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一种双电源供电的勘探机器人的设计实现

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邱婉婷

【摘要】机器人具有高精度，高可用性和在高风险环境中高效的优势。它在各个领域，如工业，农业，电子，物流，军工行业起着重要的作用，尤其是在行业风险高的产业。随着频繁使用机器人，需要灵活，智能和人机交互变得越来越迫切。因此，机器人释放了一定的生产力，减使得人力资源成本减少至一定程度，并且提高了工业生产过程中产品的质量。本文讨论了机器人技术的发展现状和应用领域，阐述了国内外机器人技术的研究现状，在美国，德国，日本和中国工业机器人的研究进行了总体的描述。本文还提出一种具有信息采集及地图构建、路径选择与规划、远程遥控样本抓取的勘探机器人。它可以解决现阶段行业存在的能源消耗问题，具有一定的社会意义。

【关键词】仿生机器人;双电源供电;履带底盘设计

随着机械自动化和通信技术的发展，机器人产业及其在工业生产和社会生活中的重要作用越来越大。作为一个复杂的技术，是集成电路，工业制造，传感器和编程等技术的有机合并。经过几十年的发展，机器人技术已经成为工业生产自动化的重要组成部分，广泛应用于各种工业生产领域。中国对机器人的探索相对较晚，但机器人相关技术的发展也在国家层面受到了重视。由于机器人具有精度高，在高风险地区高效和适用性强等优点，它们在各个领域，如工业，农业，电子，物流和军事等都发挥着重要的作用，特别是在劳动强度大的领域和高风险的行业。于是，本文重点关注机器人研究，设计了一种双电源供电的能源勘探机器人。机器人主要由仿生抓取手臂、低功耗信息传输模块、自追踪太阳能电池板、履带缓震底盘四大部分组成。仿生抓取手臂分为抓取执行机构和体感控制机构，通过采集人手运动信息，实现执行机构的同步工作，代替勘探人员工作，节约能源。低功率信息传输模块确保设备在恶劣的勘探环境中正常运行。太阳能电池板作为辅助能源采集装置，自追踪的设计实现了始终的最强光照，提高能源采集效率。履带式底盘具有强大的缓冲越野能力，适用于野外复杂的地形。

1.功能介绍

1.1仿生机械装置原理

为了实现高效样本采集，节约人工成本。设计了一种由机械操作手套和机械臂两部分组成的采样机构。主要实现了一种利用多传感器采集人体手掌动作信息，进而利用无线传输模块将动作信息传输至机械臂控制器，实现对于机械臂的远程遥控操作。机械手套通过传感器采集人体手掌动作，利用无线传输模块将信息传输至机械臂控制模块（STM32嵌入式系统）。嵌入式系统在接收信息后，根据指令输出定量占空比的PWM波，控制舵机旋转角度，从而实现使机械臂的各个关节转过与人手指转动相同的角度。通过加装超声波传感器，能使机械臂移动到需要抓取目标所处最佳位置完成工作。

1.2抓取结构控制

首先对手指运动方式进行运动学模型转换。分析得，在实际的抓取过程中，多依靠关节转动完成其运动动作。因此本系统采用了直线驱动机构选取最简单的滑块-曲柄机构进行模型建立。同时为探究整个机械手抓举力，通过对单个指关节进行受力分析。F表示外力大小，单位为N。表示指节转过的角度。L表示连杆的长度，单位为mm。（图1）

通过实际测量实验得，每根机械臂手指的提升力为10Kg左右，对自然状态（指节之间角度为45°）下每个手指进行受力分析得：F=10×10=100N;=45°;L=15。

由力平衡条件：，得：

（1）

由单个手指的力学性能分析可得到全手的力学性能。其中，作为采摘机器人性能的重要考察指标，其最大抓取力为：。

1.3自追踪太阳能电池板

由于设备工作环境常在户外开阔场地，阳光充沛，为了高效进行太阳能采集，设计依靠光敏电阻进行光强度监测，进而控制云台旋转朝向光强最强角度，进行能量收集。

通过对该新型跟踪机构进行空间位姿分析及实验研究，实验结果显示：该机构跟踪太阳的方位角可以达到360°，俯仰角能达到110°，基本实现了对太阳的全方位的跟踪。该机构输出位姿数值解与实测值平均误差分别为1.8%、2.6%、0.84%，表明该机构跟踪太阳的精度较高。此外，该机构电机驱动能耗约为传统二轴跟踪机构的25%。

通过追日跟踪和固定安装的利用率对比发现（实验A电池板进行追日跟踪，实验B电池板固定倾斜安装，实验A、B在相同环境条件下特性相同的蓄电池进行充电）：

由图2、3可知，在11：00～14：00时间段里，太阳能电池板追日自动跟踪的效率相比固定式提高不多，而在其他时刻电池板的发电效率平均提高28%～35%。

本装置所載太阳能电池板功率为12w（约0.1m^2），重量约为5斤左右，选用直流减速电机37GB520，额定功率10W;光敏传感器模块4个，工作电压3.3v，15mA。电机工作累计时间：设从早晨8时到下午6时，每30min调整一次，每次调整用时5s，则工作时间为100s，合计0.027h。则直流电机、光敏传感器日耗电量估算