災(zāi)后救援仿生機(jī)器人設(shè)計(jì)＊

北京科技大學(xué)天津?qū)W院 厲登敏 朱永遠(yuǎn) 張偉

對于一些自然災(zāi)害產(chǎn)生后，傳統(tǒng)式救援方法效率不高、非常容易引起二次傷害的狀況，融合復(fù)雜的地勢環(huán)境與生物在繁雜地貌中機(jī)動靈活的特性，設(shè)計(jì)了一種用以災(zāi)后救援的仿生機(jī)器人，它主要是由遠(yuǎn)程監(jiān)控站和機(jī)器人本身構(gòu)成。遠(yuǎn)程監(jiān)控站關(guān)鍵承擔(dān)接受機(jī)器人送回的救援現(xiàn)場畫面，遠(yuǎn)程監(jiān)控和遙控機(jī)器人的下一步工作。機(jī)器人的核心由運(yùn)動控制系統(tǒng)、感應(yīng)器采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)等構(gòu)成。各系統(tǒng)之間相互配合，并根據(jù)效仿貓的運(yùn)動特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)在窄小室內(nèi)空間和繁雜地勢環(huán)境下迅速找尋生還者、精準(zhǔn)定位和傳回有效信息的作用。該災(zāi)后救援仿生機(jī)器人具備靈便、即時通訊的特點(diǎn)，可以協(xié)助進(jìn)行救援工作，具備一定的實(shí)用價值和行業(yè)應(yīng)用價值。

1 研究意義和背景

我國是世界上自然災(zāi)害頻繁發(fā)生的國家之一[1]。隨著災(zāi)難發(fā)生次數(shù)增多，其嚴(yán)重性、多樣性和復(fù)雜性也逐漸增加，按照黃金72h的救援原則，救援時間十分緊迫，救援人員需要在短的時間內(nèi)超負(fù)荷工作。由于過度疲勞引起的工作效率下降以及救援空間狹小，隨時可能會發(fā)生二次災(zāi)害使救援環(huán)境變得更加嚴(yán)峻，這些問題都給救援者帶來了巨大的困難及挑戰(zhàn)。相比傳統(tǒng)的人力搶險(xiǎn)救援，災(zāi)后救援仿生機(jī)器人擁有堅(jiān)硬的外表和靈活的身軀，具備高強(qiáng)適應(yīng)性。與此同時，機(jī)器人具有的定位被困人員的準(zhǔn)確位置和實(shí)施傳輸畫面等強(qiáng)大功能，也使得其能夠更加高效、精準(zhǔn)、安全以及全面的參與各種救援行動。因此，災(zāi)后救援仿生機(jī)器人的存在可以減少一些不必要的危險(xiǎn)。

在我國抗災(zāi)機(jī)器人和仿生學(xué)科學(xué)研究啟動比較晚，但十分受重視。例如，我國“863”方案支持地震救援輔助機(jī)器人的開發(fā)等。中國各高校、科學(xué)研究院所、企業(yè)單位等都開展了充分的科學(xué)研究，近些年獲得了較大進(jìn)步。2017年，我國國家科技部在《“十三五”公共安全科技創(chuàng)新專項(xiàng)規(guī)劃》中明確指出要獨(dú)立開發(fā)救援機(jī)器人作為關(guān)鍵高新科技裝備，并給予很多收益支持和現(xiàn)行政策具體指導(dǎo)[2]。在這樣的情況下，中國救援機(jī)器人產(chǎn)品研發(fā)逐漸迎來運(yùn)用的高峰時段。在這段時間，消防安全機(jī)器人和無人飛機(jī)慢慢在消防領(lǐng)域得到運(yùn)用；此外，地震救援機(jī)器人也在四川得到應(yīng)用；我國由北京理工、沈陽市自動化技術(shù)研究室、西安科技大學(xué)等單位共同開發(fā)的礦井機(jī)器人也成功得到使用；水下機(jī)器人也伴隨著“潛龍?zhí)枴毕盗袡C(jī)器人的運(yùn)用取得了較大發(fā)展。總的來說，在現(xiàn)行政策、要求等層面的不斷支持下，伴隨著人工智能技術(shù)、北斗導(dǎo)航系統(tǒng)等新技術(shù)的不斷發(fā)展，我國在援救機(jī)器人領(lǐng)域發(fā)展前景非常廣闊。

