滑模控制理论的方向控制器,有效收敛了蛇形机器人在稳态时的运动误差。针对蛇形机器人头部晃动影响头部传感器获取有效数据的难题,创新地提出基于补偿函数的头部控制方法,使得蛇头的运动方向与蛇身整体的运动方向一致,保证了蛇头相机拍摄的可读性和传感器测量的准确性,便于机器人准确地感知环境,确保在转弯时机器人整体呈蛇形曲线。     

基于STM32的球形机器人设计与实现

为了提升灾后救援的侦测能力,解决信息获取问题,给救援人员搜集提供更多更具体的救援信息,以制定科学高效的救援方案。通过对比地面废墟搜救机器人通用技术要求,设计了基于STM32单片机为控制核心的球形救援侦测机器人。球形机器人根据自适应搜索和人机配合辅助搜索,结合摄像头以及5.8 G图传模块将图像信息传输给用户终端,实现用户人机交互使用,通过摇杆控制机器人完成高难度的动作。同时装设的TCRT5000红外探头可以自动追寻黑色轨迹,当机器人的超声波传感器检测到障碍物时,蜂鸣器以及报警灯会动作,发出报警信号,提醒调整侦测方向,完成救援侦测任务。     

救援机器人远程监控平台的设计与实现

以救援机器人为研究背景,详细介绍了远程监控平台的设计方案和系统架构,包括硬件结构、底层软件和上层应用软件的设计和实现。该救援机器人通过便携式操控箱实现远程监控,具有人机交互友好、操作灵活、携带方便等特点。实践结果表明,该平台能很好地实现机器人远程操控和传感器信息的传输,有助于机器人在灾难环境中更好地开展探测和搜救工作。     

矿山救援机器人群设计

针对目前矿山机器人适应性差、通信能力弱、机动性差等问题,设计了矿山救援机器人群。该机器人群主要包括通信机器人、搜救机器人、辅助救援机器人和数据处理中心。通信机器人利用超宽带雷达进行生命探测,找出被困人员的具体位置,同时通过内置中继设备保证救援过程中的信息传输;搜救机器人按照实时路径规划行驶并传回音频、视频、井下环境信息,在找到被困人员之后充当通信设备,构建救援人员与被困人员的通信渠道;辅助救援机器人包括负责打通救援路径的清障机器人和为被困人员输送救援物品的物资运送机器人;数据处理中心根据被困人员位置信息,通过GIS规划搜救机器人的搜救路线,并根据井下实时信息进行路径修正。机器人群中各类机器人相互协作、功能互补、信息统一化处理,可有效减少因灾后环境不明而带来的二次伤害,提高救援效率。     

一种蛇形机器人的结构设计与研制

蛇形机器人(以下简称机器蛇)因其身体细长和环境适应能力强的优点被广泛应用于不适宜人类工作的领域.介绍了一种仿生机器蛇的设计与制作.设计时选用体积小、动力足的P0090舵机作为机器蛇驱动,Atmega128和Atmega8单片机作为控制器.HPD8506A作为无线数据发射模块,完成PC与机器蛇的数据传输.根据舵机尺寸逆向设计关节、蛇头和蛇尾,采用正交关节连接方式装配,实现机器蛇蜿蜒、蠕动等多步态的移动,加载的红外避障传感器保障了机器蛇能安全躲避障碍物.此系统的研究为今后机器蛇在狭小管道或高空缆绳上攀爬并完成检测任务奠定基础.     

蛇形机器人互补滤波和四元数的姿态解算

针对蛇形机器人姿态解算问题,陀螺存在漂移特性,加速度计的测量值包含重力加速度和运动加速度,磁强计易受周围环境地磁干扰,并且蛇形机器人采用嵌入式微处理器,需要减少计算量.设计了用互补滤波器来实现惯性传感器的数据融合,用四元数进行姿态解算的方法.经过实验验证表明：采用互补滤波和四元数进行姿态解算能有效融合各个惯性传感器的数据,计算量小,能够满足蛇形机器人对精度和实时性的要求.     

