應(yīng)用于廢墟環(huán)境的六足巡檢機(jī)器人

方嘉煒 莊子槺

摘 ?要：針對(duì)地震、礦難、山體滑坡、樓房倒塌等災(zāi)害后的廢墟環(huán)境下，文章開發(fā)了一種基于足式運(yùn)動(dòng)的六足巡檢機(jī)器人，能夠適應(yīng)各種復(fù)雜、惡劣的地形環(huán)境，并對(duì)指定的氣體進(jìn)行檢測(cè)，跟蹤，定位;且該機(jī)器人能夠在較遠(yuǎn)的通訊范圍正常的回傳采集數(shù)據(jù)以及圖像數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：復(fù)雜地形;六足;巡檢;機(jī)器人;stm32;系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TP242 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2019）22-0108-02

Abstract： Aimed at the debris environment after earthquake， mine disaster， landslide and building collapse， a hexapod inspection robot based on foot motion is developed in this paper， which can adapt to all kinds of complex and harsh terrain environment， and can detect， track and locate the designated gas. The robot can return the collected data and image data in the far communication range.

Keywords： complex terrain; hexapod; patrol; robot; stm32; system

前言

世界上每年都在發(fā)生著大量的自然災(zāi)害和人為災(zāi)害的破壞，如地震、泥石流、礦難等。這些災(zāi)害必然造成嚴(yán)重的建筑物倒塌以及人員傷亡，發(fā)生災(zāi)害后面臨的一個(gè)至關(guān)重要的問題，就是對(duì)幸存人員的搜索和營(yíng)救，且相關(guān)研究表明，受困人員在72小時(shí)內(nèi)未得到有效救援，其死亡的可能性就會(huì)急劇上升。然而，在復(fù)雜的廢墟環(huán)境下的搜救任務(wù)，也會(huì)給救援人員、受困人員帶來巨大的安全威脅，如二次坍塌等，這也導(dǎo)致救援工作開展的困難[1]。目前，美國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)研制出了各類的巡檢救援機(jī)器人，包含履帶式、蛇式、足式等機(jī)器人平臺(tái)。

本文在分析現(xiàn)有的廢墟環(huán)境下的巡檢機(jī)器人的基礎(chǔ)上，結(jié)合新興的利用氣體檢測(cè)技術(shù)，開發(fā)了可應(yīng)用于廢墟環(huán)境下的復(fù)雜地形的巡檢六足機(jī)器人，并具有自動(dòng)巡檢與手動(dòng)遙控的工作方式，且?guī)в?0倍變焦的攝像頭，能夠?qū)崿F(xiàn)180°監(jiān)控。

1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

六足機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。其運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)主要由六條仿照多足昆蟲的腿部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的機(jī)械腿構(gòu)成[2]，根據(jù)多足昆蟲腿部三個(gè)自由度結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)出腰關(guān)節(jié)、髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)三個(gè)關(guān)節(jié);并采用三個(gè)舵機(jī)模仿三個(gè)關(guān)節(jié)的動(dòng)作。由于采用六足式的運(yùn)動(dòng)方式，18個(gè)關(guān)節(jié)，對(duì)應(yīng)18個(gè)運(yùn)動(dòng)舵機(jī)進(jìn)行控制。

為了使得搭載到機(jī)器人上的傳感器更加穩(wěn)固，實(shí)現(xiàn)更好的檢測(cè)效果，本文在六足機(jī)器人的頭部上設(shè)置用于裝載攝像頭的云臺(tái)裝置，可根據(jù)地面站的指令進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng);且在底部還設(shè)計(jì)用于安裝檢測(cè)傳感器的固定支架。為了實(shí)現(xiàn)更好的運(yùn)動(dòng)控制效果，在機(jī)器人機(jī)身的前端安置兩個(gè)超聲波避障傳感器，并為之設(shè)計(jì)固定支架。

2 控制系統(tǒng)開發(fā)

六足巡檢機(jī)器人的控制系統(tǒng)框圖如圖2所示。主要由六足機(jī)器人運(yùn)動(dòng)以及云臺(tái)系統(tǒng)、無線通訊系統(tǒng)、攝像監(jiān)控系統(tǒng)、氣體檢測(cè)系統(tǒng)、避障系統(tǒng)構(gòu)成。

（1）六足機(jī)器人運(yùn)動(dòng)以及云臺(tái)系統(tǒng)

