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八足仿生担架机器人

  • 课程名称八足仿生担架机器人
  • 所属学科本研究运用仿生学原理设计制作的八足仿生担架机器人系统。基于这种机器人功能和结构的特点,设计出了相应的机械结构、电路及控制程序。
  • 特征类别

一、引言在自然界中,八足动物具体稳定的爬行机制可以在复杂的路面,垂直的墙壁甚至倒立在天花板上行走。本研究运用仿生学原理设计制作的八足仿生担架机器人系统。基于这种机器人功能和结构的特点,设计出了相应的机械结构、电路及控制程序。并尝试将该机器人应用在各种灾难或事故现场,救护伤病员上,对改善救护人员匮乏、伤员搬运路途颠簸和姿态矫正,以及搬运时间过长等救护缺点方面有着积极的作用。二、设计思路21世纪以来,

  1. 详细信息

一、引言

在自然界中,八足动物具体稳定的爬行机制可以在复杂的路面,垂直的墙壁甚至倒立在天花板上行走。本研究运用仿生学原理设计制作的八足仿生担架机器人系统。基于这种机器人功能和结构的特点,设计出了相应的机械结构、电路及控制程序。并尝试将该机器人应用在各种灾难或事故现场,救护伤病员上,对改善救护人员匮乏、伤员搬运路途颠簸和姿态矫正,以及搬运时间过长等救护缺点方面有着积极的作用。

二、设计思路

21世纪以来,全球范围内自然灾害、灾难事故、公共卫生事件、社会安全事件等突发公共事件频发,已经严重影响了人类的生命与发展。我国每年因自然灾害、灾难事故以及社会治安等公共安全问题造成的GDP损失高达6%,并有约20万人被夺去生命。在各种灾难或事故现场,路面受到破坏,凸凹不平,使救护车无法到达现场,需要救护人员把伤病员从事故现场移送到救护车可到达的救护医疗点。然而很多伤病员由于在这段救援过程中,由于救援处理得不好,而造成了二次伤害,使得救援的效率大打折扣。如何采取有效的方法避免甚至消除二次伤害,已经成为救援工作的一大难题。

设计目的:该担架机器人的主要功能是实现伤病员智能运送,让专业的救护人员把伤病员从事故现场移送到救护车可到达的救护医疗点。另外,如果根据现场的伤病员实际需要,也可以将本担架做为临时的手术台,在担架上做简单的手术和包扎。

设计思路:本担架机器人针对地震灾区救援工作而制作,总体分为三大部分:行走机构部分、全方向控制部分和担架救护医疗部分。

行走控制机构:

由于灾后的各建筑物、植物都会有不同程度的毁坏,地面状况复杂恶劣,严重影响到及时的救援。针对地面复杂状况,行走机构实现了担架机器人的前进、后退、左转向、右转向的功能,使得全方向移动式担架机器人可以在灾区实现伤员的护送和救治。担架机器人的行走机构采用了关节型结构设计,具有相对较大的相对空间和绝对空间,保证了车可以适应灾后的地面状况,避免被物理石块卡死或者陷入裂缝中。

全方位控制部分:

灾区的地面环境恶劣,地表凹凸不平,极有可能会影响到担架的平衡,使担架产生不同程度的摆动,进而影响到伤员的身体姿态定位,我们根据路面的具体情况,通过遥控担架机器人运动,实现对担架机器人前进、后退、左转向、右转向的控制,使伤病员的身体在担架上尽可能的保持水平。同时也实现了多人搬运模式到自动控制的转换,节省了人力、物力。

担架救护医疗部分:

担架救护医疗部分主要是给伤员提供一个支撑躺卧的平台,以及实施必要的救护医疗措施。担架部分采用了一个独立的帆布担架,该担架与主体车可以自由拆卸,方便装载、固定伤员,该担架也可折叠,方便携带。吊瓶医疗部分可以在第一时间对伤员进行必要的输液,还有其他安放在车子上的药箱等医疗设备,都在一定程度上提高了救援的效率和成功率。