2 救援仿生機(jī)器人硬件系統(tǒng)

2.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)

災(zāi)后復(fù)雜的非結(jié)構(gòu)地面環(huán)境，為救援機(jī)器人帶來了極大的挑戰(zhàn)。為了使機(jī)器人能夠順利通過崎嶇的、含有不規(guī)則障礙物的道路，其應(yīng)該具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性、靈活性、持續(xù)續(xù)航能力、越障能力等性能。因此，基于對動物貓的仿生觀測實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，綜合其身體結(jié)構(gòu)、行走機(jī)理以及整體穩(wěn)定性等性能，構(gòu)建了一種救援仿生四足機(jī)器人。機(jī)器人機(jī)械本體由機(jī)身結(jié)構(gòu)、頭部結(jié)構(gòu)、尾部結(jié)構(gòu)減震和腿部結(jié)構(gòu)四部分組成共有11個自由度，其中腿部共有8個自由度，多個自由度可以顯著提高機(jī)器人運(yùn)動靈活性，并通過控制各個關(guān)節(jié)的擺角調(diào)整腿部姿態(tài)和機(jī)體重心，達(dá)到機(jī)器人穩(wěn)定的目的，不易發(fā)生側(cè)翻。因?yàn)樽闶綑C(jī)器人的機(jī)體和地面是分離的，所以不管路面情況復(fù)雜程度和腿部支撐點(diǎn)位置機(jī)器人都可以保持機(jī)體穩(wěn)定移動，并且運(yùn)動系統(tǒng)具有主動效果[3]。

2.2 運(yùn)動控制系統(tǒng)

2.2.1 四足運(yùn)動步態(tài)

四足機(jī)器人是一個復(fù)雜的多關(guān)節(jié)型機(jī)器人，要對其實(shí)施有效的控制，除了要對全身的多個驅(qū)動關(guān)節(jié)進(jìn)行準(zhǔn)確高效地控制外，各腿之間還要相互協(xié)調(diào)，共同完成行進(jìn)任務(wù)。然而各腿之間運(yùn)動空間的相互重疊、相互干擾，使得控制模型相對復(fù)雜。

依據(jù)貓的行走規(guī)律，對機(jī)器人進(jìn)行了合理的步態(tài)規(guī)劃。基于生物的行為特性，建立運(yùn)動學(xué)模型，將機(jī)器人分為前進(jìn)速度、跳躍高度以及姿態(tài)角度三個部分進(jìn)行分解控制，并且在一個運(yùn)動周期內(nèi)步態(tài)分為初始狀態(tài)、運(yùn)行狀態(tài)、調(diào)整狀態(tài)、運(yùn)行狀態(tài)、調(diào)整狀態(tài)。比如當(dāng)機(jī)器人前進(jìn)時，任何時刻都至少有三條腿支撐于地面，每次僅有一條腿抬起，四條腿依次擔(dān)任飛行腿，周期性的完成前進(jìn)過程[4]。

2.2.2 仿生四足機(jī)器人運(yùn)動控制

運(yùn)動控制系統(tǒng)是機(jī)器人實(shí)現(xiàn)自身功能的關(guān)鍵所在。災(zāi)后救援仿生機(jī)器人由超聲波測距模塊、GPS定位模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊和MPU6050模塊組成。超聲波測距模塊用于測距發(fā)現(xiàn)障礙物，為避障功能提供數(shù)據(jù)。此模塊安裝于眼睛處，與頭部兩個自由度相結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)最大限度地獲取周圍情況，為搜救機(jī)器人規(guī)劃路徑提供準(zhǔn)確的依據(jù)。GPS定位模塊的用途是實(shí)時獲取位置坐標(biāo)，對機(jī)器人行走軌跡進(jìn)行跟蹤并且對受災(zāi)者的位置精準(zhǔn)定位。以HuaDuino板作為電機(jī)驅(qū)動模塊，其有12個舵機(jī)接口且自帶穩(wěn)壓模塊和電源管理模塊，可以為大量的自由度提供強(qiáng)勁平穩(wěn)的動力，從而更好的實(shí)現(xiàn)搜救任務(wù)。MPU6050可以追蹤機(jī)器人的運(yùn)動狀態(tài)，使機(jī)器人能夠在復(fù)雜的地形上或者在受到外力作用時能夠自平衡。

