一種模塊化可變形搜救機器人的設計

賀修好?周威?方凱

摘 要：針對災難搜救過程中，搜救環境復雜，搜救開展困難等問題，模擬現實場景設計了一種模塊化可變形搜救機器碩士人。該搜救機器人采用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、揚聲器、LED指示燈等顯示單元，完成一定搜救區域內自動循跡、越障避障、自動變形、尋找搜救對象、記憶方位、標記位置和顯示信息等任務，為消防隊員災難救援工作提供多方面的幫助。在室內搜救中具有應用推廣價值。

關鍵詞：搜救機器人；自動變形；越障避障；位置標記

基金項目：國家級大學生創新創業訓練計劃項目（201410525003）資助。

1 引言

近年來，戰爭、恐怖襲擊等突發事件，地震、海嘯等自然災害及潛在的生化和爆炸物等嚴重威脅著人類的生命與財產安全。災難發生后的72小時為黃金搶救時間，但受災難現場的非結構化環境的影響，救援人員難以快速、高效、安全地進行工作，且救援任務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，很難進人現場并開展救援工作。而搜救機器人能夠代替搜救人員在災后第一時間進人災難現場，尋找幸存者，并對被困的幸存者提供及時的醫療救助服務，而且還可以進入搜救人員無法進入的現場，搜集現場的環境信息，并反饋給救援指揮中心，大大減少了救援工作的難度。

搜救機器人的研究可以給災難后搜救工作帶來很大方便。在災難發生后，可以將搜救機器人及時投入到搜救工作中，執行各種搜索、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。因此，搜救機器人已經成為未來災難救援的一個重要發展方向。在這個背景下，本項目應用MultiFLEX2-PXA270核心控制器和紅外接近傳感器、LCD顯示屏、攝像頭、揚聲器、LED指示燈以及“創意之星”模塊套件等部件，設計一種小型可變形搜救機器人，實現在搜救現場完成自動循跡、越障避障、變形、尋找搜救對象、記憶方位、標記位置和顯示信息等功能，為災難救援提供全方面的幫助。

2 設計任務

本課題設計擬解決以下幾個主要問題：

（1）.設計搜救機器人的運動平臺，能夠較快移動和變形移動，從而對多種狀況的災難現場進行循跡和搜尋；

（2）.利用自身各種傳感器感知搜尋范圍內的搜救對象，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行標記、監控及高效搜救。

在以上設計目標的基礎上，完成硬件機器人平臺的搭建和各功能程序的設計。

3 機器人平臺的搭建

機器人平臺的主要包括移動平臺、感知機構、變形機構、和信息顯示單元?？紤]到實際搜救場地的限制以及機器人按模擬方向來設計的整體情況，可以自己確定一塊合適的場地并模擬現場基本狀況，然后在這塊場地上進行所有的調試工作，為此，可以初步計劃該場地為一長方形的貼地矮臺，臺上應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境顏色的影響干擾，因此在設計場地和道具時應盡量搭配和協調好顏色，以確保后續的調試工作不受其它因素的干擾而順利進行。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，這相當于以這塊小場地來模擬整個實際搜救大環境。

3.1 移動平臺

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

本項目中要求機器人對工作環境的多種地形都具有一定的適應能力，并且能夠穩定運行，因此，綜合考慮設計要求，選擇輪式移動機構和可變形多足式移動相結合的移動平臺。

3.2 感知機構

為了對機器人及其周圍的環境進行檢測，在機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，可以大大改善了機器人工作狀況，使其使其更好地完成任務。

考慮到現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域內從區域的任意位置開始漫游搜索，直到搜索完整個區域。

3.3 變形機構

本項目機器人中的變形機構主要是為了搜救過程中的越障避障服務，以達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現越障操作。綜合考量后我們決定把變形機構安裝在機身兩側，形狀為舵機和標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身再向前移動實現越障處理，正常狀態時手臂收起不作操作處理。

3.4 信息顯示

搜救機器人最后要把搜救信息存入自身系統，并在LCD顯示屏上顯示，可以采用攝像頭和LCD綜合起來實現，其中攝像頭負責找尋傷員，傷員在攝像頭的長方形掃描區域內有一個點坐標，將此點坐標顯示在LCD上即可完成傷員位置標定，實現信息顯示。

機器人組裝步驟如下：

（1）從“創意之星”選好事先構想的機器人所需構件并構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）按照設計方案組裝好兩個機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的IO口；

（6）對尾部進行細節設計的安裝；

（7）整理包扎各種電源線、控制線，整體檢查機身確保安裝完好。

完成設計的機器人外形圖正面見圖1和背面見圖2。

圖1 搜救機器人正面圖

圖2 搜救機器人背面圖

用到的部件及功能如表1所示。

表1 搜救機器人部件

系統名稱 使用方案 功能描述

機械結構 標準部件和自己加工 搭建機器人主體結構

控制系統 MultiFLEX控制卡 整個機器人控制單元

感知系統 紅外接近傳感器 障礙物、傷員檢測

驅動系統 CDS5500機器人舵機 驅動機器人運作

工作電源 內置一組7.2V 2.5Ah 的鋰聚合物電池 機器人系統電源

4 系統程序設計

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

本搜救機器人運動規劃的總體流程圖如圖3所示：

圖3 總體流程圖

5 方案調試

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

6 結論

經過反復的調試和不斷查漏補缺，最終得到運行穩定和靈敏的可變形搜救機器人實物，運行過程中優先級明確，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新點，該機器人除了能準確及時發現傷員，而且還能即時更新和反饋傷員當前的大致位置坐標信息。本機器人在信息反饋形式和搜救策略上我們認為還有更大的提升空間，而且搜救現場的環境因素比如光線和溫度都會影響到機器人的搜救任務進行，這也是一大突破口，在今后的研究和探索過程中，可以改進搜救策略和感知器件以彌補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，學士，研究方向：智能控制技術

周威（1992-），男，湖北咸寧人，學士，研究方向：智能控制技術。

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用。