基于觸覺傳感的蛇形搜救機器人的設計與開發(fā)*

劉 健，王增增，李 帥，王若楠，劉文君，劉子銘，田景潤

（1.天津工業(yè)大學工程教學實習訓練中心，天津 300387；2.天津工業(yè)大學軟件學院，天津 300387；3.天津工業(yè)大學經(jīng)濟與管理學院，天津 300387；4.天津工業(yè)大學計算機科學與技術學院，天津 300387）

0 引言

近年來，地震、洪水、火災等自然災害頻發(fā)；此外，化工廠爆炸、有毒或放射性物質(zhì)泄露、礦難等意外事故也給人民生命財產(chǎn)安全帶來極大的威脅[1-2]。在如此大規(guī)模的災難中，復雜未知的特殊環(huán)境干擾著救援人員的營救進度，同時也對救援人員自身的生命安全帶來隱患[3]。因此，可替代救援人員深入災后廢墟環(huán)境、分擔一部分救援任務的機器人已成為應急救援領域的研究趨勢之一[4]。2001年美國“911”恐怖襲擊事件中，機器人被派遣在廢墟中執(zhí)行搜救任務，這是第一次由救援機器人執(zhí)行搜索和救援操作[5-6]。之后，在2017年墨西哥城發(fā)生的7 級地震中，由卡內(nèi)基梅隆大學研發(fā)的蛇形機器人參與了災后搜救工作，再次證明了機器人技術在大規(guī)模災難中的有用性。

隨著機器人行業(yè)的迅猛發(fā)展，日本、美國和中國等自然災害頻發(fā)的國家研發(fā)的救援機器人在災后現(xiàn)場的救援工作中發(fā)揮著越來越重要的作用[7]。傳統(tǒng)的救援機器人從構型上劃分主要有輪式、足式和履帶式等，這些機構在復雜的災后廢墟現(xiàn)場中有著各自的優(yōu)勢與不足[8-9]。輪式機器人的行走機構相對簡單，且滾動摩擦阻力小，運動速度快；但是，輪式機器人地面適應能力較差，其通常在相對平坦的地面作業(yè)。足式機器人的行走機構靈活性強，可應用于復雜的路況；但由于其機械結構復雜，維持平衡的難度較大，且易被廢墟中的雜物卡住。履帶式機器人越野能力強，適應地形能力較好[10-11]；其缺點是體積大，功耗高，靈活性不足，無法深入狹縫中搜救。

以上的救援機器人大多只針對地上作業(yè)，搜索范圍十分有限。為此，本文設計了一種仿生蛇形搜救機器人，其多自由度的特征和細長的體型有助于其深入到廢墟狹縫中搜尋被困人員[12]。當機器人在廢墟中行進時，若觸碰到障礙物，可借助其在頭部兩側(cè)位置安裝的觸覺感應來驅(qū)動電機發(fā)生姿態(tài)轉(zhuǎn)變，從而繞過障礙物。另外，該機器人身上配備了攝像頭和麥克風這類輔助設備，可進行一些環(huán)境探測和數(shù)據(jù)傳回工作。與此同時，該蛇形機器人的軀體中軸孔道中還可以夾持軟管，在機器人搜尋到受傷人員后，可為其輸送飲用水及流食的補給，為進一步的營救提供時間保證。

1 設計原理

1.1 運動模型建立

日本Hirose 教授提出的蜿蜒曲線模型因其運動效率高而得到廣泛的應用，該模型指出生物蛇蜿蜒運動時身體形狀時滿足正弦規(guī)律的平滑曲線[13]。本文采用簡化的曲線模型作為蛇形機器人運動步態(tài)的產(chǎn)生方式。

式中：s為蛇形機器人的弧長；(x(s),y(s))為從起點到弧長s處的點坐標；a、b、c為控制參數(shù)；t為時間。

將蛇形機器人簡化為n個連桿連接，每個段的長度為L，因此蛇形機器人的長度為s=iL（i=0，1，2，…，n），并且具有近似曲線如式（2）所示。將蛇形曲線近似為長度為L的線段的集合，假設L無窮小，利用積分就可以得到蛇形曲線，然而L不可能是接近無窮小的，但這種以實際單元模塊的長度來擬合蛇形曲線，得到的構型仍然具有蜿蜒運動的大致輪廓，該模型滿足式（2）。而行波步態(tài)和三維蜿蜒運動步態(tài)都是基于此原理公式，只是在蜿蜒運動曲線的基礎上加以變式而形成的[14]。

式中：(xi,yi)是桿之間的交點；θi為第i個桿與x軸的夾角；φi為第i個關節(jié)與第i-1 個關節(jié)的夾角；A為關節(jié)轉(zhuǎn)角的幅值；W為關節(jié)轉(zhuǎn)角的頻率；D為相位差；Y為整個關節(jié)系統(tǒng)偏轉(zhuǎn)角；i為關節(jié)數(shù)。