2.3 傳感器系統(tǒng)

傳感器系統(tǒng)是救援機(jī)器人認(rèn)知周邊環(huán)境的關(guān)鍵。該傳感器系統(tǒng)主要由三大部分組成：紅外熱成像儀、ESP32-CAM攝像頭、氣體傳感器。災(zāi)后可能存在房屋倒塌等情況，機(jī)器人可以靈活的進(jìn)入塌方下并且通過紅外熱成像儀檢測到被困住的傷員，由于紅外熱成像儀既能在完全無光的情況下檢測，還能夠在漆黑的夜晚或是大霧中開展探測，因此搭載此傳感器的機(jī)器人可以大大提高搜救效率，避免搜救遺漏。應(yīng)用ESP32-CAM攝像頭，可以使后臺的搜救人員能夠?qū)崟r觀測到塌方下的情況，為搜救人員做出快速準(zhǔn)確的搜救方案提供途徑，并且為機(jī)器人提供行進(jìn)路線的指導(dǎo)。為了避免援救當(dāng)場存有有害或易燃易爆物品氣體，很有可能對救援人員的人身安全導(dǎo)致潛在性危害，在救援人員進(jìn)到施工現(xiàn)場前，選用氣體傳感器精確測量空氣中的有害物質(zhì)成份，以清除一些潛在性風(fēng)險(xiǎn)。

2.4 通訊系統(tǒng)

通信系統(tǒng)是搜救機(jī)器人服務(wù)器與遠(yuǎn)程監(jiān)控站中間信息互換的安全通道，關(guān)鍵承擔(dān)服務(wù)器與遠(yuǎn)程操縱終端設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸[5]。因此，通信系統(tǒng)的速度以及穩(wěn)定程度對救援仿生機(jī)器人系統(tǒng)的性能具有一定的影響。首先，機(jī)器人需要將現(xiàn)場的畫面實(shí)時傳輸給遠(yuǎn)程監(jiān)控站，以便遠(yuǎn)程操控人員能夠及時的獲取現(xiàn)場情況以及機(jī)器人狀態(tài)。其次，各傳感器所采集到的現(xiàn)場數(shù)據(jù)也需要發(fā)送給遠(yuǎn)程監(jiān)控站，與圖像信息相結(jié)合，為遠(yuǎn)程操控人員迅速做出有效的決策提供依據(jù)。最后，遠(yuǎn)程操控人員在獲得信息后，需要通過控制站將控制信號發(fā)送給主機(jī)端，從而規(guī)劃機(jī)器人的行走路線，幫助機(jī)器人更好地完成輔助搜救工作。

由于不允許機(jī)器人出現(xiàn)失控的狀態(tài)，視頻畫面和紅外熱成像畫面對通信要求較高[6]，因此上傳的畫面通過ESP32自帶的WiFI模塊連接由路由器搭建的無線局域網(wǎng)絡(luò)，將圖像通過網(wǎng)絡(luò)直接傳輸回客戶端，避免了對其他數(shù)據(jù)的干擾和視頻的卡頓。其他的傳感器數(shù)據(jù)以及客戶端發(fā)出的指令信號則使用AS32模塊通過LoRa物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)進(jìn)行傳輸，以此來保證該類信號在遠(yuǎn)距離通信中的穩(wěn)定性。通訊系統(tǒng)具體流程如圖1所示。

圖1 通訊系統(tǒng)Fig.1 Communication system

3 救援仿生機(jī)器人軟件系統(tǒng)

