一種模塊化可變形搜救機(jī)器人的設(shè)計(jì)

賀修好?周威?方凱

摘 要：針對災(zāi)難搜救過程中，搜救環(huán)境復(fù)雜，搜救開展困難等問題，模擬現(xiàn)實(shí)場景設(shè)計(jì)了一種模塊化可變形搜救機(jī)器碩士人。該搜救機(jī)器人采用MultiFLEX2-PXA270核心控制器和紅外接近傳感器、攝像頭等傳感器，采用LCD顯示屏、揚(yáng)聲器、LED指示燈等顯示單元，完成一定搜救區(qū)域內(nèi)自動循跡、越障避障、自動變形、尋找搜救對象、記憶方位、標(biāo)記位置和顯示信息等任務(wù)，為消防隊(duì)員災(zāi)難救援工作提供多方面的幫助。在室內(nèi)搜救中具有應(yīng)用推廣價值。

關(guān)鍵詞：搜救機(jī)器人；自動變形；越障避障；位置標(biāo)記

基金項(xiàng)目：國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（201410525003）資助。

1 引言

近年來，戰(zhàn)爭、恐怖襲擊等突發(fā)事件，地震、海嘯等自然災(zāi)害及潛在的生化和爆炸物等嚴(yán)重威脅著人類的生命與財產(chǎn)安全。災(zāi)難發(fā)生后的72小時為黃金搶救時間，但受災(zāi)難現(xiàn)場的非結(jié)構(gòu)化環(huán)境的影響，救援人員難以快速、高效、安全地進(jìn)行工作，且救援任務(wù)逐漸超出了救援人員的能力范圍，在救援人員自身安全得不到有效保證的情況下，很難進(jìn)人現(xiàn)場并開展救援工作。而搜救機(jī)器人能夠代替搜救人員在災(zāi)后第一時間進(jìn)人災(zāi)難現(xiàn)場，尋找幸存者，并對被困的幸存者提供及時的醫(yī)療救助服務(wù)，而且還可以進(jìn)入搜救人員無法進(jìn)入的現(xiàn)場，搜集現(xiàn)場的環(huán)境信息，并反饋給救援指揮中心，大大減少了救援工作的難度。

搜救機(jī)器人的研究可以給災(zāi)難后搜救工作帶來很大方便。在災(zāi)難發(fā)生后，可以將搜救機(jī)器人及時投入到搜救工作中，執(zhí)行各種搜索、救援工作，大大提高了搜救的效率和成功率，減少人員的傷亡和失蹤等意外事故，更好的為社會服務(wù)。因此，搜救機(jī)器人已經(jīng)成為未來災(zāi)難救援的一個重要發(fā)展方向。在這個背景下，本項(xiàng)目應(yīng)用MultiFLEX2-PXA270核心控制器和紅外接近傳感器、LCD顯示屏、攝像頭、揚(yáng)聲器、LED指示燈以及“創(chuàng)意之星”模塊套件等部件，設(shè)計(jì)一種小型可變形搜救機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)在搜救現(xiàn)場完成自動循跡、越障避障、變形、尋找搜救對象、記憶方位、標(biāo)記位置和顯示信息等功能，為災(zāi)難救援提供全方面的幫助。

2 設(shè)計(jì)任務(wù)

本課題設(shè)計(jì)擬解決以下幾個主要問題：

（1）.設(shè)計(jì)搜救機(jī)器人的運(yùn)動平臺，能夠較快移動和變形移動，從而對多種狀況的災(zāi)難現(xiàn)場進(jìn)行循跡和搜尋；

