“探險者”號機器人設(shè)計

蔣冉 白學(xué)桐 王佳浩

摘要：現(xiàn)在生活中存在很多危險系數(shù)高和人們無法開展的工作。每年有成千上萬的人因在危險而復(fù)雜的環(huán)境中作業(yè)而失去生命，但是這些高危工作又不得不去進行。為解除工作中存在的安全隱患，更高效完成工作，設(shè)計了“探險者”號機器人。運用音頻收集裝置和360度攝像頭來采集音頻圖，通過化學(xué)傳感器來檢測環(huán)境中各物質(zhì)的特性。它具有特殊的身體構(gòu)造，即使從高空摔落也不會有任何影響?！疤诫U者”號機器人的研究和應(yīng)用對工業(yè)生產(chǎn)保障，提高工作效率具有重大意義。

關(guān)鍵詞：勘測高危環(huán)境;360度攝像頭;特殊框架構(gòu)造

1.引言

隨著科技的進步，各行各業(yè)都在向智能化、信息化的方向發(fā)展，信息的獲取就顯得尤為的重要，但是在環(huán)境信息的獲取上仍然有許多因素會干擾信息獲取的可靠性，甚至?xí)：ξ覀兊纳?。當我們要勘測一些狹窄，未知地區(qū)內(nèi)部具體情形時，人不便于進入或進入不了，這時環(huán)境信息的獲取就顯得極為困難;當我們在災(zāi)害現(xiàn)場（地震，化學(xué)品泄漏等），危險不能完全排除，但又要及時獲取現(xiàn)場內(nèi)部情況信息時，信息的獲取就會顯得尤為棘手;當我們要長時間監(jiān)測一塊巨大區(qū)域的環(huán)境情況，而如果區(qū)域的環(huán)境非常惡劣（不適于人長時間滯留），那么對人的要求就顯得非常高。“探險者”號機器人可以代替工作人員去這些危險的環(huán)境中進行工作，通過攝像機和音頻處理器可及時、準確的觀察到工作環(huán)境中的異常情況，通過化學(xué)傳感器可判斷環(huán)境中的是否存在有毒氣體和空氣潮濕程度等問題。

市面上出現(xiàn)過很多這類機器人，它們需要操作人員根據(jù)機器人周圍環(huán)境狀況和勘察任務(wù)進展程度來實時規(guī)劃機器人的偵察工作，且構(gòu)成它們外部結(jié)構(gòu)的材料笨重，整個機器人體積龐大，材料用量較高，且沒辦法準確發(fā)現(xiàn)環(huán)境中存在的危險，從而沒辦法高效完成工作。在現(xiàn)代市場的需求下，設(shè)計了“探險者”號機器人，本文設(shè)計的“探險者”號機器人通過化學(xué)傳感器可準確判斷所勘測的環(huán)境如何，并轉(zhuǎn)化成電信號通過網(wǎng)絡(luò)傳輸給工作人員，工作人員可實時接收到勘測環(huán)境中所存在的狀況，并及時有效的進行休整。機器人具有外形輕巧和防撞特點，能提高應(yīng)對和處理突發(fā)事件、加快事故處理速度、降低事故產(chǎn)生的財產(chǎn)損失。

2.系統(tǒng)總體設(shè)計

該機器人可分為三部分：外部防摔結(jié)構(gòu)、內(nèi)部檢測結(jié)構(gòu)和控制裝置。其中外形基本結(jié)構(gòu)具有較強的防摔能力，內(nèi)部勘測結(jié)構(gòu)可以實時報告所勘測的環(huán)境，我們通過計算機控制系統(tǒng)或者手機軟件來進行接收信號。

3.硬件設(shè)計與實現(xiàn)

“探險者”號機器人的硬件系統(tǒng)主要由三個子系統(tǒng)協(xié)同工作，構(gòu)成閉環(huán)控制網(wǎng)絡(luò)，從而來實現(xiàn)機器人的勘測任務(wù)。

3.1外部防摔結(jié)構(gòu)

該機器人外形是由具有彈性的小桿交叉而成的球型，其中小桿的兩端用彈簧相互連接并支撐，該結(jié)構(gòu)經(jīng)過多項測試證明是可以壓縮的兼容結(jié)構(gòu)，因此它們可以承受一定范圍內(nèi)的大力沖擊。所以機器人可以完全被壓平、打開，可以彈跳、耐高沖擊性，從高空落下也能繼續(xù)正常工作。機器人實際上是不受約束的，因為它們是張緊結(jié)構(gòu)，這意味著它們制成的桿都不會相互接觸。著陸過程中產(chǎn)生了一種張力，使機器人可以“變形”，而不會硬著陸。

3.2 內(nèi)部檢測模塊

1）音頻處理

本機器人外形是由具有彈性的小桿交叉而成的球型，其中小桿的兩端用彈簧相互連接并支撐，我們在每根彈性小桿里安裝了一組360度攝像頭和音頻收集器，因為攝像機的背光加強和夜視功能所以機器人可在光線較弱的環(huán)境拍攝。可實現(xiàn)對攝像機的焦距進行調(diào)節(jié)，從而拉近拉遠圖像，實現(xiàn)光學(xué)調(diào)焦，從而達到更好的檢測效果。機器人通多音頻模塊可以對需勘測地區(qū)進行實時監(jiān)控。具備雙向聲音的傳輸系統(tǒng)，來實現(xiàn)對機器人喊話，以及機器人所搜集畫面的音頻的雙向傳輸。如果勘測地有幸存者也可以進行語音交流，可以通過喊話來尋找幸存者。

