“探險(xiǎn)者”號(hào)機(jī)器人設(shè)計(jì)

蔣冉 白學(xué)桐 王佳浩

摘要：現(xiàn)在生活中存在很多危險(xiǎn)系數(shù)高和人們無(wú)法開(kāi)展的工作。每年有成千上萬(wàn)的人因在危險(xiǎn)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(jìn)行。為解除工作中存在的安全隱患，更高效完成工作，設(shè)計(jì)了“探險(xiǎn)者”號(hào)機(jī)器人。運(yùn)用音頻收集裝置和360度攝像頭來(lái)采集音頻圖，通過(guò)化學(xué)傳感器來(lái)檢測(cè)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(huì)有任何影響。“探險(xiǎn)者”號(hào)機(jī)器人的研究和應(yīng)用對(duì)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(cè)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(jìn)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(huì)干擾信息獲取的可靠性，甚至?xí)：ξ覀兊纳．?dāng)我們要勘測(cè)一些狹窄，未知地區(qū)內(nèi)部具體情形時(shí)，人不便于進(jìn)入或進(jìn)入不了，這時(shí)環(huán)境信息的獲取就顯得極為困難;當(dāng)我們?cè)跒?zāi)害現(xiàn)場(chǎng)（地震，化學(xué)品泄漏等），危險(xiǎn)不能完全排除，但又要及時(shí)獲取現(xiàn)場(chǎng)內(nèi)部情況信息時(shí)，信息的獲取就會(huì)顯得尤為棘手;當(dāng)我們要長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)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(zhǎng)時(shí)間滯留），那么對(duì)人的要求就顯得非常高。“探險(xiǎn)者”號(hào)機(jī)器人可以代替工作人員去這些危險(xiǎn)的環(huán)境中進(jìn)行工作，通過(guò)攝像機(jī)和音頻處理器可及時(shí)、準(zhǔn)確的觀察到工作環(huán)境中的異常情況，通過(guò)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(wèn)題。

市面上出現(xiàn)過(guò)很多這類機(jī)器人，它們需要操作人員根據(jù)機(jī)器人周圍環(huán)境狀況和勘察任務(wù)進(jìn)展程度來(lái)實(shí)時(shí)規(guī)劃?rùn)C(jī)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(gè)機(jī)器人體積龐大，材料用量較高，且沒(méi)辦法準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)環(huán)境中存在的危險(xiǎn)，從而沒(méi)辦法高效完成工作。在現(xiàn)代市場(chǎng)的需求下，設(shè)計(jì)了“探險(xiǎn)者”號(hào)機(jī)器人，本文設(shè)計(jì)的“探險(xiǎn)者”號(hào)機(jī)器人通過(guò)化學(xué)傳感器可準(zhǔn)確判斷所勘測(cè)的環(huán)境如何，并轉(zhuǎn)化成電信號(hào)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸給工作人員，工作人員可實(shí)時(shí)接收到勘測(cè)環(huán)境中所存在的狀況，并及時(shí)有效的進(jìn)行休整。機(jī)器人具有外形輕巧和防撞特點(diǎn)，能提高應(yīng)對(duì)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(cái)產(chǎn)損失。

2.系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

該機(jī)器人可分為三部分：外部防摔結(jié)構(gòu)、內(nèi)部檢測(cè)結(jié)構(gòu)和控制裝置。其中外形基本結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的防摔能力，內(nèi)部勘測(cè)結(jié)構(gòu)可以實(shí)時(shí)報(bào)告所勘測(cè)的環(huán)境，我們通過(guò)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)或者手機(jī)軟件來(lái)進(jìn)行接收信號(hào)。

3.硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

“探險(xiǎn)者”號(hào)機(jī)器人的硬件系統(tǒng)主要由三個(gè)子系統(tǒng)協(xié)同工作，構(gòu)成閉環(huán)控制網(wǎng)絡(luò)，從而來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的勘測(cè)任務(wù)。

3.1外部防摔結(jié)構(gòu)

該機(jī)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(guò)多項(xiàng)測(cè)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(jī)器人可以完全被壓平、打開(kāi)，可以彈跳、耐高沖擊性，從高空落下也能繼續(xù)正常工作。機(jī)器人實(shí)際上是不受約束的，因?yàn)樗鼈兪菑埦o結(jié)構(gòu)，這意味著它們制成的桿都不會(huì)相互接觸。著陸過(guò)程中產(chǎn)生了一種張力，使機(jī)器人可以“變形”，而不會(huì)硬著陸。

3.2 內(nèi)部檢測(cè)模塊

1）音頻處理

本機(jī)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?cè)诿扛鶑椥孕U里安裝了一組360度攝像頭和音頻收集器，因?yàn)閿z像機(jī)的背光加強(qiáng)和夜視功能所以機(jī)器人可在光線較弱的環(huán)境拍攝。可實(shí)現(xiàn)對(duì)攝像機(jī)的焦距進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而拉近拉遠(yuǎn)圖像，實(shí)現(xiàn)光學(xué)調(diào)焦，從而達(dá)到更好的檢測(cè)效果。機(jī)器人通多音頻模塊可以對(duì)需勘測(cè)地區(qū)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。具備雙向聲音的傳輸系統(tǒng)，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人喊話，以及機(jī)器人所搜集畫面的音頻的雙向傳輸。如果勘測(cè)地有幸存者也可以進(jìn)行語(yǔ)音交流，可以通過(guò)喊話來(lái)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(hào)。機(jī)器人傳回現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的信息采用圖形的方式展現(xiàn)出來(lái)，方便技術(shù)人員直觀讀數(shù)。該機(jī)器人運(yùn)用到以下幾種傳感器：

