基于慧魚系統的無人綜合搶險車的設計

谷鳳民+居鶼+楊偉榮

摘要：以慧魚創意組合模型為平臺，設計出一種智能機器人識別小車。小車利用傳感器進行循跡。控制軟件為ROBO Pro，可控制機器人完成一系列復雜動作：如尋找軌跡——沿軌跡行走——識別火源——自動滅火等。

關鍵詞：慧魚系統；智能機器人；創新設計

引言

慧魚創意組合模型是由德國發明家Artur Fisher博士于1964年發明的。它具有一般機械所具有的零部件，如齒輪、電機、電氣開關等，通過聲、光、電和輔助技術的配合，能夠模擬各種機械運動和機械設備的自動控制，而且有比較真實的功能。它利用工業標準的基本構件（機械元件、電氣元件、氣動元件），輔以傳感器、控制器、執行器和軟件的配合，運用設計構思和實踐分析，可以實現任何技術過程的還原，更可以實現工業生產和大型機械設備操作的模擬。

1、基于慧魚系統的無人綜合搶險車的設計

無人綜合搶險車系統是一個典型的機電一體化系統。它由機械部分、傳感部分、控制部分三大部分組成。這三大部分可分為驅動系統、機械結構系統、感知系統、智能小車-環境交互系統、人-機交互系統、控制系統六個子系統。

1.1 無人綜合搶險車的功能

無人綜合搶險車按功能可分為循跡功能、距離識別功能、火焰識別功能、自動噴水功能。循跡功能可分為尋找軌跡和循跡前進。智能小車主要任務要求為：先尋找軌跡→沿軌跡行走→遇到障礙停止→機械臂伸出尋找火源→噴水裝置工作→繼續判斷火源→停止噴水→機械臂收回。功能分類如圖1所示。

1.2 無人綜合搶險車的A/D轉換

圖1功能圖

和數字量輸入返回1和0值不同，模擬量輸入可以分辨連續的輸入，所有的模擬量輸入返回一個0～1023之間的值。而ROBO接口板有各種不同的模擬量輸入接口來測量不同的物理量。具體來說，模擬量輸入可以適應用來測量電阻，測量電壓和測量距離的不同的傳感器。如表1所示。

通常的慧魚傳感器中，溫度傳感器和光電傳感器將被測量轉換成電阻值。所以必須將這些傳感器接到AX和AY輸入端。電壓輸入端A1和A2設計用來連接所有產生0到10V電壓的傳感器。在ROBO接口板上沒有針對AV輸入端的端口，它通常和接口板的電源電壓相關聯。距離傳感器輸入端D1和D2可以接到慧魚特殊傳感器，可以測量障礙物的距離。

表1模擬量輸入

輸入端輸入類型測量范圍A1,A2電壓輸入0-1023VAX,AY電阻輸入0-5.5KΩD1,D2距離傳感器輸入Ca.0-50cmAV電源電壓0-10圖2行走部分運動示意圖

2、無人綜合搶險車機械部分設計過程

2.1行走部分

由兩個9v/2.4w大功率馬達帶動履帶上的兩個驅動齒輪旋轉，由驅動齒輪和引導齒輪帶動履帶運動，由于履帶較長，中間部位需加支撐輪，如圖2所示。

2.2 機械臂部分

無人綜合搶險車的機械臂由直流電機控制，當機械臂前端的紅外傳感器檢測到火源，車輛就立刻停止，然后確定火源的準確位置，在機械臂上升的同時，機械臂向前伸出，但與火源保持安全距離，如圖3(上升)、圖4（伸出）所示。

圖3機械臂上升圖4機械臂伸出

2.3 噴水裝置設計

如圖5所示，通過傳感器檢測火源，將檢測信號傳送給ROBO控制板，經處理后將信號發送給氣泵，氣泵給儲水罐加壓，噴頭噴水滅火。滅火結束，傳感器將信息傳給控制板，控制板控制氣泵和電子氣閥，將氣罐中的高壓氣體放出，氣泵停止工作。

圖5噴水裝置功能圖

2.4 控制板接線

慧魚智能接口板自帶微處理器（如圖6），通過串口與計算機相連。在機器人系統中，連接線就是其神經，它將輸入、輸出原件與主控器連接起來，起著傳遞信息的作用。為了保證機器人能夠正常運行，質量可靠的連接線是必不可少的。為了保證控制面板的整潔美觀，也防止散亂的連接線阻礙機器人的正常運動。

