應用于廢墟環境的六足巡檢機器人

方嘉煒 莊子槺

摘 ?要：針對地震、礦難、山體滑坡、樓房倒塌等災害后的廢墟環境下，文章開發了一種基于足式運動的六足巡檢機器人，能夠適應各種復雜、惡劣的地形環境，并對指定的氣體進行檢測，跟蹤，定位;且該機器人能夠在較遠的通訊范圍正常的回傳采集數據以及圖像數據。

關鍵詞：復雜地形;六足;巡檢;機器人;stm32;系統

中圖分類號：TP242 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）22-0108-02

Abstract： Aimed at the debris environment after earthquake， mine disaster， landslide and building collapse， a hexapod inspection robot based on foot motion is developed in this paper， which can adapt to all kinds of complex and harsh terrain environment， and can detect， track and locate the designated gas. The robot can return the collected data and image data in the far communication range.

Keywords： complex terrain; hexapod; patrol; robot; stm32; system

前言

世界上每年都在發生著大量的自然災害和人為災害的破壞，如地震、泥石流、礦難等。這些災害必然造成嚴重的建筑物倒塌以及人員傷亡，發生災害后面臨的一個至關重要的問題，就是對幸存人員的搜索和營救，且相關研究表明，受困人員在72小時內未得到有效救援，其死亡的可能性就會急劇上升。然而，在復雜的廢墟環境下的搜救任務，也會給救援人員、受困人員帶來巨大的安全威脅，如二次坍塌等，這也導致救援工作開展的困難[1]。目前，美國、日本等發達國家已經研制出了各類的巡檢救援機器人，包含履帶式、蛇式、足式等機器人平臺。

本文在分析現有的廢墟環境下的巡檢機器人的基礎上，結合新興的利用氣體檢測技術，開發了可應用于廢墟環境下的復雜地形的巡檢六足機器人，并具有自動巡檢與手動遙控的工作方式，且帶有10倍變焦的攝像頭，能夠實現180°監控。

1 機械結構設計

六足機器人的整體結構如圖1所示。其運動結構主要由六條仿照多足昆蟲的腿部結構設計的機械腿構成[2]，根據多足昆蟲腿部三個自由度結構，設計出腰關節、髖關節、膝關節三個關節;并采用三個舵機模仿三個關節的動作。由于采用六足式的運動方式，18個關節，對應18個運動舵機進行控制。

為了使得搭載到機器人上的傳感器更加穩固，實現更好的檢測效果，本文在六足機器人的頭部上設置用于裝載攝像頭的云臺裝置，可根據地面站的指令進行轉動;且在底部還設計用于安裝檢測傳感器的固定支架。為了實現更好的運動控制效果，在機器人機身的前端安置兩個超聲波避障傳感器，并為之設計固定支架。

2 控制系統開發

六足巡檢機器人的控制系統框圖如圖2所示。主要由六足機器人運動以及云臺系統、無線通訊系統、攝像監控系統、氣體檢測系統、避障系統構成。

（1）六足機器人運動以及云臺系統

本系統采用stm32f103作為控制器，通過UART通訊接口與24路的舵機控制板進行連接，控制機器人上的18個運動舵機以及1個云臺舵機。舵機控制板上有24路的舵機控制信號，本文僅使用19路。stm32f103控制器通過發送串口指令，控制18個舵機轉動的特定的角度，實現六足機器人的前后左右運動、轉動等基本運動。通過發送串口指令，控制云臺電機，從而帶動攝像頭進行轉動，實現多角度的拍攝廢墟環境。

（2）無線通訊系統

六足巡檢機器人具有自動控制和手動控制兩種模式，模式的切換通過通訊指令來實現，手動控制同樣需要依賴可靠的通訊方式。特別在廢墟環境下，障礙遮擋物較多，距離較遠，通訊信號差，本文采用的433數傳技術實現對機器人無線控制能一定程度上的抵抗這些不足。433數傳模塊一般是成對使用，stm32f103控制器的UART接口與一個433數傳模塊進行連接，另一個433數傳模塊通過USB接口與地面站相連接，如此就可以實現穩定的機器人的手動控制，以及機器人回傳的數據信息。

（3）攝像監控系統

本系統采用10倍變焦的攝像頭，能更好的適應復雜的環境變化;通過5.8G圖傳模塊與地面站顯示器進行無線的圖像傳輸。類似的，5.8G圖傳模塊也是成對使用，一個發送、一個接收。5.8G發送子模塊搭載在六足巡檢機器人上，通過micro usb接口與10倍變焦的攝像頭的視頻輸出口相互連接;5.8G圖傳接收子模塊設置在地面站上，通過視頻線與顯示器相連接，通過顯示器可以直接看到攝像頭所拍攝到的畫面，如此便構成了機器人的攝像監控系統。

（4）氣體檢測系統

該六足巡檢機器人上搭載氣體檢測裝置，該裝置能夠將某種特定氣體的體積分數轉換為對應的電信號[3]。該裝置上搭載有二氧化碳傳感器，丙酮傳感器，氨傳感器，異戊二烯傳感器和檢測人體皮膚釋放出的化學物質的傳感器。stm32f103控制器通過捕獲各個傳感器輸出的電信號，將氣體的成分、濃度等信息進行計算并回傳到地面站，并采用定位跟蹤算法[4]，對氣體進行跟蹤。

（5）避障系統

避障系統通過測量運動方向上有無障礙物，若有的話則測量與障礙物的距離，到達一定的安全距離之后機器人自動停止運動，進入手動控制模式，并將信號反饋給地面站，等待工作人員進行下一步的操作，如后退或繞開障礙物，實現避障效果。通過stm32f103控制器的UART通訊接口與超聲波測距模塊相連接，發送指令獲取模塊測得的與障礙物的距離，該數據為十六進制，且以毫米為單位，需要進行轉換為十進制的數值。

3 結束語

六足巡檢機器人在模擬的廢墟環境下的測試結果為：機器人開始展開工作，基于QT開發的地面站上位機監控軟件能夠穩定可靠的接收到機器人檢測到的數據;并且通過上位機能切換機器人的工作模式，以及控制攝像頭的多角度轉動;顯示器能夠正常的顯示機器人回傳的圖像數據。檢測到特定氣味時，上位機能夠及時的發出警報。

綜上所述，本文針對廢墟環境下開發了一種足式運動的，基于氣味檢測的巡檢機器人，能夠有效地替代傳統的人工探測，實現廢墟的安全隱患排查。

參考文獻：

[1]張策，趙國存，張國宏.地震廢墟搜救機器人控制系統開發與應用[J].控制工程，2011（09）：77-79.

[2]謝鑫，李瓊麟，郭建.仿生六足機器人的設計與實現[J].機械制造，2017（10）：20-23.

[3]高偉，張興凱.基于氣味探測的礦井人員搜救設備探討[J].中國安全生產科學技術，2007（12）：117-120.

[4]王儉，趙鶴鳴.面向氣味跟蹤與定位的機器人變步長搜索算法[J].計算機工程與應用，2009（01）：243-248.