一種智能仿生救援機(jī)器人的設(shè)計

薛樂樂

【摘 要】我國是一個自然災(zāi)害多發(fā)的國家，尤其是地震或失火等災(zāi)害常常帶給人們巨大的財產(chǎn)和人身傷害，并且這些災(zāi)害發(fā)生后的救援行動通常因為空間、環(huán)境復(fù)雜等因素而變得比較困難。近年來機(jī)器人技術(shù)不斷發(fā)展，讓機(jī)器人代替人去進(jìn)行救援能夠較好地解決這類問題。本文介紹了一種智能的仿生救援機(jī)器人，對于在較復(fù)雜環(huán)境中進(jìn)行救援活動的問題，有較好的解決方法。

【關(guān)鍵詞】仿生；救援；機(jī)器人

在自然界和人類社會中總有一些人類難以到達(dá)的地方，以及有可能危及人類生命安全的特殊地點(diǎn)。比如，災(zāi)難發(fā)生的礦井下面、防災(zāi)救援活動中等。常見的移動或行走機(jī)構(gòu)有傳統(tǒng)輪胎式和履帶傳動式。傳統(tǒng)的輪胎式在實際應(yīng)用中又因地形或天氣不同有不同的種類和應(yīng)用，如越野胎、雨胎等，且使用的輪胎的數(shù)量也因應(yīng)用環(huán)境不同而存在差異。傳統(tǒng)的輪胎式優(yōu)點(diǎn)是移動速度快、靈敏。

對于履帶傳動式，它不如傳統(tǒng)輪胎那樣移動迅速，但是它的應(yīng)用也非常廣泛。通常人們需要排除障礙物或者危險物的作業(yè)地點(diǎn)的環(huán)境是較為惡劣的，在極端的條件下傳統(tǒng)輪胎就失去了用武之地，此時，履帶傳動可以很好地解決這一問題。對于野外的沙地、山路、階梯等較復(fù)雜的地形，履帶都能夠順利通過。

不同于傳統(tǒng)輪胎和履帶移動方式的機(jī)器人，仿生的步行機(jī)器人在較復(fù)雜環(huán)境中的行走具有獨(dú)特的優(yōu)越性。在機(jī)器人行業(yè)不斷發(fā)展的背景下，行走機(jī)器人也正在蓬勃發(fā)展。仿生機(jī)器人的行走軌跡是一系列離散的足跡。移動時，只需離散點(diǎn)接觸地面，對環(huán)境的破壞也較小。它可以在可能接觸的地面上選擇最佳的支撐點(diǎn)，并能夠自主適應(yīng)崎嶇不平的地形。正因為如此，行走類機(jī)器人對環(huán)境的破壞是小的，這在震后救援活動中顯得尤為重要。因為要在災(zāi)后救援行動中避免受困者受到二次傷害，因此避免對周圍環(huán)境的破壞是救援行動的前提。傳統(tǒng)的輪胎和履帶式傳動機(jī)構(gòu)在行走過后留下的是一系列連續(xù)的車轍。但是在崎嶇的地形中，諸如巖石、土壤、沙子、甚至懸崖和陡坡等障礙物，能夠提供給機(jī)器人連續(xù)的路徑的地段非常有限。這就意味著輪式和履帶式機(jī)器人不能夠再適合于這種地形。對仿生機(jī)器人的行走來說，用于移動的腿具有更高的自由度，同時也能夠使運(yùn)動的靈活性大大增強(qiáng)。通過調(diào)整腿部長度，或通過調(diào)整腿部伸展來調(diào)整重心位置，可以讓機(jī)器人不易翻身，提高穩(wěn)定性。

仿生原理：為了更好地適應(yīng)地形，本設(shè)計使用了六條腿的機(jī)器人。六足機(jī)器人又稱為蜘蛛機(jī)器人，因為它的形狀類似于蜘蛛，是一種多足機(jī)器人。對于六足機(jī)器人，我們從自然昆蟲運(yùn)動的原理中了解到，腳是昆蟲的器官。我們都知道昆蟲是以三條腿行走的，一邊的前足、后足與另一邊的中足是一組。這樣，就形成了一個三角形的框架。當(dāng)三條腿放在地上向后蹬時，剩余的三條腿被抬起。在前腳爪向前并拉動固定物體后，腳用于支撐身體，將腳掌抬起在身體的一側(cè)，然后推動身體向前。如果將這種行走方式運(yùn)用到機(jī)器人上，便可以解決機(jī)器人在更困難的工作環(huán)境中的行走問題。