1.2 行波步態(tài)分析

行波步態(tài)是在蛇形機器在豎直平面內(nèi)的蜿蜒運動，其運動控制方程是機器人的俯仰關節(jié)按照公式（6）進行規(guī)律性的運動。然而值得注意地是，應使蜿蜒曲線的幅值盡可能小從而降低重心以維持蛇形機器人的平衡[15-16]。此外，還要通過調(diào)節(jié)控制參數(shù)使得形成的蜿蜒波形盡可能多以使蛇形機器人與地面之間形成足夠支撐點。

1.3 三維蜿蜒步態(tài)分析

在三維步態(tài)產(chǎn)生機制方面，該蛇形機器人具有水平和豎直兩種自由度，因此采用了基于水平面和豎直面的基本運動復合的思想，給出了三維蜿蜒步態(tài)的運動控制方程如下：

式中：A為激活函數(shù)；NID為電機的編號。

2 機械設計

蛇形搜救機器人使用XH540-W270-R 伺服舵機提供動力，舵機之間相互配合實現(xiàn)蛇形機器人的各種步態(tài)。如圖1 所示，根據(jù)伺服舵機的結構特點，設計了一款U形連接器件，使伺服舵機相互連接成為一個運動單元。兩舵機之間需要正交連接以此來保證蛇形搜救機器人在三維空間的運動能力。因此，U 形連接器被設計成由兩部分組成，其中一部分的頂端連接伺服舵機的動力輸出端，另一部分的頂端通過螺釘及其他零部件連接伺服舵機的另一端以增加牢固性。由于伺服舵機上半圓柱形卡扣的作用，連接件之間得以緊貼，并通過4 個螺釘與伺服舵機相連接形成了蛇形機器人圓柱形的型態(tài)。

圖1 單個關節(jié)結構圖

2.1 頭部關節(jié)結構設計

如圖2所示，蛇形機器人頭部關節(jié)由4部分組成：環(huán)形裝置、觸覺傳感器、攝像機與麥克風。其中，環(huán)形裝置是4 個半缸結構，其用來固定和包裹相關的設備。觸覺傳感器被貼在蛇頭關節(jié)的兩側(cè)位置，這樣保證機器人在接觸到障礙物時可以第一時間傳回壓力數(shù)據(jù)，然后按照實際情況對所有電機的力矩輸出進行調(diào)整，以此達到避障的目的。相機與麥克風被置于環(huán)形裝置中，其中出于對攝像頭的保護考慮，4 個半缸高于攝像頭的長度，避免攝像頭在蛇形機器人行進途中遭到磕碰。

圖2 頭部正視圖

2.2 整體結構設計

整條蛇形搜救機器人是由12 個伺服電機，即6個運動單元構成。如圖3 所示，從整體上看，12 個電機之間正交連接，相互之間由連接器件連接。我們還在每個U形連接器底部安裝了一個可拆卸的被動輪。此外，如圖4 所示，蛇形搜救機器人的尾部可牽引1 根透明的橡膠軟管以運送飲用水和葡萄糖等流體物資。

圖3 整體實物圖

圖4 整體結構

2.3 供電系統(tǒng)設計

蛇形搜救機器人采用直流電源作為系統(tǒng)總電源，機器人上的所有舵機并聯(lián)在電源上。主控芯片通過穩(wěn)壓模塊連接在電路上，機器人工作時，舵機所采用的電壓為7～12 V。為了使伺服舵機更出色地發(fā)揮出高性能水準，該機器人選用12 V的直流電源進行供電。

3 控制系統(tǒng)設計

3.1 控制系統(tǒng)

如圖5 所示，機器人上位機控制系統(tǒng)由指令層、計劃層和行為層組成。在蛇形搜救機器人運動過程中，安裝在機器人頭部的觸覺傳感器發(fā)生形變產(chǎn)生相應的電阻值變化信號，該信號經(jīng)轉(zhuǎn)換變成電信號后傳遞給模式控制器，模式控制器將該信號反饋給上位機，經(jīng)上位機在指令層進行數(shù)據(jù)處理后可以直接讀取采集的壓力數(shù)據(jù)，當壓力數(shù)據(jù)超過觸發(fā)轉(zhuǎn)向程序設置的閾值時，上位機會生成對應的控制信息。然后，控制信息經(jīng)過模式控制器轉(zhuǎn)化成運動參數(shù)后生成COM 軌跡，再回傳給上位機的規(guī)劃層。規(guī)劃層通過逆運動學計算角度軌跡，將信息被發(fā)送給行為層。最終，行為層通過PID 控制器將所需的角度位置轉(zhuǎn)換為扭矩值，驅(qū)動電機運動，使蛇形機器人本體完成相應的步態(tài)調(diào)整。與此同時，上位機接收麥克風采集的音頻信號和攝像頭采集的視頻信號，并分別通過揚聲器和屏幕外設進行播放和顯示。