為了實(shí)現(xiàn)基本搜救的要求以及提高芯片工作效率，在程序設(shè)計(jì)上采取了模塊化處理，設(shè)計(jì)了主要包括主程序、圖像采集模塊、紅外探測模塊、超聲波測距模塊、驅(qū)動模塊、GPS定位模塊、通訊模塊七個模塊。圖像采集模塊負(fù)責(zé)采集現(xiàn)場畫面并上傳到客戶端；紅外探測模塊主要負(fù)責(zé)采集熱成像畫面尋找生命體；超聲波測距模塊主要用來在行進(jìn)過程中檢測前方障礙物；驅(qū)動模塊通過聯(lián)動控制各個舵機(jī)實(shí)現(xiàn)各種仿生動作；GPS定位模塊主要是在發(fā)現(xiàn)生命體時發(fā)送生命體位置；通訊模塊負(fù)責(zé)與客戶端遠(yuǎn)程通信，接受指令，上傳數(shù)據(jù)。各個模塊運(yùn)行的具體流程如圖2所示。

圖2 軟件流程圖Fig.2 Software flow chart

4 測試與分析

紅外熱成像儀通過區(qū)別人體與環(huán)境的輻射特性，將人體的輻射能量轉(zhuǎn)換成物理信號，通過成像系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成熱成像畫面[7]，來供救援人員判別是否有幸存者。它具有不受環(huán)境光照強(qiáng)度的影響、能耗低、準(zhǔn)確度高的特點(diǎn)，大大提高了搜救效率。為了檢測距離對紅外熱成像儀識別的影響，3名測試者被安排在了同一位置，表1記錄了紅外熱成像儀距離三名測試者不同位置檢測到的額頭溫度。由表1可以看出，紅外熱成像儀與人體距離越遠(yuǎn)，檢測到的溫度越低，但是溫度下降趨勢較小，識別范圍足以滿足搜救要求。具體數(shù)據(jù)如表1所示。

5 結(jié)論和分析

本文以四足機(jī)器人為研究對象加以仿生學(xué)，使機(jī)器人具有一定的靈活性和穩(wěn)定性。搭載各種傳感器，使其具有穿越障礙物、搜尋幸存者、監(jiān)控周圍環(huán)境、精準(zhǔn)定位、實(shí)時傳輸現(xiàn)場畫面給遠(yuǎn)程操控臺等能力。救援仿生機(jī)器人在危險(xiǎn)的環(huán)境中發(fā)揮自身優(yōu)勢，為救援人員提供現(xiàn)場的有效信息輔助搜救工作的開展，盡最大可能保證救援人員的安全并且提高救援工作的效率。救援仿生機(jī)器人在災(zāi)后救援工作中具有一定的實(shí)用價值。

表1 不同距離人體額頭溫度測量結(jié)果Tab.1 Measurement results of human forehead temperature at different distances

引用

[1] 陳洪富.城市房屋建筑裝修震害損失評估方法研究[D].哈爾濱:中國地震局工程力學(xué)研究所,2008.

[2] 科技部印發(fā)《“十三五”公共安全科技創(chuàng)新專項(xiàng)規(guī)劃》[J].中國應(yīng)急管理,2017(4):32-35.

[3] 陳媛.六足移動機(jī)器人的仿生機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與運(yùn)動學(xué)分析[D].天津:河北工業(yè)大學(xué),2015.

[4] 趙爽宇.四足仿生機(jī)器人步態(tài)控制與切換策略分析[D].成都:電子科技大學(xué),2014.

[5] 陳煒,馬利,王立柱.救援機(jī)器人通信系統(tǒng)的應(yīng)用和發(fā)展研究綜述[J].消防科學(xué)與技術(shù),2016,35(8):1117-1120．

[6] 李爽,李佳學(xué),于春洋,等.災(zāi)后救援機(jī)器人的設(shè)計(jì)研究[J].哈爾濱商業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2021,37(1):26-30.

[7] 嚴(yán)鳳花,嚴(yán)興科,何天有.醫(yī)用紅外熱像技術(shù)的應(yīng)用研究進(jìn)展[J].紅外技術(shù),2014,36(6):433-438.