三、研究过程

(一)调查阶段——查阅相关资料,类比多种八足动物。

1.对八足动物生物原型进行调查剖析。

2.查找仿生机器人的发展现状。

3.研究阶段——确定生物模型。

(二)研究救生担架的应用现状。

1.根据救生担架的功能,确立模仿的生物的主要特质及原理。

     2.学习单片机基本知识。

(三)实现阶段——把八足动物模型映射成一个机械模型,设计制作仿生担架机器人实体。

1.机械机构的设计与制作。

机器人分别由8个独立的脚落地进行支撑,在每个脚与地接触点加上脚套以增加脚与地面接触时的摩擦力防止打滑。大部分的材料选用亚克力以使机器人的总体质量尽量减轻。

2.电路控制的设计与制作。

全方位移动式担架机器人模型控制系统采用分层控制结构,主要由3个模块组成,主控模块、行走模块、遥控模块,各模块独立,机械上可拆分,相互之间有接口相连,便于互换和维护。

3.控制程序的设计与制作。

控制程序负责对信息进行接收、处理、编码、发送等工作。由于采用ARM单片机作为主控制芯片,因而其主控制程序代码在专用的C语言开发环境下完成。该开发环境支持对代码的编译和内部仿真、逐行调试等功能。人机交互程序在vb语言环境下完成,该系统完成机器人的基本动作设置。

 

四、研究方法

1.文献研究法

本研究通过查阅国内外对担架机器人相关领域的研究论文,了解研究发展的动态,归纳相关研究的发展趋势。

2.快速原型法

先研究一个担架机器人样机,在研究过程中做出需求分析。使之达到设计的需求,并且能在现有条件下得以实现。

五、研究结果

经过一年的研发,我们研制出了全方位移动担架机器人的模型,该车经过多次试验已基本能在复杂路面行走。从仿生学的层面上建立一种有效的控制人机控制构架,实现担架机器人模型在非结构环境里的自动搬运任务。

(一)行走部分

材料的选取:全方位移动式担架机器人模型的机械系统的机械配件选取了质量轻、强度高的亚克力材料,每个舵机可以通过结构板的工艺孔进行安装和拆卸,经过配置不同的控制驱动舵机,可以爬行大小不一的坡度,配置控制驱动舵机的扭力越大,担架机器人行动的稳定控制的越好。因此我们最后确定采用扭力为13公斤的控制舵机作为控制稳定性的动力驱动。

机器人组装:担架机器人行走时一般不是多足同时直线前进,而是将其分成两组。同一时间只有一组起行走作用,另一组起支撑作用。所以我们将控制电路板安装在框架板的上方,分别在框架板左右两侧安装多组运动部件,每组由两个舵机及多个配件组成。这种组装方式由两个舵机作为一组,其中一个舵机控制左右摆动,另一个舵机控制前后摆动,通过若干组系列摆动动作的组合,使机器人能够进行前进、后退、转弯等动作。

(二)控制部分

全方位移动式担架机器人模型控制系统采用分层控制结构,主要由3个模块组成,主控模块、行走模块、遥控模块,各模块独立,机械上可拆分,相互之间有接口相连,便于互换和维护。

主控制模块:担架机器人的主控制模块作为控制系统的调度核心,实时响应用户命令,实现对机器人的任务调度,对行走控制模块与遥控控制模块的信息处理,根据其它模块的返回结果和命令,实现对担架机器人的全程控制。

遥控控制模块:两种方式。第一种是按键控制,通过4个按键控制机器人动作控制,实时调度担架机器人的行进路线。第二种是电脑控制,通过拉动各个舵机对应的拉条分别控制舵机的转动角度,每个角度在0~180度之间。

行走控制模块:实时接收主控模块发送的指令,从而控制舵机的旋转角度和运转速度,完成担架机器人的稳定行走。

(三)机器人试验结果

全方位移动式担架机器人的试验主要利用遥控躲避路面上的障碍,并将轨迹信息送到主控模块,主控模块计算出行走方案,指挥舵机控制模块,控制行走部分,最终使担架机器人可以稳定的行走并将伤员送到指定地点。

六、结束语

本课题的研究是对在地震、海啸、泥石流、台风、矿难及车祸事故等灾难后的智能救护医疗设备研发做出的大胆、有益的尝试。希望能使受灾地区摆脱因人力不够、伤员救护方式单一落后、救援时间缓慢而影响救灾进度的窘境。


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