圖5 控制系統(tǒng)原理框圖

3.2 觸覺驅(qū)動模塊

觸覺驅(qū)動模塊由在蛇形機器人頭部關節(jié)配置的柔性薄膜壓力傳感器組成，用于提高蛇形機器人在廢墟復雜環(huán)境內(nèi)的自適應能力。此款壓力傳感器體積小，精度高，且具有線性特征，是一種電阻與施加應變成正比的電阻器。我們可以根據(jù)其電阻值的變化，測算出外力。

該觸覺傳感器外接12 路藍牙控制器，可以根據(jù)具體需求來增減傳感器的個數(shù)。此外，該控制器在提高數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)集成度的同時也省去了電壓轉(zhuǎn)換模塊的連接。為獲取受力數(shù)據(jù)，薄膜壓力傳感器與控制器的IO 接口相連，同時控制器將壓力變化轉(zhuǎn)化為電壓變化通過串口回傳至PC 端。之后，PC 端利用BLE 控制器進行數(shù)據(jù)處理即可實時顯示12 路傳感器的接觸力數(shù)據(jù)。在接觸力所導致的電壓變化反饋給上位機后，上位機根據(jù)壓力數(shù)據(jù)通過逆運動學計算電機軌跡以驅(qū)動電機來改變機器人姿態(tài)變化。

3.3 視頻模塊

該模塊采用的是分辨率為1 920 pixel×1 080 pixel，幀速為60 f/s 的USB 2.0 工業(yè)攝像頭。圖像信息通過攝像頭與上位機相連的串口進行傳輸，并利用Python 語言對其進行視覺編程，可將從攝像頭獲取的圖像信息通過其自身所配備的USB線路傳輸至PC端顯示。這種實時的影像回傳將幫助進入災后廢墟的蛇形機器人獲取廢墟下地形狀況和被掩埋人員的生命跡象，并為救援工作的順利開展爭取到寶貴的時間。

3.4 音頻模塊

搜救機器人的音頻模塊使用內(nèi)置CSV 降噪芯片的全指向雙喇叭麥克風以便及時接收到受難者的信息，并在搜尋到幸存者之后及時了解幸存者的健康情況，從而為救援提供更準確和全面的信息。此外，所述麥克風可將采集到的聲音信息回傳至上位機，在上位機通過聲音控制面板可達到實時監(jiān)聽的效果。

4 測試驗證與結果分析

在完成機器人機械結構和控制系統(tǒng)設計的基礎上，對其進行功能測試：（1）檢查機器人的硬件設備和軟件是否成功連接；（2）檢查觸覺傳感器能否成功地將接觸力數(shù)據(jù)通過串口回傳至上位機；（3）檢查攝像頭是否能將廢墟內(nèi)影像傳回；（4）檢查麥克風是否實現(xiàn)對音頻信息的實時播報；（5）檢查機器人行波步態(tài)和三維蜿蜒步態(tài)下的運動效果。

將該蛇形機器人放進模擬場地里進行測試，當啟動電源以及運行程序后，機器人成功地連接并進行對應的運動。在測試過程中，機器人可以把觸覺傳感器測量的壓力數(shù)值傳至上位機并進行讀取。此外，還能實時地將視頻和音頻數(shù)據(jù)回傳至PC 端顯示和播放。圖6 中給出了A=π/6；W=π；D=-2π/9時蛇形機器人的行波步態(tài)，在實驗中觀察到，行波步態(tài)非常適合于狹窄空間的通過。圖7 展示了Ao=0.8；Ae=0.6；Wo=We=1.2；Do=De=2.5 時的三維蜿蜒步態(tài)實驗，此時測得機器人的速度為1.67 cm/s，當在砂石障礙物環(huán)境下，測得速度為0.68 cm/s。

圖6 機器人行波步態(tài)行走測試

5 結束語

本文以救援機器人為研究對象，結合災后廢墟的特殊環(huán)境狀況，研制了一種可深入廢墟狹縫中工作的基于觸覺驅(qū)動的蛇形搜救機器人。本文的創(chuàng)新內(nèi)容主要有以下三點。

（1）在普通蛇形機器人基礎上，對其機械結構進行了改造，優(yōu)化了“蛇頭”關節(jié)的設計以更好的安裝觸覺傳感器，實現(xiàn)基于觸覺感知的力矩控制。這使改良后的蛇形機器人可以滿足狹縫搜索的運動需求，實現(xiàn)了蛇形機器人應用上的創(chuàng)新。

（2）基于多種傳感器，廢墟內(nèi)的影像和聲音資料等被實時地傳到廢墟外，實現(xiàn)對倒塌廢墟的內(nèi)部搜索，極大地保證救援隊員的生命安全，為不同情況下的救援提供更多可能性。

（3）在蛇形機器人的軀體中軸孔道設置夾持裝置，可從軀體中軸孔道夾持軟管對廢墟下的被困人員處提供飲用水、葡萄糖等補給，從而為被困者補充必要的營養(yǎng)，同時為施救工作爭取到更多的時間。