震后救災(zāi)機(jī)器人設(shè)計(jì)及應(yīng)用

吳園園 潘麗雯 卿禹翔 郭 婉 陳 科

（武漢輕工大學(xué),湖北 武漢 430000）

1 引言

近年來地震頻發(fā)，來不及逃出建筑物的幸存者被掩埋在廢墟之下，可能處于傷口感染、血流過多、缺水的危險(xiǎn)之中。救援人員也面臨著余震的威脅。地震救援機(jī)器人的存在可以減少一些不必要的危險(xiǎn)。由于地震災(zāi)害救援的復(fù)雜性，大面積的倒塌可以借助挖掘機(jī)等大型的搬運(yùn)救災(zāi)機(jī)器人，而對(duì)于及時(shí)向幸存者施救而言，這些大型設(shè)備無用武之地，這時(shí)就需要一些特定的小型機(jī)械設(shè)備來完成。

這些研究在一些國(guó)家已經(jīng)有所成就，日本研究專家SatoshiTadokoro發(fā)明的Snakebot[1]，依靠裝有動(dòng)力裝置的尼龍繩索進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，可以深入災(zāi)后廢墟的各個(gè)狹小角落。其利用攝像機(jī)可以使救援者了解并控制受災(zāi)區(qū)域的內(nèi)部情形。日本千葉工業(yè)大學(xué)設(shè)計(jì)了一款呼吸探測(cè)機(jī)器人Quince，身量小卻能打開門把手，遞送食物或其他所需品。

我國(guó)就在機(jī)器人的研究相對(duì)比較晚，但是受到了高度的重視，我國(guó)沈陽自動(dòng)化研究所研制的廢墟搜索機(jī)器人[2]利用其攜帶的紅外攝像機(jī)與聲音傳感器等裝置，能把廢墟內(nèi)的情形傳送給救援人員方便展開施救。國(guó)防科技大學(xué)在2001年研制了一種蛇形機(jī)器人[3]，操作移動(dòng)十分靈活。但它們的缺點(diǎn)是在廢墟間隙及時(shí)供給物資上的研究還有所欠缺。

2 救援機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 救災(zāi)機(jī)器人總體設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)了一款可以對(duì)廢墟內(nèi)部進(jìn)行生命探測(cè)并穿進(jìn)廢墟管道補(bǔ)給的救災(zāi)機(jī)器人，例如急救藥劑和供氧管道的部署以及攜帶一些簡(jiǎn)易自救工具，來增加待救援人員的生存概率，保障其生命體征正常，從而為救援贏得寶貴的時(shí)間。

總體設(shè)計(jì)圖如圖1所示，對(duì)地震現(xiàn)場(chǎng)智能采樣，首先利用高靈敏度人體紅外傳感器探測(cè)掩埋幸存者位置及規(guī)劃?rùn)C(jī)器人通向該處路徑，驅(qū)動(dòng)六足移動(dòng)底盤至目標(biāo)地點(diǎn)，然后利用超聲波傳感器對(duì)廢墟內(nèi)部結(jié)構(gòu)勘測(cè)，對(duì)穿間隙模塊移動(dòng)路線進(jìn)行計(jì)算，驅(qū)動(dòng)穿間隙模塊深入廢墟內(nèi)部向幸存者供給水或氧氣。穿間隙模塊設(shè)有攝像頭、CO2傳感器及通訊、照明設(shè)備，能及時(shí)將周圍環(huán)境和幸存者生命狀況輸送到終端。

2.2 移動(dòng)底盤設(shè)計(jì)

圖1 機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

采用一種仿生六足爬行底座，控制該機(jī)器在地震廢墟這樣的復(fù)雜路面上運(yùn)動(dòng)。傳統(tǒng)的履帶式機(jī)器人具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、牽引力大和不易打滑等優(yōu)點(diǎn)，在平坦的路面工作效率高、運(yùn)行速度快，可以發(fā)揮很大功效，但是它在應(yīng)付極端條件下發(fā)揮的作用微乎其微。而多足機(jī)器人有著良好的適應(yīng)地形的能力、極高的穩(wěn)定性[4]，可以在不適合大多數(shù)履帶和輪式機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的環(huán)境下平穩(wěn)地移動(dòng)。目前，常見的步行機(jī)器人以兩足式、四足式機(jī)器人應(yīng)用較多，其中的兩足式和四足式機(jī)器人相對(duì)六足式機(jī)器人腿部個(gè)數(shù)較少，腿部關(guān)節(jié)自由度較少，運(yùn)動(dòng)不夠靈活，動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性較差，同時(shí)六組機(jī)構(gòu)在運(yùn)行過程中對(duì)地面壓強(qiáng)小，可以穿過一些不耐壓的地段，可以經(jīng)過較陡路段。而在災(zāi)后地區(qū)中，崎嶇地形是這種地區(qū)的特征之一，對(duì)于六足機(jī)器人而言，它比四足和兩足機(jī)器人的自由度多，調(diào)整重心的方式更加靈活，穩(wěn)定性比四足和兩足機(jī)器人的要更高。

