基于“樹莓派”的六足搜救機器人

西北民族大學 萬德松 林 兵 秦 璇 李文闖

六足搜救機器人突破輪式機器人只能在平地行駛的缺陷。其六足能適應(yīng)各類復雜的險境并實現(xiàn)全方位的移動與探索，通過攝像頭采集圖像，在變電站、核電站或地震和火災現(xiàn)場等會對人類產(chǎn)生危險的環(huán)境進行巡檢或搜救。

當今世界科技發(fā)展水平日益提高，機器人研究已經(jīng)拓展至各個領(lǐng)域。未來時代的各種機器人將會在人類無法生存、工作的環(huán)境代替人類去執(zhí)行和完成檢測、救援等任務(wù)。于是，我們要求機器人不僅可以適應(yīng)對功能的要求，還要有完善的性能去探索未知的環(huán)境，這就使得對機器人的運動適應(yīng)性、生存能力、靈活性有極高的需求。其中移動性能是未來機器人在很多場所的關(guān)鍵性能力，為了完成操控者下達的任務(wù)，經(jīng)常要求機器人可以到達人們無法進入的環(huán)境進行探測、攻擊、干擾、偵查等行動。因此，機器人需要擁有模仿動物的特性，能夠適應(yīng)不同的環(huán)境，行進范圍廣闊，生存能力和預判風險能力強，擁有極優(yōu)異的行動能力等，以此達到能夠代替人們到達有較高危險系數(shù)的環(huán)境中進行各種活動來完成任務(wù)。

大自然曾為人類的造物提供了豐富靈感，比如我國古人模仿鳥喙銜食物的動作發(fā)明了筷子?，F(xiàn)在，仿生學已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，人們利用生物的結(jié)構(gòu)和功能原理，研制機械或各種新技術(shù)。國內(nèi)外對此進行了大量的研究并取得了突出的成果。

六足能適應(yīng)各類復雜的險境并實現(xiàn)全方位的移動與探索，利用攝像頭拍攝圖像、利用手機連接機器人自帶的WI-FI、利用手機APP來控制機器人的行進以及將實時圖像傳回手機。讓人類在場外也能實時了解現(xiàn)場的情況或捆綁救援物資在六足機器人機身將物資帶入進行救援，具有很高的實用價值。

1 控制系統(tǒng)總體設(shè)計方案

本設(shè)計主要采用“樹莓派3B+”系統(tǒng)進行控制，樹莓派是英國樹莓派基金會研發(fā)的小型電腦?！皹漭?B+”系統(tǒng)的CPU有著1.2GHz的64位4核的ARM Cortex-A53，相比于樹莓派1的性能提升了近十倍，在我們熟知的其他物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中很少能有搭載主頻超過600 MHz的CPU。通過“樹莓派3B+”系統(tǒng)對LDX-218舵機、攝像頭模塊以及WI-FI模塊傳輸圖像及手機控制命令，保證整個系統(tǒng)流暢運行（如圖1所示）。

圖1 系統(tǒng)工作流程圖

2 硬件設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 模擬計算最穩(wěn)定步態(tài)

通過Grubler公式，我們可以算出機器人機體的運動自由度為，公式中n代表連桿的個數(shù)，j代表關(guān)節(jié)的個數(shù)，fi代表的是第i個關(guān)節(jié)的自由度數(shù)，a=6是運動參數(shù)。機器人與地面的接觸點可視為一個球狀關(guān)節(jié)，其余關(guān)節(jié)都為旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)。所以，在任何時候機器人的靈活性不僅包括了三維平動還包括三維轉(zhuǎn)動。通過“樹莓派3B+”系統(tǒng)調(diào)節(jié)舵機的PWM波使舵機轉(zhuǎn)動帶動機器人完成抬腳收腳，最終實現(xiàn)全方位行進、蹲下、復雜環(huán)境自平衡、上樓梯等動作。強大的“樹莓派3B+”系統(tǒng)在控制機器人行進的同時也能將攝像頭采集到的圖像實時傳輸給手機。參考國內(nèi)外對蜘蛛“仿生學”形態(tài)研究及其應(yīng)用領(lǐng)域的分析，通過Grubler公式計算出設(shè)計原理并設(shè)計出形態(tài)、步態(tài)穩(wěn)固的機器人。

2.2 機械蛛足的機械結(jié)構(gòu)及行進姿態(tài)分析和設(shè)計

圖2 行進姿態(tài)圖

如圖2所示，以左前腿為例對其進行運動分解。設(shè)定初始狀態(tài)時大腿與垂直方向夾角θ0=30°，其運動可分解為：該腿向前邁進一步后的姿態(tài)，此時機器人身體不發(fā)生移動；該腿向后邁出一步的姿態(tài)，此時機器人身體向前移；該腿向前邁步過程中，足端離地最高時的姿態(tài)。