圖6ROBO控制板接線圖

3、自動程序控制的設計

自動控制是通過電腦將編好的程序下載到控制器的微處理器內，它可以脫離計算機獨立地處理程序的功能，使機器人在無人的情況下自動運行，也可以到達危險地方進行探測，但在突發情況時不易控制。如圖7所示，自動控制程序控制簡單，定位準確，滅火精度高。

圖7程序圖

4、作品

利用慧魚模塊，按照設計思路進行組裝，經過調試，產品能完成預定功能，符合預定的設計要求。下面為作品的三維造型圖（圖8）和實物圖（圖9）。

圖8三維造型圖

圖9實物圖

5、結束語

該設計可以檢測到火源并進行噴淋，但目前只是限于慧魚創意組合的設計階段，還沒有將研究的成果應用于實踐中。對應噴水裝置可以考慮使用高壓水泵來代替，而對火源的檢測和滅火裝置，由于慧魚的器材是塑料的，故用燈光代替火源。

［參考文獻］

［1］慧魚ROBO TX CONTROLLER 說明書（7-10頁）.

［2］慧魚創意機器人設計與實踐教程（上海交通大學出版社，曲凌 編）（11-13頁）.

［3］機械原理（第七版）（西北工業大學機械原理及機械零件教研室編）（13頁）.

［4］ROBOpro軟件中文手冊（7-10頁）.

（作者單位：1.寧夏大學機械工程學院, 寧夏銀川 750021；2.中國電信集團系統集成寧夏分公司，寧夏 銀川 750021）

摘要：以慧魚創意組合模型為平臺，設計出一種智能機器人識別小車。小車利用傳感器進行循跡。控制軟件為ROBO Pro，可控制機器人完成一系列復雜動作：如尋找軌跡——沿軌跡行走——識別火源——自動滅火等。

關鍵詞：慧魚系統；智能機器人；創新設計

引言

慧魚創意組合模型是由德國發明家Artur Fisher博士于1964年發明的。它具有一般機械所具有的零部件，如齒輪、電機、電氣開關等，通過聲、光、電和輔助技術的配合，能夠模擬各種機械運動和機械設備的自動控制，而且有比較真實的功能。它利用工業標準的基本構件（機械元件、電氣元件、氣動元件），輔以傳感器、控制器、執行器和軟件的配合，運用設計構思和實踐分析，可以實現任何技術過程的還原，更可以實現工業生產和大型機械設備操作的模擬。

1、基于慧魚系統的無人綜合搶險車的設計

無人綜合搶險車系統是一個典型的機電一體化系統。它由機械部分、傳感部分、控制部分三大部分組成。這三大部分可分為驅動系統、機械結構系統、感知系統、智能小車-環境交互系統、人-機交互系統、控制系統六個子系統。

1.1 無人綜合搶險車的功能

無人綜合搶險車按功能可分為循跡功能、距離識別功能、火焰識別功能、自動噴水功能。循跡功能可分為尋找軌跡和循跡前進。智能小車主要任務要求為：先尋找軌跡→沿軌跡行走→遇到障礙停止→機械臂伸出尋找火源→噴水裝置工作→繼續判斷火源→停止噴水→機械臂收回。功能分類如圖1所示。

1.2 無人綜合搶險車的A/D轉換

圖1功能圖

和數字量輸入返回1和0值不同，模擬量輸入可以分辨連續的輸入，所有的模擬量輸入返回一個0～1023之間的值。而ROBO接口板有各種不同的模擬量輸入接口來測量不同的物理量。具體來說，模擬量輸入可以適應用來測量電阻，測量電壓和測量距離的不同的傳感器。如表1所示。

通常的慧魚傳感器中，溫度傳感器和光電傳感器將被測量轉換成電阻值。所以必須將這些傳感器接到AX和AY輸入端。電壓輸入端A1和A2設計用來連接所有產生0到10V電壓的傳感器。在ROBO接口板上沒有針對AV輸入端的端口，它通常和接口板的電源電壓相關聯。距離傳感器輸入端D1和D2可以接到慧魚特殊傳感器，可以測量障礙物的距離。

表1模擬量輸入

輸入端輸入類型測量范圍A1,A2電壓輸入0-1023VAX,AY電阻輸入0-5.5KΩD1,D2距離傳感器輸入Ca.0-50cmAV電源電壓0-10圖2行走部分運動示意圖