（2）.利用自身各種傳感器感知搜尋范圍內(nèi)的搜救對象，搜尋到并反饋處理；

（3）.對傷員位置信息予以跟蹤和顯示，便于搜救人員對未知傷員進(jìn)行標(biāo)記、監(jiān)控及高效搜救。

在以上設(shè)計(jì)目標(biāo)的基礎(chǔ)上，完成硬件機(jī)器人平臺的搭建和各功能程序的設(shè)計(jì)。

3 機(jī)器人平臺的搭建

機(jī)器人平臺的主要包括移動平臺、感知機(jī)構(gòu)、變形機(jī)構(gòu)、和信息顯示單元?？紤]到實(shí)際搜救場地的限制以及機(jī)器人按模擬方向來設(shè)計(jì)的整體情況，可以自己確定一塊合適的場地并模擬現(xiàn)場基本狀況，然后在這塊場地上進(jìn)行所有的調(diào)試工作，為此，可以初步計(jì)劃該場地為一長方形的貼地矮臺，臺上應(yīng)模擬有可越和不可越的障礙物以及傷員道具，考慮到傳感器和攝像頭在工作時受到環(huán)境顏色的影響干擾，因此在設(shè)計(jì)場地和道具時應(yīng)盡量搭配和協(xié)調(diào)好顏色，以確保后續(xù)的調(diào)試工作不受其它因素的干擾而順利進(jìn)行。此外，在這塊臺子上，要考慮到邊緣檢測，這是為了限制搜救場地的大小，這相當(dāng)于以這塊小場地來模擬整個實(shí)際搜救大環(huán)境。

3.1 移動平臺

移動平臺的工作環(huán)境非常復(fù)雜，其環(huán)境因素主要包括原有的天然環(huán)境，以及各種人工干預(yù)的環(huán)境，稱之為非結(jié)構(gòu)化環(huán)境。對移動機(jī)器人來說，非結(jié)構(gòu)化環(huán)境是復(fù)雜多樣的三維地形，一般由平坦的地面、障礙、斜坡、壕溝、臺階、淺坑等地形組成。

本項(xiàng)目中要求機(jī)器人對工作環(huán)境的多種地形都具有一定的適應(yīng)能力，并且能夠穩(wěn)定運(yùn)行，因此，綜合考慮設(shè)計(jì)要求，選擇輪式移動機(jī)構(gòu)和可變形多足式移動相結(jié)合的移動平臺。

3.2 感知機(jī)構(gòu)

為了對機(jī)器人及其周圍的環(huán)境進(jìn)行檢測，在機(jī)器人上安裝視覺傳感器、觸覺傳感器、力覺傳感器、接近覺傳感器、超聲波傳感器和聽覺傳感器，可以大大改善了機(jī)器人工作狀況，使其使其更好地完成任務(wù)。

考慮到現(xiàn)有器材以及所需功能等主客觀因素的限制，我們主要選擇了紅外接近傳感器來進(jìn)行搜救過程中對傷員、障礙物以及搜救邊緣的感知識別。搜索算法則采用的是在一個長方形區(qū)域內(nèi)從區(qū)域的任意位置開始漫游搜索，直到搜索完整個區(qū)域。

3.3 變形機(jī)構(gòu)

本項(xiàng)目機(jī)器人中的變形機(jī)構(gòu)主要是為了搜救過程中的越障避障服務(wù)，以達(dá)到順利找尋傷員的目的?？紤]到不可越障礙物存在，所以我們的越障策略是直接翻越跨過障礙物來實(shí)現(xiàn)越障操作。綜合考量后我們決定把變形機(jī)構(gòu)安裝在機(jī)身兩側(cè)，形狀為舵機(jī)和標(biāo)配件組成的手臂輪狀，越障時雙臂向前擺動一定角度撐起機(jī)身再向前移動實(shí)現(xiàn)越障處理，正常狀態(tài)時手臂收起不作操作處理。

3.4 信息顯示

搜救機(jī)器人最后要把搜救信息存入自身系統(tǒng)，并在LCD顯示屏上顯示，可以采用攝像頭和LCD綜合起來實(shí)現(xiàn)，其中攝像頭負(fù)責(zé)找尋傷員，傷員在攝像頭的長方形掃描區(qū)域內(nèi)有一個點(diǎn)坐標(biāo)，將此點(diǎn)坐標(biāo)顯示在LCD上即可完成傷員位置標(biāo)定，實(shí)現(xiàn)信息顯示。