（1）氣敏傳感器

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

（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(jī)器人運(yùn)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(guò)一個(gè)傳感器數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。采集板卡將采集到的各個(gè)他感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行打包，然后以一種與上位機(jī)約定的通訊協(xié)議進(jìn)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(jī)打包發(fā)送上來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)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(jìn)行打包傳輸給遠(yuǎn)程控制端，建立監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸。

3.3控制模塊

1）基礎(chǔ)控制

計(jì)算機(jī)控制模塊是我們機(jī)器人整個(gè)系統(tǒng)的主體，機(jī)器人在勘測(cè)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(jī)作為機(jī)器人的中央處理器，來(lái)配合機(jī)器人的各個(gè)傳感器。

2）遠(yuǎn)程控制

該機(jī)器人是一種可進(jìn)行遠(yuǎn)程控制的設(shè)備，利用計(jì)算機(jī)和示教器來(lái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。由于控制機(jī)的輸入和輸出是數(shù)字信號(hào)，而現(xiàn)場(chǎng)采集到的信號(hào)或送到執(zhí)行機(jī)構(gòu)的信號(hào)大多是模擬信號(hào)，因此與常規(guī)的按偏差控制的閉環(huán)負(fù)反饋系統(tǒng)相比，將探險(xiǎn)者機(jī)器人放到我們需勘測(cè)地時(shí)，技術(shù)人員可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況所需來(lái)控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)，在主計(jì)算機(jī)上就會(huì)顯示我們機(jī)器人所勘測(cè)地的現(xiàn)場(chǎng)情況，通過(guò)化學(xué)傳感器在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行排查。我們也能在主機(jī)上實(shí)時(shí)監(jiān)控到所勘測(cè)地的現(xiàn)場(chǎng)情況。可以根據(jù)機(jī)器人對(duì)所需勘測(cè)地的勘察情況來(lái)來(lái)進(jìn)行準(zhǔn)備。用戶可以通過(guò)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人控制系統(tǒng)的遠(yuǎn)程操控，使整個(gè)系統(tǒng)更加的智能化，進(jìn)而也會(huì)使客戶的操作更加的便攜化，大大的提高了操作性。通過(guò)計(jì)算機(jī)可以監(jiān)控到設(shè)備的狀態(tài)、機(jī)器人所處環(huán)境、機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)路徑，下達(dá)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)路徑的指令，然后機(jī)器人開(kāi)始它的勘測(cè)任務(wù)。

“探險(xiǎn)者”號(hào)機(jī)器人結(jié)構(gòu)圖如圖1所示

4.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

機(jī)器人軟件系統(tǒng)是保障機(jī)器人各部分正常運(yùn)行的基礎(chǔ)。“探險(xiǎn)者”號(hào)機(jī)器人的軟件包括機(jī)器人控制軟件和遠(yuǎn)程遙控軟件。遠(yuǎn)程控制軟件負(fù)責(zé)采集技術(shù)人員的控制意圖，然后傳輸給機(jī)器人，同時(shí)機(jī)器人傳回的圖像和數(shù)據(jù)信息以簡(jiǎn)便的人機(jī)交互方式展現(xiàn)在技術(shù)人員面前。而機(jī)器人軟件是機(jī)器人控制的基礎(chǔ)，完成對(duì)機(jī)器人各部分的數(shù)據(jù)采集，同時(shí)對(duì)控制盒傳輸?shù)男畔⑦M(jìn)行分析從而進(jìn)行上層的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃，然后將規(guī)劃的任務(wù)下發(fā)到下面的各部分。

運(yùn)動(dòng)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(duì)機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制。首先對(duì)底層控制系統(tǒng)各個(gè)硬件部分進(jìn)行初始化，對(duì)運(yùn)動(dòng)控制的組織協(xié)調(diào)級(jí)控制總線進(jìn)行初始化，同時(shí)對(duì)連接到控制總線上的電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行初始化。初始化通訊接口，按受遠(yuǎn)程控制端下發(fā)的控制信號(hào)，從而完成對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的初始化，等待控制命令進(jìn)行機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制。

5.結(jié)論

“探險(xiǎn)者”號(hào)機(jī)器人能在未知惡劣環(huán)境下完成現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境勘察的工作。機(jī)器人的應(yīng)用可以減少大量的重復(fù)性勞動(dòng)，大大提高工作效率、或完成人們自身沒(méi)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(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、音頻處理、傳感系統(tǒng)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，具有高度的集成性和優(yōu)良的控制性能，為機(jī)器人的探測(cè)工作奠定了基礎(chǔ)。

（2）設(shè)計(jì)了計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的軟件。采用模塊化方法對(duì)軟件進(jìn)行劃分，完成了電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)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(jì)。

經(jīng)過(guò)調(diào)試運(yùn)行發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)各個(gè)功能模塊運(yùn)行正常，基本實(shí)現(xiàn)制定的工作目標(biāo)。下一步將融合更多的控制模塊，并對(duì)“探險(xiǎn)者”號(hào)機(jī)器人的工作過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。

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基金項(xiàng)目：天津市大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目：“探險(xiǎn)者”號(hào)機(jī)器人（202110066055）