2、無人綜合搶險車機械部分設計過程

2.1行走部分

由兩個9v/2.4w大功率馬達帶動履帶上的兩個驅動齒輪旋轉，由驅動齒輪和引導齒輪帶動履帶運動，由于履帶較長，中間部位需加支撐輪，如圖2所示。

2.2 機械臂部分

無人綜合搶險車的機械臂由直流電機控制，當機械臂前端的紅外傳感器檢測到火源，車輛就立刻停止，然后確定火源的準確位置，在機械臂上升的同時，機械臂向前伸出，但與火源保持安全距離，如圖3(上升)、圖4（伸出）所示。

圖3機械臂上升圖4機械臂伸出

2.3 噴水裝置設計

如圖5所示，通過傳感器檢測火源，將檢測信號傳送給ROBO控制板，經處理后將信號發送給氣泵，氣泵給儲水罐加壓，噴頭噴水滅火。滅火結束，傳感器將信息傳給控制板，控制板控制氣泵和電子氣閥，將氣罐中的高壓氣體放出，氣泵停止工作。

圖5噴水裝置功能圖

2.4 控制板接線

慧魚智能接口板自帶微處理器（如圖6），通過串口與計算機相連。在機器人系統中，連接線就是其神經，它將輸入、輸出原件與主控器連接起來，起著傳遞信息的作用。為了保證機器人能夠正常運行，質量可靠的連接線是必不可少的。為了保證控制面板的整潔美觀，也防止散亂的連接線阻礙機器人的正常運動。

圖6ROBO控制板接線圖

3、自動程序控制的設計

自動控制是通過電腦將編好的程序下載到控制器的微處理器內，它可以脫離計算機獨立地處理程序的功能，使機器人在無人的情況下自動運行，也可以到達危險地方進行探測，但在突發情況時不易控制。如圖7所示，自動控制程序控制簡單，定位準確，滅火精度高。

圖7程序圖

4、作品

利用慧魚模塊，按照設計思路進行組裝，經過調試，產品能完成預定功能，符合預定的設計要求。下面為作品的三維造型圖（圖8）和實物圖（圖9）。

圖8三維造型圖

圖9實物圖

5、結束語

該設計可以檢測到火源并進行噴淋，但目前只是限于慧魚創意組合的設計階段，還沒有將研究的成果應用于實踐中。對應噴水裝置可以考慮使用高壓水泵來代替，而對火源的檢測和滅火裝置，由于慧魚的器材是塑料的，故用燈光代替火源。

［參考文獻］

［1］慧魚ROBO TX CONTROLLER 說明書（7-10頁）.

［2］慧魚創意機器人設計與實踐教程（上海交通大學出版社，曲凌 編）（11-13頁）.

［3］機械原理（第七版）（西北工業大學機械原理及機械零件教研室編）（13頁）.

［4］ROBOpro軟件中文手冊（7-10頁）.

（作者單位：1.寧夏大學機械工程學院, 寧夏銀川 750021；2.中國電信集團系統集成寧夏分公司，寧夏 銀川 750021）

摘要：以慧魚創意組合模型為平臺，設計出一種智能機器人識別小車。小車利用傳感器進行循跡。控制軟件為ROBO Pro，可控制機器人完成一系列復雜動作：如尋找軌跡——沿軌跡行走——識別火源——自動滅火等。

關鍵詞：慧魚系統；智能機器人；創新設計

引言

慧魚創意組合模型是由德國發明家Artur Fisher博士于1964年發明的。它具有一般機械所具有的零部件，如齒輪、電機、電氣開關等，通過聲、光、電和輔助技術的配合，能夠模擬各種機械運動和機械設備的自動控制，而且有比較真實的功能。它利用工業標準的基本構件（機械元件、電氣元件、氣動元件），輔以傳感器、控制器、執行器和軟件的配合，運用設計構思和實踐分析，可以實現任何技術過程的還原，更可以實現工業生產和大型機械設備操作的模擬。

1、基于慧魚系統的無人綜合搶險車的設計

無人綜合搶險車系統是一個典型的機電一體化系統。它由機械部分、傳感部分、控制部分三大部分組成。這三大部分可分為驅動系統、機械結構系統、感知系統、智能小車-環境交互系統、人-機交互系統、控制系統六個子系統。