2）傳感器

化學(xué)傳感器能將各種化學(xué)物質(zhì)的特性（比如氣體、離子、電解質(zhì)濃度、空氣濕度等）的變化定性的或定量的轉(zhuǎn)化成電信號。機器人傳回現(xiàn)場環(huán)境的信息采用圖形的方式展現(xiàn)出來，方便技術(shù)人員直觀讀數(shù)。該機器人運用到以下幾種傳感器：

（1）氣敏傳感器

該機器人內(nèi)部安裝有氣敏傳感器，它可以檢測特定的氣體。我們可以應(yīng)用在一氧化碳氣體的檢測、瓦斯氣體的檢測、氟利昂（R11、R12）的檢測。

（2）濕敏傳感器

濕敏傳感器主要由兩部分組成：濕敏元件和轉(zhuǎn)換電路，該機器人運用的是電解質(zhì)（氯化鋰）電阻濕敏傳感器，該濕敏傳感器最適用于濕度控制領(lǐng)域。

所有傳感器的數(shù)據(jù)都是通過一個傳感器數(shù)據(jù)采集卡進行數(shù)據(jù)采集。采集板卡將采集到的各個他感器的數(shù)據(jù)進行打包，然后以一種與上位機約定的通訊協(xié)議進行數(shù)據(jù)通訊。傳感器軟件部分的主要任務(wù)包括兩部分，一部分是將下位機打包發(fā)送上來的數(shù)據(jù)進行拆包，提取出有用的數(shù)據(jù);另一部分為將提取出的有效數(shù)據(jù)在進行打包傳輸給遠程控制端，建立監(jiān)測數(shù)據(jù)的遠程傳輸。

3.3控制模塊

1）基礎(chǔ)控制

計算機控制模塊是我們機器人整個系統(tǒng)的主體，機器人在勘測的所獲得的所有數(shù)據(jù)處理工作全都由它完成。采用STM32單片機作為機器人的中央處理器，來配合機器人的各個傳感器。

2）遠程控制

該機器人是一種可進行遠程控制的設(shè)備，利用計算機和示教器來實現(xiàn)遠程控制。由于控制機的輸入和輸出是數(shù)字信號，而現(xiàn)場采集到的信號或送到執(zhí)行機構(gòu)的信號大多是模擬信號，因此與常規(guī)的按偏差控制的閉環(huán)負反饋系統(tǒng)相比，將探險者機器人放到我們需勘測地時，技術(shù)人員可以根據(jù)現(xiàn)場情況所需來控制機器人運動，在主計算機上就會顯示我們機器人所勘測地的現(xiàn)場情況，通過化學(xué)傳感器在現(xiàn)場進行排查。我們也能在主機上實時監(jiān)控到所勘測地的現(xiàn)場情況?？梢愿鶕?jù)機器人對所需勘測地的勘察情況來來進行準備。用戶可以通過計算機實現(xiàn)對機器人控制系統(tǒng)的遠程操控，使整個系統(tǒng)更加的智能化，進而也會使客戶的操作更加的便攜化，大大的提高了操作性。通過計算機可以監(jiān)控到設(shè)備的狀態(tài)、機器人所處環(huán)境、機器人的運動路徑，下達機器人運動路徑的指令，然后機器人開始它的勘測任務(wù)。

“探險者”號機器人結(jié)構(gòu)圖如圖1所示

4.系統(tǒng)軟件設(shè)計

機器人軟件系統(tǒng)是保障機器人各部分正常運行的基礎(chǔ)?！疤诫U者”號機器人的軟件包括機器人控制軟件和遠程遙控軟件。遠程控制軟件負責(zé)采集技術(shù)人員的控制意圖，然后傳輸給機器人，同時機器人傳回的圖像和數(shù)據(jù)信息以簡便的人機交互方式展現(xiàn)在技術(shù)人員面前。而機器人軟件是機器人控制的基礎(chǔ)，完成對機器人各部分的數(shù)據(jù)采集，同時對控制盒傳輸?shù)男畔⑦M行分析從而進行上層的運動規(guī)劃，然后將規(guī)劃的任務(wù)下發(fā)到下面的各部分。

運動控制主線程的主要功能是依據(jù)通訊系統(tǒng)傳輸?shù)目刂茢?shù)據(jù)對機器人進行運動控制。首先對底層控制系統(tǒng)各個硬件部分進行初始化，對運動控制的組織協(xié)調(diào)級控制總線進行初始化，同時對連接到控制總線上的電機運動控制驅(qū)動器進行初始化。初始化通訊接口，按受遠程控制端下發(fā)的控制信號，從而完成對機器人運動控制系統(tǒng)的初始化，等待控制命令進行機器人運動控制。

5.結(jié)論

“探險者”號機器人能在未知惡劣環(huán)境下完成現(xiàn)場環(huán)境勘察的工作。機器人的應(yīng)用可以減少大量的重復(fù)性勞動，大大提高工作效率、或完成人們自身沒辦法完成的任務(wù)。

主要的研究工作和結(jié)論總結(jié)如下：

（1）完成了機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計、音頻處理、傳感系統(tǒng)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計，具有高度的集成性和優(yōu)良的控制性能，為機器人的探測工作奠定了基礎(chǔ)。

（2）設(shè)計了計算機控制系統(tǒng)的軟件。采用模塊化方法對軟件進行劃分，完成了電機伺服驅(qū)動控制、環(huán)境信息數(shù)據(jù)采集與處理、視音頻采集與處理的設(shè)計。

經(jīng)過調(diào)試運行發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)各個功能模塊運行正常，基本實現(xiàn)制定的工作目標。下一步將融合更多的控制模塊，并對“探險者”號機器人的工作過程進行優(yōu)化改進。

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基金項目：天津市大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目：“探險者”號機器人（202110066055）