基于双粒子群算法的矿井搜救机器人路径规划

针对在复杂地形中标准的粒子群算法用于矿井搜救机器人路径规划存在迭代速度慢和求解精度低的问题,提出了一种基于双粒子群算法的矿井搜救机器人路径规划方法。首先将障碍物膨胀化处理为规则化多边形,以此建立环境模型,再以改进双粒子群算法作为路径寻优算法,当传感器检测到搜救机器人正前方一定距离内有障碍物时,开始运行双改进粒子群算法:改进学习因子的粒子群算法(CPSO)粒子步长大,适用于相对开阔地带寻找路径,而添加动态速度权重的粒子群算法(PPSO)粒子步长小,擅长在障碍物形状复杂多变地带寻找路径;然后评估2种粒子群算法得到的路径是否符合避障条件,若均符合避障条件,则选取最短路径作为最终路径;最后得到矿井搜救机器人在整个路况模型中的最优行驶路径。仿真结果表明,通过改进学习因子和添加动态速度权重提高了粒子群算法的收敛速度,降低了最优解波动幅度,改进的双粒子群算法能够与路径规划模型有效结合,在复杂路段能够寻找到最优路径,提高了路径规划成功率,缩短了路径长度。     

Analysis of Creeping Locomotion of a Snake-like Robot on a Slope

The diverse locomotion modes and physiology of biological snakes make them supremely adapted for their environment. To model the noteworthy features of these snakes we have developed a snake-like robot that has no forward direction driving force. In order to enhance the ability of our robot to adapt to the environment, in this study we investigate the creeping locomotion of a snake-like robot on a slope. A computer simulator is presented for analysis of the creeping locomotion of the snake-like robot on a slope, and the environmentally-adaptable body shape for our robot is also derived through this simulator.     

A rescue robot system for collecting information designed for ease of use — a proposal of a rescue systems concept

A remote controlled robot for collecting information in disasters, e.g. earthquakes, is one of most effective applications of robots, because it is very dangerous for human beings to locate survivors in collapsed buildings and, in addition, small robots can move into narrow spaces to find survivors. However, previous rescue systems that use robots have a significant problem — a shortage of operators. In catastrophic disasters, in order to save victims, we must explore wide areas within a limited time. Thus, many rescue robots should be employed simultaneously. However, human interfaces of previous rescue robots were complicated, so that well-trained professional operators were needed to operate the robots and, thus, to use many rescue robots, many professional operators were required. However, in such catastrophic disasters it is difficult to get many professional operators together within a short time. In this paper we address the problem and propose a concept of rescue team organization in which professional rescue staff and volunteer staff work together for handling a catastrophic disaster. We point out the necessity for rescue robots which can be operated easily by non-professional volunteer staff. To realize a rescue robot which can be operated easily, we propose a rescue robot system which has a human interface seen in typical, everyday vehicles and a snake-like robot which has mechanical intelligence. We have demonstrated the validity and the effectiveness of the proposed concept by developing a prototype system.     

基于无线传感器网络的气体泄漏源定位机器人设计

如何确定有害气体泄漏源的位置是机器人主动嗅觉要解决的关键问题。围绕移动机器人气体泄漏源定位问题,将Z字形算法和浓度梯度法相结合用于机器人气味源搜索运动控制,使其快速找到气味源。同时,在传统的移动嗅觉机器人上增加了无线传感器定位模块,使操作人员在远离泄漏源的电脑上即可获得气味源的坐标信息。实验证明：机器人可以找到泄漏源,并确定气味源位置,搜索效率比单独使用浓度梯度法高。     

可变形灾难救援机器人控制站系统的设计与实现

针对灾难救援应用领域具体需求,提出了控制站系统的设计原则.基于人机交互技术,设计了可变形灾难救援机器人控制站系统,该系统具有感知信息完整、操控灵活、界面友好、交互性强等特点.通过灾难救援模拟环境进行实验,验证丁该控制站系统可以实现机器人在复杂环境中的运动控制、多通道信息交互等功能,在灾难救援等领域具有可行性及有效性.