機(jī)器人組裝步驟如下：

（1）從“創(chuàng)意之星”選好事先構(gòu)想的機(jī)器人所需構(gòu)件并構(gòu)想好各部件的安裝位置、角度及順序；

（2）安裝好輪子和底盤，并將控制器固定好在底盤上；

（3）按照設(shè)計(jì)方案組裝好兩個機(jī)械手臂并將其安裝在車身兩旁；

（4）安裝固定好LCD顯示屏、攝像頭、揚(yáng)聲器等器件；

（5）安裝紅外接近傳感器和LED小燈，確立好安裝位置和角度并將接口線插在相應(yīng)的IO口；

（6）對尾部進(jìn)行細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)的安裝；

（7）整理包扎各種電源線、控制線，整體檢查機(jī)身確保安裝完好。

完成設(shè)計(jì)的機(jī)器人外形圖正面見圖1和背面見圖2。

圖1 搜救機(jī)器人正面圖

圖2 搜救機(jī)器人背面圖

用到的部件及功能如表1所示。

表1 搜救機(jī)器人部件

系統(tǒng)名稱 使用方案 功能描述

機(jī)械結(jié)構(gòu) 標(biāo)準(zhǔn)部件和自己加工 搭建機(jī)器人主體結(jié)構(gòu)

控制系統(tǒng) MultiFLEX控制卡 整個機(jī)器人控制單元

感知系統(tǒng) 紅外接近傳感器 障礙物、傷員檢測

驅(qū)動系統(tǒng) CDS5500機(jī)器人舵機(jī) 驅(qū)動機(jī)器人運(yùn)作

工作電源 內(nèi)置一組7.2V 2.5Ah 的鋰聚合物電池 機(jī)器人系統(tǒng)電源

4 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

本次系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)主要包括：主函數(shù) int main（int argc， char * argv[]）、運(yùn)動函數(shù) Move（int forward，int turn）、燈閃函數(shù) Alert（）、信息顯示函數(shù) Display（）、邊緣檢測函數(shù) Check_edge（）、障礙處理函數(shù) Obstacle（）、尋找傷員函數(shù) Findperson（）等7個大函數(shù)模塊。

本搜救機(jī)器人運(yùn)動規(guī)劃的總體流程圖如圖3所示：

圖3 總體流程圖

5 方案調(diào)試

搜救機(jī)器人的調(diào)試是一個系統(tǒng)的工作，首先需要對機(jī)器人每一個控制電機(jī)的運(yùn)動角度，運(yùn)動速度進(jìn)行調(diào)試，還需要對機(jī)器人上各個傳感器進(jìn)行調(diào)試，在這些基礎(chǔ)調(diào)試工作做完的前提下，再對機(jī)器人功能程序進(jìn)行調(diào)試，主要包括：搜救平臺調(diào)試、道具調(diào)試、越障動作調(diào)試、避障動作調(diào)試、機(jī)器人變形動作調(diào)試、邊沿控制調(diào)試、搜救對象驗(yàn)證調(diào)試、最后是整體功能調(diào)試。

6 結(jié)論

經(jīng)過反復(fù)的調(diào)試和不斷查漏補(bǔ)缺，最終得到運(yùn)行穩(wěn)定和靈敏的可變形搜救機(jī)器人實(shí)物，運(yùn)行過程中優(yōu)先級明確，不卡死不冗亂，特別是搜救到傷員后的多重警示效果是一個創(chuàng)新點(diǎn)，該機(jī)器人除了能準(zhǔn)確及時發(fā)現(xiàn)傷員，而且還能即時更新和反饋傷員當(dāng)前的大致位置坐標(biāo)信息。本機(jī)器人在信息反饋形式和搜救策略上我們認(rèn)為還有更大的提升空間，而且搜救現(xiàn)場的環(huán)境因素比如光線和溫度都會影響到機(jī)器人的搜救任務(wù)進(jìn)行，這也是一大突破口，在今后的研究和探索過程中，可以改進(jìn)搜救策略和感知器件以彌補(bǔ)這些不利因素帶來的影響干擾。

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作者簡介

賀修好（1992-），男，湖北咸寧人，學(xué)士，研究方向：智能控制技術(shù)

周威（1992-），男，湖北咸寧人，學(xué)士，研究方向：智能控制技術(shù)。

方凱（1981-），男，湖北武漢人，講師，博士生，研究方向：多源信息融合理論與應(yīng)用。