蛇形仿生機器人設計

代亞坤 陳辰 徐剛 魏翔

摘要：在許多突發(fā)事件中，精準的定位救援至關重要。比如在地震后廢墟中精準找到被困人員;檢查管道是否出現(xiàn)堵塞、裂縫等。這需要一個可以適用于多種地形的遙控機器人。相比與許多陸地動物，爬行類動物的運動方式可以勝任許多復雜的地形，例如沙漠、樹林、廢墟和沼澤湖泊等環(huán)境。因此，通過模仿爬行類動物的生理特點，設計具有在復雜地形移動能力的仿生蛇形機器人具有重要的科研與實際應用意義。項目設計蛇形仿生蛇形機器人，它由于其重心較低，因而具有穩(wěn)定性強、運動靈活的特點，這使得蛇形機器人具有在復雜或未知環(huán)境具有很強的適應能力，因此在探險救援、防恐、危險環(huán)境作業(yè)等領域具有光明的應用前景。

關鍵詞：仿生，機器人，探測

1.引言：

隨著科技的不斷發(fā)展，機器人的發(fā)展也逐漸快速起來，各種各樣的機器人都在不斷地涌現(xiàn)，分門別類的機器人給人們的生活帶來意想不到的變化。蛇形機器人是一種能夠模仿生物蛇運動的新型仿生機器人。由于它能像生物一樣實現(xiàn)“無肢運動”，因而被國際機器人業(yè)界稱為“最富于現(xiàn)實感的機器人"。威科技工業(yè)研究院（SINTEF Research nstitute）已經設計出一種用于火星表面探測的蛇形機器人。而美國的蛇形機器人研究則代表了當今世界的先進水平。2000年10月，美國航空航天局在加利福尼亞裝備研制中心展示了一種用于外太空探險的蛇形機器人，它能在一些復雜地形行走時如履平地，運動十分靈活，并具有探測、偵探等多種功能。設計和研究蛇形機器人的結構和運動，是從仿生學的角度出發(fā)研制有利于人類社會的機器人。當代機器人的研究領域己經從結構環(huán)境下的定點作業(yè)向非結構環(huán)境下的自主作業(yè)發(fā)展。機器人被急切需要應用到環(huán)境復雜、高度危險和人類無法進入的場合完成作業(yè)。除了傳統(tǒng)的車型設計方法外，機器人學者把目光轉向了生物界，力求從具有各種運動特征的動植物上獲得啟發(fā)，設計新的仿生機器人。蛇形機器人就是在這種條件下孕育而生的。蛇的各種獨特的運動特性賦予蛇形機器人以多種功能。蛇形機器人不但能夠適應各種復雜地形，能夠平均分配自己的體重，還具有自封閉的結構等特點使其吸引了國內外眾多機器人學研究人員展開了對蛇形機器人的研究。

2.系統(tǒng)的總體設計：

項目設計一款具備多地形全方位探測功能的蛇形機器人，它可以代替人進入狹窄的空間執(zhí)行探測任務;它也具有在廢墟中救援的能力。

（1）該機器人由圓柱形模塊組成，首端為探測模塊，負責提供前方的信息，安裝了可轉動的高清攝像頭以及音頻采集設備，可以在最前端更快地收到相關信息。為了適應不同的環(huán)境，在機器人兩側安裝履帶來應對不平緩的地形。底部裝有翹板，必要時可將機器人底盤提高攀越一定高度的障礙。

履帶采取柔性鋸齒狀橡膠材料，以此來提升摩擦力以更好地越過障礙。

（2）機身為可連接的多功能輔助單元機器人，最多可以連接4個輔助機器人。

輔助機器人分別有以下功能：

①為前方提供照明并提供動力。

②為了彌補只有前端可以接收到圖像信息的不足，計劃在中間的模塊兩側加裝兩個微型攝像頭以彌補周圍環(huán)境信息的缺失，可以以此獲得更大的視野，為操控者提供更多的信息來判斷機器人所處的環(huán)境。

③提供定位，在發(fā)現(xiàn)被困人員時輔助單元機器人會進行位置記錄。如果是在地震之后或者有其他因素影響的情況下，輔助單元機器人它可以留下當做信號發(fā)生源。根據環(huán)境以及所需要達成的目的不同來附加不同的單元模塊，這種結構使它具備靈活的運動能力以及更多不同的需求，可以應對許多獨特的環(huán)境。

（3）設計外殼將采取金屬材料，這樣不但可以保護機身，也可以增加重心

（4）可遠程遙控控制，可利用不同的程序實現(xiàn)它不同的運動模式為其提供更大的自由度滿足大部分的需求，操作人員也可以自己通過終端設備單獨控制某一個部分的運動以及關節(jié)的延伸方式，做到隨自己心意而動。蛇形仿生機器人的結構圖如圖1所示：

3.設計與實現(xiàn)

3.1環(huán)境感知模塊

1）數(shù)據傳輸模塊

該無線傳輸模塊工作在1060～1380MHz頻段，可進行4個通道的音/視頻無線收發(fā)。它的功耗余量大，耗電電流小，體積小，傳輸距離遠，更能適合各種復雜的實際環(huán)境。在一般的阻擋情況下可傳輸400米左右。

2）音頻采集

通過麥克風可以獲取現(xiàn)場的聲音，進而判斷遇難者的存在，并通過擴音器與其進行雙向語音交流，即人機接口可以接收來自前端多傳感器單元發(fā)送過來的音頻數(shù)據進行播放，同時人機接口也能把搜救人員的音頻數(shù)據發(fā)送到前端多傳感器單元進行語音對話。

