一種智能仿生救援機器人的設計

薛樂樂

【摘 要】我國是一個自然災害多發的國家，尤其是地震或失火等災害常常帶給人們巨大的財產和人身傷害，并且這些災害發生后的救援行動通常因為空間、環境復雜等因素而變得比較困難。近年來機器人技術不斷發展，讓機器人代替人去進行救援能夠較好地解決這類問題。本文介紹了一種智能的仿生救援機器人，對于在較復雜環境中進行救援活動的問題，有較好的解決方法。

【關鍵詞】仿生；救援；機器人

在自然界和人類社會中總有一些人類難以到達的地方，以及有可能危及人類生命安全的特殊地點。比如，災難發生的礦井下面、防災救援活動中等。常見的移動或行走機構有傳統輪胎式和履帶傳動式。傳統的輪胎式在實際應用中又因地形或天氣不同有不同的種類和應用，如越野胎、雨胎等，且使用的輪胎的數量也因應用環境不同而存在差異。傳統的輪胎式優點是移動速度快、靈敏。

對于履帶傳動式，它不如傳統輪胎那樣移動迅速，但是它的應用也非常廣泛。通常人們需要排除障礙物或者危險物的作業地點的環境是較為惡劣的，在極端的條件下傳統輪胎就失去了用武之地，此時，履帶傳動可以很好地解決這一問題。對于野外的沙地、山路、階梯等較復雜的地形，履帶都能夠順利通過。

不同于傳統輪胎和履帶移動方式的機器人，仿生的步行機器人在較復雜環境中的行走具有獨特的優越性。在機器人行業不斷發展的背景下，行走機器人也正在蓬勃發展。仿生機器人的行走軌跡是一系列離散的足跡。移動時，只需離散點接觸地面，對環境的破壞也較小。它可以在可能接觸的地面上選擇最佳的支撐點，并能夠自主適應崎嶇不平的地形。正因為如此，行走類機器人對環境的破壞是小的，這在震后救援活動中顯得尤為重要。因為要在災后救援行動中避免受困者受到二次傷害，因此避免對周圍環境的破壞是救援行動的前提。傳統的輪胎和履帶式傳動機構在行走過后留下的是一系列連續的車轍。但是在崎嶇的地形中，諸如巖石、土壤、沙子、甚至懸崖和陡坡等障礙物，能夠提供給機器人連續的路徑的地段非常有限。這就意味著輪式和履帶式機器人不能夠再適合于這種地形。對仿生機器人的行走來說，用于移動的腿具有更高的自由度，同時也能夠使運動的靈活性大大增強。通過調整腿部長度，或通過調整腿部伸展來調整重心位置，可以讓機器人不易翻身，提高穩定性。

仿生原理：為了更好地適應地形，本設計使用了六條腿的機器人。六足機器人又稱為蜘蛛機器人，因為它的形狀類似于蜘蛛，是一種多足機器人。對于六足機器人，我們從自然昆蟲運動的原理中了解到，腳是昆蟲的器官。我們都知道昆蟲是以三條腿行走的，一邊的前足、后足與另一邊的中足是一組。這樣，就形成了一個三角形的框架。當三條腿放在地上向后蹬時，剩余的三條腿被抬起。在前腳爪向前并拉動固定物體后，腳用于支撐身體，將腳掌抬起在身體的一側，然后推動身體向前。如果將這種行走方式運用到機器人上，便可以解決機器人在更困難的工作環境中的行走問題。

在已經設計好機器人的肢體的基礎上，還需要考慮帶動肢體進行行走的機構，即舵機。不同于其他的電機，舵機又叫伺服電機，它最早是被廣泛用于船舶上的，為的是實現轉向的功能。之后，因為其可以通過軟件的編程實現控制其轉角而又用于各種各樣的關節運動中。在本設計中，使用多自由度的舵機來控制仿生機器人腿部的運動，能夠大大地提高穩定性，且設計較簡單、體型較小。

除了機器人的運動裝置外，其余部分主要包括控制裝置和其他輔助裝置。對于控制裝置，就是我們通常所說的機器人的大腦，又稱為CPU。它是整個機器人的設計中最重要的部分，機器人所能執行的一切命令都由它所發出，同時機器人從外界采集到的信息也要經過中央處理器的處理，然后再決定下一步做出怎樣的調整。在本設計中采用的主控主要是單片機，80C51系列、ARM系列和STM32系列的單片機均可以。

對于其他輔助裝置，主要分為兩部分，一部分是攝像頭，另一部分是超聲測距模塊。在危險且狹小的環境中，人們無法直接觀測到周圍環境的狀況，為了解決這個問題，在此采用攝像頭來代替人眼來采集環境中的圖像信息。圖像信息被攝像頭采集后，通過無線通訊的方式來傳輸給人們所觀測的PC端或者移動端。這里的無線通訊方式包括現在普遍使用的WI-FI通信或者藍牙通信。對于具體的攝像頭模塊，采用基于STM32單片機的OV7670攝像頭，此攝像頭屬于CMOS器件并且自身帶有標準的SCCB接口。除此之外，此款攝像頭能夠兼容IIC接口。另外，其內置的器件主要有感光序列、時序發生器、AD轉換器、數字信號處理器、模擬信號處理裝置等。

攝像頭的工作流程為：首先光照射到感光陣列，由感光陣列產生電荷，這些電荷會被送到具體的模擬信號的處理裝置或者處理單元中，之后再經由AD轉換器將此信號轉換為數字信號。因為計算機無法直接對采集到的模擬信號進行相應的處理，所以需要一個轉換器用來將模擬信號轉換為相對應的計算機能夠識別并進行處理的數字信號。然后將數字信號輸入進DSP中進行處理，即實現插值到RGB信號，最后再將信號輸出到屏幕上。

超聲測距模塊，在本設計中采用HC-SR04超聲波測距模塊，這個模塊能夠實現測量非接觸情況下的2cm-400cm的距離，同時測量的精度高達3mm。其模塊主要包括超聲波發射器、接收器和控制電路。測量的角度為15度，輸入的觸發信號為10us的TTL脈沖，而輸出的回響信號為TTL電平信號，其與射程成比例。超聲波測距的原理主要就是自身發射一個超聲波，然后發射出去的波遇到物體再反射回來，自己仍然能夠檢測到，根據波速和發射的波反射回來的時間能夠確定物體距離自身的距離。我們可以利用其檢測物體的功能通過適當的軟件編程來實現當機器人距離障礙物過近時，讓它自己進行移動，直至面前沒有障礙物，能夠向前移動為止，這樣可以避免在復雜的環境中人為地操控機器人不夠靈活的情況。

本文通過設計合理的腿部模型，并且采用攝像頭模塊、超聲測距模塊等來設計實現了一種工作在危險、復雜環境中的智能救援機器人，它能夠自動進行避障，以減少救援行動中的阻力，同時可以實時傳輸視頻信號來幫助施救人員進行救援行動。

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