2.3 主控制器選擇

利用“樹莓派3B+”系統(tǒng)進行控制，樹莓派本質(zhì)上是一種類似于微型便攜計算機，其基于ARM芯片，以至少4G或以上內(nèi)存的SD卡為內(nèi)存硬盤，采用的是Linux系統(tǒng)。和傳統(tǒng)STC89C51芯片、STM32F1系列芯片和K60系列芯片等芯片相比較，其具有更強的性能與功能。其代碼使用Linux系統(tǒng)下的Python語言，相比傳統(tǒng)的單一C語言編程更具有庫函數(shù)豐富、操作方便、功能強大和語言簡便的等優(yōu)點。本項目采用樹莓派作為主控，采用其Python環(huán)境、C環(huán)境下的Python語言和C語言進行編程。

樹莓派從整體來看一共出了四代，其中每一代的CPU外設(shè)都是基本相同的，外設(shè)中一共包含了兩個串口，一個是mini串口（/dev/ttyS0），一個是硬件串口（/dev/ttyAMA0），但是它們的內(nèi)核有很大的區(qū)別。硬件串口由硬件部分實現(xiàn)，其配置著單獨的波特率時鐘源，性能極高且可靠。但是mini串口性能低，功能也比較簡單，沒有波特率專用的時鐘源，其時鐘是由CPU內(nèi)核時鐘提供，因此mini串口有個非常明顯的弱點：其波特率受到CPU內(nèi)核時鐘的影響。內(nèi)核如果在智能調(diào)整功耗時降低主頻，這個時候相對應(yīng)的這個mini串口的波特率理所當然會受到牽連，雖然我們可以固定CPU內(nèi)核的時鐘頻率，但是這就不符合我們提倡的節(jié)能、低碳的要求了。所有的樹莓派主板中都通過排針把一個串口引了出來，目前除了第三代樹莓派引出的串口默認是CPU的那個硬件串口。但是樹莓派第三代中，因為板載藍牙模塊，因此這個硬件串口被默認分配給了藍牙模塊通信，而把那個mini串口默認分配給了排針引出的GPIO Tx Rx。

3 軟件設(shè)計與實現(xiàn)

攝像頭部分使用的源代碼采用Motion Joint Photographic Experts Group（簡稱Motion JPEG），Motion JPEG常被用于閉合電路的電視攝像機的模擬視頻信號，其會被解析成視頻流，然后把它儲存在硬盤上。經(jīng)典的應(yīng)用有數(shù)字視頻記錄儀器等。然而MJPEG與MPEG不同，它是不使用幀間編碼的，因此用一個非線性的編輯器就可以很容易編輯。MJPEG的壓縮算法和MPEG基本是一樣的，其不僅能發(fā)送高幀數(shù)的圖片，還能生成動畫視頻等，功能十分強大。但正因如此，MJPEG對帶寬的要求是非常苛刻的，基本相當于T-1，MJPEG信息在數(shù)字媒體中占很大的存儲量，需要占用大量的存儲空間來滿足當今龐大用戶群體的需求。因此，從另一個角度來說，在某些條件下MJPEG是效率最低的解碼/編碼器之一。

利用Python語言編寫六足的控制源碼及其圖像處理，C語言編寫WI-FI控制部分源碼。把各類模塊初始化封裝在不同的.c和.py文件中，最后壓縮成一整套鏡像文件的壓縮包，將鏡像文件導入SD卡中，插入控制機器人的樹莓派板即可使用，使用時的調(diào)用和初始化更加快速，使得編程的思路更加清晰。模塊化編程在程序編寫使用中最優(yōu)的地方在于程序的可閱讀力比較強，編程思路能體現(xiàn)得更加明了，對于程序的分模塊調(diào)試、參數(shù)整定和程序修改也非常方便，方便他人閱讀和學習編寫的程序。

總結(jié)與展望：本設(shè)計的六足機器人實現(xiàn)的功能包括：手機實時控制、平地行走并實時傳輸圖像至手機APP、蹲姿穿越障礙、翻越不高于機器人的障礙、超聲波測距、攜帶救援物資到達目的地等。當設(shè)計完成后，會對產(chǎn)品的有效使用年限和安全度進行合理評估，并對各方面的干擾因素進行排除。其電路的設(shè)計及零部件的裝配要求準確無誤，編寫程序并對產(chǎn)品進行整合及封裝，對產(chǎn)品進行多次功能調(diào)試。研究使用姿態(tài)算法、圖像處理保證機器人的步態(tài)穩(wěn)固，能適應(yīng)復雜險境且傳回清晰圖像。深入了解蜘蛛類“仿生學”，確定機器人步態(tài)、步態(tài)周期、占地系數(shù)、步幅、靜態(tài)穩(wěn)定性等參數(shù)以確保機器人達到預期的效果。

本項目設(shè)計的六足搜救機器人具有一定的實用價值，但其性能還不夠優(yōu)越，遠程操作上由于受限于WI-FI距離還不可以完全替代人工的搜救、查驗，希望在今后的學習研究中對性能做更優(yōu)化的開發(fā)與升級，使該六足機器人更好的服務(wù)于實際監(jiān)測、搜救之中。