1.1 無人綜合搶險車的功能

無人綜合搶險車按功能可分為循跡功能、距離識別功能、火焰識別功能、自動噴水功能。循跡功能可分為尋找軌跡和循跡前進。智能小車主要任務要求為：先尋找軌跡→沿軌跡行走→遇到障礙停止→機械臂伸出尋找火源→噴水裝置工作→繼續判斷火源→停止噴水→機械臂收回。功能分類如圖1所示。

1.2 無人綜合搶險車的A/D轉換

圖1功能圖

和數字量輸入返回1和0值不同，模擬量輸入可以分辨連續的輸入，所有的模擬量輸入返回一個0～1023之間的值。而ROBO接口板有各種不同的模擬量輸入接口來測量不同的物理量。具體來說，模擬量輸入可以適應用來測量電阻，測量電壓和測量距離的不同的傳感器。如表1所示。

通常的慧魚傳感器中，溫度傳感器和光電傳感器將被測量轉換成電阻值。所以必須將這些傳感器接到AX和AY輸入端。電壓輸入端A1和A2設計用來連接所有產生0到10V電壓的傳感器。在ROBO接口板上沒有針對AV輸入端的端口，它通常和接口板的電源電壓相關聯。距離傳感器輸入端D1和D2可以接到慧魚特殊傳感器，可以測量障礙物的距離。

表1模擬量輸入

輸入端輸入類型測量范圍A1,A2電壓輸入0-1023VAX,AY電阻輸入0-5.5KΩD1,D2距離傳感器輸入Ca.0-50cmAV電源電壓0-10圖2行走部分運動示意圖

2、無人綜合搶險車機械部分設計過程

2.1行走部分

由兩個9v/2.4w大功率馬達帶動履帶上的兩個驅動齒輪旋轉，由驅動齒輪和引導齒輪帶動履帶運動，由于履帶較長，中間部位需加支撐輪，如圖2所示。

2.2 機械臂部分

無人綜合搶險車的機械臂由直流電機控制，當機械臂前端的紅外傳感器檢測到火源，車輛就立刻停止，然后確定火源的準確位置，在機械臂上升的同時，機械臂向前伸出，但與火源保持安全距離，如圖3(上升)、圖4（伸出）所示。

圖3機械臂上升圖4機械臂伸出

2.3 噴水裝置設計

如圖5所示，通過傳感器檢測火源，將檢測信號傳送給ROBO控制板，經處理后將信號發送給氣泵，氣泵給儲水罐加壓，噴頭噴水滅火。滅火結束，傳感器將信息傳給控制板，控制板控制氣泵和電子氣閥，將氣罐中的高壓氣體放出，氣泵停止工作。

圖5噴水裝置功能圖

2.4 控制板接線

慧魚智能接口板自帶微處理器（如圖6），通過串口與計算機相連。在機器人系統中，連接線就是其神經，它將輸入、輸出原件與主控器連接起來，起著傳遞信息的作用。為了保證機器人能夠正常運行，質量可靠的連接線是必不可少的。為了保證控制面板的整潔美觀，也防止散亂的連接線阻礙機器人的正常運動。

圖6ROBO控制板接線圖

3、自動程序控制的設計

自動控制是通過電腦將編好的程序下載到控制器的微處理器內，它可以脫離計算機獨立地處理程序的功能，使機器人在無人的情況下自動運行，也可以到達危險地方進行探測，但在突發情況時不易控制。如圖7所示，自動控制程序控制簡單，定位準確，滅火精度高。

圖7程序圖

4、作品

利用慧魚模塊，按照設計思路進行組裝，經過調試，產品能完成預定功能，符合預定的設計要求。下面為作品的三維造型圖（圖8）和實物圖（圖9）。

圖8三維造型圖

圖9實物圖

5、結束語

該設計可以檢測到火源并進行噴淋，但目前只是限于慧魚創意組合的設計階段，還沒有將研究的成果應用于實踐中。對應噴水裝置可以考慮使用高壓水泵來代替，而對火源的檢測和滅火裝置，由于慧魚的器材是塑料的，故用燈光代替火源。

［參考文獻］

［1］慧魚ROBO TX CONTROLLER 說明書（7-10頁）.

［2］慧魚創意機器人設計與實踐教程（上海交通大學出版社，曲凌 編）（11-13頁）.

［3］機械原理（第七版）（西北工業大學機械原理及機械零件教研室編）（13頁）.

［4］ROBOpro軟件中文手冊（7-10頁）.

（作者單位：1.寧夏大學機械工程學院, 寧夏銀川 750021；2.中國電信集團系統集成寧夏分公司，寧夏 銀川 750021）