2.3 腿型及步態(tài)設(shè)計(jì)

該六足機(jī)器人采用半圓形履帶式腿型[5]，腿上只有一個(gè)關(guān)節(jié)，由一個(gè)舵機(jī)驅(qū)動(dòng)，每個(gè)伺服電機(jī)通過舵機(jī)分別驅(qū)動(dòng)一個(gè)半圓弧足，使之產(chǎn)生周期性往復(fù)運(yùn)動(dòng)。確定本機(jī)器為三角形步態(tài)，6條腿分布在身體的兩側(cè)，身體左側(cè)的A1、C1及右側(cè)的B2為一組，右側(cè)的前A2、C2和左側(cè)的B1為另一組，如圖2所示。每次運(yùn)動(dòng)時(shí)其身體支撐點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)以A1、C1、B2或A2、C2、B1為支撐點(diǎn)的大三角形。依靠大腿前后劃動(dòng)實(shí)現(xiàn)支撐和擺動(dòng)過程，完成運(yùn)動(dòng)過程。

圖2 步態(tài)設(shè)計(jì)示意圖

在機(jī)身底板處放置傳感器模塊（熱釋紅外傳感器、超聲波傳感器、溫度傳感器）、藍(lán)牙接收器和電源電池。攝像頭位于機(jī)器人前方，后方放置有盤形容器，容器內(nèi)部放置救災(zāi)物品，該容器外部圍繞導(dǎo)管，導(dǎo)管最前端安裝三面驅(qū)動(dòng)的履帶機(jī)構(gòu)，容器內(nèi)的液體可利用導(dǎo)管運(yùn)輸，同時(shí)在容器底部安裝有電機(jī)，使得該容器可以旋轉(zhuǎn)，底板設(shè)計(jì)與半圓弧足設(shè)計(jì)圖如圖3、圖4所示。

圖3 底板各元件分布圖

圖4 半圓弧足間隙履帶分布設(shè)計(jì)圖

2.4 穿隙機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

考慮到廢墟容易引起二次坍塌，機(jī)器人受體積限制無法裝載足夠物資；且通道不規(guī)則，如采用機(jī)械手穿過間隙通道，機(jī)械手必須具有自由度多且長(zhǎng)度長(zhǎng)等特點(diǎn)，在控制與設(shè)計(jì)上實(shí)現(xiàn)度太低。這里采用移動(dòng)底盤上運(yùn)載物資并不進(jìn)入廢墟內(nèi)部、設(shè)有饒性穿隙機(jī)構(gòu)深入廢墟的方案。

在輸送軟管前端安裝三面驅(qū)動(dòng)的履帶機(jī)構(gòu)，該三面驅(qū)動(dòng)的履帶機(jī)構(gòu)包括3個(gè)履帶裝置，每個(gè)履帶裝置相互之間的夾角為60°，當(dāng)進(jìn)入較小的縫隙機(jī)器人能借助履帶裝置提供驅(qū)動(dòng)力進(jìn)入復(fù)雜的廢墟內(nèi)部。該機(jī)構(gòu)的外部采用輕型耐磨塑料作為主要結(jié)構(gòu)，既減輕了驅(qū)動(dòng)裝置的重量，又降低了加工的成本。該機(jī)構(gòu)的每個(gè)履帶配備壓力傳感器、位置及力矩侍服器等配套裝置，檢測(cè)到有壓力的時(shí)候電機(jī)才會(huì)有相應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)履帶能與地面產(chǎn)生較摩擦，可以適應(yīng)多種地形，能在狹小縫隙中快速移動(dòng)。在該機(jī)構(gòu)的最前端配置有紅外線探測(cè)頭，可反饋對(duì)環(huán)境的監(jiān)視數(shù)據(jù)。輸送導(dǎo)管采用了一種柔性耐壓管件金屬波紋軟管，擁有高柔韌性、抗扭曲、高彎曲性、耐摩擦、耐酸性腐蝕等特點(diǎn)。復(fù)位是借助儲(chǔ)料容器件回轉(zhuǎn)收起管道。