本系統(tǒng)采用stm32f103作為控制器，通過UART通訊接口與24路的舵機(jī)控制板進(jìn)行連接，控制機(jī)器人上的18個(gè)運(yùn)動(dòng)舵機(jī)以及1個(gè)云臺(tái)舵機(jī)。舵機(jī)控制板上有24路的舵機(jī)控制信號(hào)，本文僅使用19路。stm32f103控制器通過發(fā)送串口指令，控制18個(gè)舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的特定的角度，實(shí)現(xiàn)六足機(jī)器人的前后左右運(yùn)動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)等基本運(yùn)動(dòng)。通過發(fā)送串口指令，控制云臺(tái)電機(jī)，從而帶動(dòng)攝像頭進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)多角度的拍攝廢墟環(huán)境。

（2）無線通訊系統(tǒng)

六足巡檢機(jī)器人具有自動(dòng)控制和手動(dòng)控制兩種模式，模式的切換通過通訊指令來實(shí)現(xiàn)，手動(dòng)控制同樣需要依賴可靠的通訊方式。特別在廢墟環(huán)境下，障礙遮擋物較多，距離較遠(yuǎn)，通訊信號(hào)差，本文采用的433數(shù)傳技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人無線控制能一定程度上的抵抗這些不足。433數(shù)傳模塊一般是成對(duì)使用，stm32f103控制器的UART接口與一個(gè)433數(shù)傳模塊進(jìn)行連接，另一個(gè)433數(shù)傳模塊通過USB接口與地面站相連接，如此就可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的機(jī)器人的手動(dòng)控制，以及機(jī)器人回傳的數(shù)據(jù)信息。

（3）攝像監(jiān)控系統(tǒng)

本系統(tǒng)采用10倍變焦的攝像頭，能更好的適應(yīng)復(fù)雜的環(huán)境變化;通過5.8G圖傳模塊與地面站顯示器進(jìn)行無線的圖像傳輸。類似的，5.8G圖傳模塊也是成對(duì)使用，一個(gè)發(fā)送、一個(gè)接收。5.8G發(fā)送子模塊搭載在六足巡檢機(jī)器人上，通過micro usb接口與10倍變焦的攝像頭的視頻輸出口相互連接;5.8G圖傳接收子模塊設(shè)置在地面站上，通過視頻線與顯示器相連接，通過顯示器可以直接看到攝像頭所拍攝到的畫面，如此便構(gòu)成了機(jī)器人的攝像監(jiān)控系統(tǒng)。

（4）氣體檢測(cè)系統(tǒng)

該六足巡檢機(jī)器人上搭載氣體檢測(cè)裝置，該裝置能夠?qū)⒛撤N特定氣體的體積分?jǐn)?shù)轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的電信號(hào)[3]。該裝置上搭載有二氧化碳傳感器，丙酮傳感器，氨傳感器，異戊二烯傳感器和檢測(cè)人體皮膚釋放出的化學(xué)物質(zhì)的傳感器。stm32f103控制器通過捕獲各個(gè)傳感器輸出的電信號(hào)，將氣體的成分、濃度等信息進(jìn)行計(jì)算并回傳到地面站，并采用定位跟蹤算法[4]，對(duì)氣體進(jìn)行跟蹤。

（5）避障系統(tǒng)

避障系統(tǒng)通過測(cè)量運(yùn)動(dòng)方向上有無障礙物，若有的話則測(cè)量與障礙物的距離，到達(dá)一定的安全距離之后機(jī)器人自動(dòng)停止運(yùn)動(dòng)，進(jìn)入手動(dòng)控制模式，并將信號(hào)反饋給地面站，等待工作人員進(jìn)行下一步的操作，如后退或繞開障礙物，實(shí)現(xiàn)避障效果。通過stm32f103控制器的UART通訊接口與超聲波測(cè)距模塊相連接，發(fā)送指令獲取模塊測(cè)得的與障礙物的距離，該數(shù)據(jù)為十六進(jìn)制，且以毫米為單位，需要進(jìn)行轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制的數(shù)值。

3 結(jié)束語

六足巡檢機(jī)器人在模擬的廢墟環(huán)境下的測(cè)試結(jié)果為：機(jī)器人開始展開工作，基于QT開發(fā)的地面站上位機(jī)監(jiān)控軟件能夠穩(wěn)定可靠的接收到機(jī)器人檢測(cè)到的數(shù)據(jù);并且通過上位機(jī)能切換機(jī)器人的工作模式，以及控制攝像頭的多角度轉(zhuǎn)動(dòng);顯示器能夠正常的顯示機(jī)器人回傳的圖像數(shù)據(jù)。檢測(cè)到特定氣味時(shí)，上位機(jī)能夠及時(shí)的發(fā)出警報(bào)。

綜上所述，本文針對(duì)廢墟環(huán)境下開發(fā)了一種足式運(yùn)動(dòng)的，基于氣味檢測(cè)的巡檢機(jī)器人，能夠有效地替代傳統(tǒng)的人工探測(cè)，實(shí)現(xiàn)廢墟的安全隱患排查。

參考文獻(xiàn)：

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