在已經(jīng)設(shè)計好機(jī)器人的肢體的基礎(chǔ)上，還需要考慮帶動肢體進(jìn)行行走的機(jī)構(gòu)，即舵機(jī)。不同于其他的電機(jī)，舵機(jī)又叫伺服電機(jī)，它最早是被廣泛用于船舶上的，為的是實現(xiàn)轉(zhuǎn)向的功能。之后，因為其可以通過軟件的編程實現(xiàn)控制其轉(zhuǎn)角而又用于各種各樣的關(guān)節(jié)運(yùn)動中。在本設(shè)計中，使用多自由度的舵機(jī)來控制仿生機(jī)器人腿部的運(yùn)動，能夠大大地提高穩(wěn)定性，且設(shè)計較簡單、體型較小。

除了機(jī)器人的運(yùn)動裝置外，其余部分主要包括控制裝置和其他輔助裝置。對于控制裝置，就是我們通常所說的機(jī)器人的大腦，又稱為CPU。它是整個機(jī)器人的設(shè)計中最重要的部分，機(jī)器人所能執(zhí)行的一切命令都由它所發(fā)出，同時機(jī)器人從外界采集到的信息也要經(jīng)過中央處理器的處理，然后再決定下一步做出怎樣的調(diào)整。在本設(shè)計中采用的主控主要是單片機(jī)，80C51系列、ARM系列和STM32系列的單片機(jī)均可以。

對于其他輔助裝置，主要分為兩部分，一部分是攝像頭，另一部分是超聲測距模塊。在危險且狹小的環(huán)境中，人們無法直接觀測到周圍環(huán)境的狀況，為了解決這個問題，在此采用攝像頭來代替人眼來采集環(huán)境中的圖像信息。圖像信息被攝像頭采集后，通過無線通訊的方式來傳輸給人們所觀測的PC端或者移動端。這里的無線通訊方式包括現(xiàn)在普遍使用的WI-FI通信或者藍(lán)牙通信。對于具體的攝像頭模塊，采用基于STM32單片機(jī)的OV7670攝像頭，此攝像頭屬于CMOS器件并且自身帶有標(biāo)準(zhǔn)的SCCB接口。除此之外，此款攝像頭能夠兼容IIC接口。另外，其內(nèi)置的器件主要有感光序列、時序發(fā)生器、AD轉(zhuǎn)換器、數(shù)字信號處理器、模擬信號處理裝置等。

攝像頭的工作流程為：首先光照射到感光陣列，由感光陣列產(chǎn)生電荷，這些電荷會被送到具體的模擬信號的處理裝置或者處理單元中，之后再經(jīng)由AD轉(zhuǎn)換器將此信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。因為計算機(jī)無法直接對采集到的模擬信號進(jìn)行相應(yīng)的處理，所以需要一個轉(zhuǎn)換器用來將模擬信號轉(zhuǎn)換為相對應(yīng)的計算機(jī)能夠識別并進(jìn)行處理的數(shù)字信號。然后將數(shù)字信號輸入進(jìn)DSP中進(jìn)行處理，即實現(xiàn)插值到RGB信號，最后再將信號輸出到屏幕上。

超聲測距模塊，在本設(shè)計中采用HC-SR04超聲波測距模塊，這個模塊能夠?qū)崿F(xiàn)測量非接觸情況下的2cm-400cm的距離，同時測量的精度高達(dá)3mm。其模塊主要包括超聲波發(fā)射器、接收器和控制電路。測量的角度為15度，輸入的觸發(fā)信號為10us的TTL脈沖，而輸出的回響信號為TTL電平信號，其與射程成比例。超聲波測距的原理主要就是自身發(fā)射一個超聲波，然后發(fā)射出去的波遇到物體再反射回來，自己仍然能夠檢測到，根據(jù)波速和發(fā)射的波反射回來的時間能夠確定物體距離自身的距離。我們可以利用其檢測物體的功能通過適當(dāng)?shù)能浖幊虂韺崿F(xiàn)當(dāng)機(jī)器人距離障礙物過近時，讓它自己進(jìn)行移動，直至面前沒有障礙物，能夠向前移動為止，這樣可以避免在復(fù)雜的環(huán)境中人為地操控機(jī)器人不夠靈活的情況。

本文通過設(shè)計合理的腿部模型，并且采用攝像頭模塊、超聲測距模塊等來設(shè)計實現(xiàn)了一種工作在危險、復(fù)雜環(huán)境中的智能救援機(jī)器人，它能夠自動進(jìn)行避障，以減少救援行動中的阻力，同時可以實時傳輸視頻信號來幫助施救人員進(jìn)行救援行動。

【參考文獻(xiàn)】

[1]代德丹.王猛.李怡.智能避障小車[J].電子世界.2017（20）.

[2]朱國良.王思煒.梁祥祥.種法力.基于單片機(jī)智能避障滅火小車的設(shè)計.時代教育.2017（11）.endprint