3 控制中心

3.1 舵機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片和主控芯片

控制部分選擇了以ARM架構(gòu)Cortex-m3內(nèi)核的STM32F103系列的單片機(jī)(STM32F103RBT6)為主控芯片，該系列單片機(jī)資源豐富，利用穩(wěn)壓芯片給單片機(jī)的管腳進(jìn)行5V供電，供電方便。為了存儲(chǔ)視覺信息，方位信息等并分析，我們使用W25Q64FLASH存儲(chǔ)芯片，此芯片中，_CS、SPI_MISO、SPI_SCK和SPI_MOSI四個(gè)引腳與單片機(jī)的硬件SPI接口進(jìn)行連接。

圖5 為控制程序框圖。

3.2 通訊部分

主控板亦連接舵機(jī)控制板，通過主控板與電腦的藍(lán)牙通信來實(shí)現(xiàn)電腦對(duì)機(jī)器人的遠(yuǎn)程控制，采用UART接口，外圍IO口通訊。主控板與舵機(jī)控制板的通訊則采用線纜連接，采用BF 10藍(lán)牙通信模塊，BlueCore4-Ext芯片。該模塊可以實(shí)現(xiàn)電腦端對(duì)單片機(jī)的雙向信號(hào)傳輸，也可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人部件中的兩個(gè)模塊互相通訊，電腦藍(lán)牙適配器，通過WIDCOMM授權(quán)的驅(qū)動(dòng)完成配對(duì)通訊過程。連接成功后，在PC機(jī)上會(huì)虛擬創(chuàng)建一個(gè)COM口，形成透明串口數(shù)據(jù)傳輸。

對(duì)于控制模式的選擇，采用BF10-A藍(lán)牙模塊。該模塊是主從模塊，在通訊中以PC機(jī)為主模塊，單片機(jī)為從模塊，配對(duì)過程的信息流傳輸?shù)恼{(diào)制解調(diào)器過程中，通過at命令，可以修改設(shè)備的設(shè)備類型號(hào)和波特率，方便連接。

對(duì)于藍(lán)牙模塊的供電部分，采用AMS1117型號(hào)的穩(wěn)壓芯片進(jìn)行供電，該芯片紋波小，可以有效地避免直流供電中高次諧波的干擾，保持被供電模塊工作的穩(wěn)定。

3.3 傳感器模塊

本設(shè)計(jì)傳感器模塊采用多種傳感器配合模式，HCSR501用來探測(cè)人體輻射，因此其熱釋電元件對(duì)波長(zhǎng)為10 um左右的紅外輻射很敏感[6]。該模塊采用靈敏度高、可靠性強(qiáng)的LHI778探頭，其本身不發(fā)出任何類型的輻射，功耗小，價(jià)格低。US-100靜態(tài)功耗低于2mA，測(cè)距范圍2cm～4.5m，其自帶的溫度傳感器可校正測(cè)距結(jié)果，同時(shí)具有串口、GPIO等多種通信方式，工作穩(wěn)定。S-100H 供電電壓5V,消耗電流25mA/h，使用壽命十年以上，是世界上最小、最輕的NDIR技術(shù)CO2傳感器，使用簡(jiǎn)單，方便與其他設(shè)備鏈接使用，輸出接口多樣，易于傳輸讀取，適合多種場(chǎng)合安裝和拆卸。

4 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了具有穿隙機(jī)構(gòu)的六足機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)了在廢墟等復(fù)雜路況上的越障；穿隙機(jī)構(gòu)能伸入廢墟間隙向掩埋在廢墟中的幸存者供給氧氣或急救品等物資。通過各種傳感器能勘測(cè)路況并反饋幸存者位置信息，進(jìn)而及時(shí)向他們提供救援,填補(bǔ)了當(dāng)前救援機(jī)器人中在地震救援時(shí)深入廢墟內(nèi)部供給物資的空白，滿足了救援的及時(shí)性、自動(dòng)性和智能性。