3）視頻采集

其主要用于人員搜索和機器人導航控制。選用高靈敏度紅外夜視微型攝像頭，其采用紅外發(fā)射燈。即使在環(huán)境光線全黑情況下，仍可完成視頻監(jiān)控，夜視距離5m。

3.2通信方式：

1）有線通信

機器人攜帶數(shù)據線進行運動，將采集到的生命信息和環(huán)境信息—并通過數(shù)據線傳送出去，實時、快捷，無干擾，還可進行視頻監(jiān)控，同時也可為機器人提供能源等。但是，攜帶數(shù)據線運動給機器人帶來一定的影響，搜救現(xiàn)場的環(huán)境復雜很可能壓住或損壞數(shù)據線。因此，有線通信方案適合環(huán)境相對簡單的現(xiàn)場。

2）自身記錄信息后返回

機器人自身能夠記錄生命信息和環(huán)境信息，在能源供應允許的時間內按原搜救路線或者其他搜救路線返回，在搜救過程中不攜帶數(shù)據線，運動靈活、方便。但是，受能源以及救援時間的限制，此種方案可用于生命搜救分體的第二階段。

3）Zigbee 無線通信+基站

采用 Zigbee 無線通信方案的優(yōu)點是低功耗，成本低、數(shù)據信息安全可靠等。采用 Zigbee 無線通信技術，需要多個無線數(shù)傳模塊共同搭建一個無線數(shù)傳網絡平臺，一般搭建數(shù)傳平臺有兩種方案。

方案一：針對事故率高的場所，如煤礦等，可以在合理的位置事先配置無線數(shù)據模塊，當發(fā)生災難時可以迅速應用。

方案二：以機器人本身作為無線數(shù)據模塊組建立無線數(shù)傳網絡平臺，機器人在實際運動時一方面進行信息探測，一方面進行數(shù)據信息的傳輸。多機器人之間的協(xié)同可以實現(xiàn)搜救信息的共享，以提高救援效率，也可以將探測的重要信息傳送給信息中心或救援人員。

3.4控制模塊

控制核心為ST（意法半導體）推出的基于ARM? Cortex?-M4的內核的STM32F4系列高性能微控制器，其采用了90 納米的NVM 工藝和ART（自適應實時存儲器加速器，Adaptive Real-Time MemoryAccelerator?）。ART技術使得程序零等待執(zhí)行，提升了程序執(zhí)行的效率，將Cortext-M4的性能發(fā)揮到了極致，使得STM32F4系列可達到210DMIPS@168MHz。自適應實時加速器能夠完全釋放Cortex-M4內核的性能;當CPU 工作于所有允許的頻率（≤168MHz）時，在閃存中運行的程序，可以達到相當于零等待周期的性能。STM32F4系列微控制器集成了單周期DSP指令和FPU（floating point unit，浮點單元），提升了計算能力，可以進行一些復雜的計算和控制。

4.能源供給方式

蛇形仿生機器人的能源供給方式有兩種選擇方案：有線方式和無線方式。

有線供能方式能夠保證充分的能量供給，但是導線本身的壓降以及導線與環(huán)境的摩擦或者是受到障礙物的影響等制約著機器人運動的靈活性及其對環(huán)境的適應能力。采用蓄電池這種無線方式可以在一定程度上提高靈活性以及適應能力。但是蓄電池的質量和體積較大，而且續(xù)航能力有限，選擇高能蓄電池來作為機器人的主要能源供給或者作為實際運行時的備用電源。

無線能量傳輸是指能量從能量源以無線的方式傳輸?shù)诫娯撦d的一個過程。當前人們研究無線能量傳輸技術主要有;

①輻射技術，通過某種獨特的接收器來接收空氣中的能量，并將其轉換成電能儲存在電池中，此種方法所能獲得的能量十分有限的。

②磁場共振技術，利用共振原理來傳遞能量。當兩個物體在共振時，實現(xiàn)能量的無線傳輸，但是在能量傳輸過程中很容易受到周圍電磁場的干擾，因此獲得的能量不夠穩(wěn)定。

③利用自然環(huán)境中的熱能，光能等，將其轉換成所需的能量。

④電感耦合技術。通過相對直接的接觸來進行能量傳輸?shù)模朔N方式雖然能夠穩(wěn)定地獲得相對較大的能量，但是傳輸距離很短。

綜合考慮，采取有線供能與高能蓄電池供能相結合的方式較為理想，當供電線路在影響機器人運動時，機器人可以分離供電線后依靠蓄電池供能而自行運動。在利用線路供能時，可同時將現(xiàn)場的情況傳回監(jiān)控中，方便救援人員更好地掌握現(xiàn)場的情況。

5.結論

本文設計了蛇形仿生機器人，能實現(xiàn)輔助探測復雜地形的功能，具備廣泛適用性等特點，運行正常，仍需改進，下一步將融合更多模塊，并且將會是可以隨意組裝的模塊化機器人，將更多的部件融會貫通，添加進來。

參考文獻

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[3]焦海坤，張?zhí)硪?，謝哲東.一種拉線式蛇形機器人設計與研究[J].中國農機化學報，2018，（08）

基金項目：國家級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目“蛇形仿生機器人”（202110066008）

作者簡介：代亞坤（2001-），男，本科生，自動化專業(yè)。