震后救災機器人設計及應用

吳園園 潘麗雯 卿禹翔 郭 婉 陳 科

（武漢輕工大學,湖北 武漢 430000）

1 引言

近年來地震頻發，來不及逃出建筑物的幸存者被掩埋在廢墟之下，可能處于傷口感染、血流過多、缺水的危險之中。救援人員也面臨著余震的威脅。地震救援機器人的存在可以減少一些不必要的危險。由于地震災害救援的復雜性，大面積的倒塌可以借助挖掘機等大型的搬運救災機器人，而對于及時向幸存者施救而言，這些大型設備無用武之地，這時就需要一些特定的小型機械設備來完成。

這些研究在一些國家已經有所成就，日本研究專家SatoshiTadokoro發明的Snakebot[1]，依靠裝有動力裝置的尼龍繩索進行驅動，可以深入災后廢墟的各個狹小角落。其利用攝像機可以使救援者了解并控制受災區域的內部情形。日本千葉工業大學設計了一款呼吸探測機器人Quince，身量小卻能打開門把手，遞送食物或其他所需品。

我國就在機器人的研究相對比較晚，但是受到了高度的重視，我國沈陽自動化研究所研制的廢墟搜索機器人[2]利用其攜帶的紅外攝像機與聲音傳感器等裝置，能把廢墟內的情形傳送給救援人員方便展開施救。國防科技大學在2001年研制了一種蛇形機器人[3]，操作移動十分靈活。但它們的缺點是在廢墟間隙及時供給物資上的研究還有所欠缺。

2 救援機器人結構設計

2.1 救災機器人總體設計

本文設計了一款可以對廢墟內部進行生命探測并穿進廢墟管道補給的救災機器人，例如急救藥劑和供氧管道的部署以及攜帶一些簡易自救工具，來增加待救援人員的生存概率，保障其生命體征正常，從而為救援贏得寶貴的時間。

總體設計圖如圖1所示，對地震現場智能采樣，首先利用高靈敏度人體紅外傳感器探測掩埋幸存者位置及規劃機器人通向該處路徑，驅動六足移動底盤至目標地點，然后利用超聲波傳感器對廢墟內部結構勘測，對穿間隙模塊移動路線進行計算，驅動穿間隙模塊深入廢墟內部向幸存者供給水或氧氣。穿間隙模塊設有攝像頭、CO2傳感器及通訊、照明設備，能及時將周圍環境和幸存者生命狀況輸送到終端。

2.2 移動底盤設計

圖1 機器人總體結構設計圖

采用一種仿生六足爬行底座，控制該機器在地震廢墟這樣的復雜路面上運動。傳統的履帶式機器人具有結構簡單、牽引力大和不易打滑等優點，在平坦的路面工作效率高、運行速度快，可以發揮很大功效，但是它在應付極端條件下發揮的作用微乎其微。而多足機器人有著良好的適應地形的能力、極高的穩定性[4]，可以在不適合大多數履帶和輪式機器人運動的環境下平穩地移動。目前，常見的步行機器人以兩足式、四足式機器人應用較多，其中的兩足式和四足式機器人相對六足式機器人腿部個數較少，腿部關節自由度較少，運動不夠靈活，動態穩定性較差，同時六組機構在運行過程中對地面壓強小，可以穿過一些不耐壓的地段，可以經過較陡路段。而在災后地區中，崎嶇地形是這種地區的特征之一，對于六足機器人而言，它比四足和兩足機器人的自由度多，調整重心的方式更加靈活，穩定性比四足和兩足機器人的要更高。

2.3 腿型及步態設計

該六足機器人采用半圓形履帶式腿型[5]，腿上只有一個關節，由一個舵機驅動，每個伺服電機通過舵機分別驅動一個半圓弧足，使之產生周期性往復運動。確定本機器為三角形步態，6條腿分布在身體的兩側，身體左側的A1、C1及右側的B2為一組，右側的前A2、C2和左側的B1為另一組，如圖2所示。每次運動時其身體支撐點構成一個以A1、C1、B2或A2、C2、B1為支撐點的大三角形。依靠大腿前后劃動實現支撐和擺動過程，完成運動過程。

圖2 步態設計示意圖

在機身底板處放置傳感器模塊（熱釋紅外傳感器、超聲波傳感器、溫度傳感器）、藍牙接收器和電源電池。攝像頭位于機器人前方，后方放置有盤形容器，容器內部放置救災物品，該容器外部圍繞導管，導管最前端安裝三面驅動的履帶機構，容器內的液體可利用導管運輸，同時在容器底部安裝有電機，使得該容器可以旋轉，底板設計與半圓弧足設計圖如圖3、圖4所示。

圖3 底板各元件分布圖

圖4 半圓弧足間隙履帶分布設計圖

2.4 穿隙機構設計

考慮到廢墟容易引起二次坍塌，機器人受體積限制無法裝載足夠物資；且通道不規則，如采用機械手穿過間隙通道，機械手必須具有自由度多且長度長等特點，在控制與設計上實現度太低。這里采用移動底盤上運載物資并不進入廢墟內部、設有饒性穿隙機構深入廢墟的方案。

在輸送軟管前端安裝三面驅動的履帶機構，該三面驅動的履帶機構包括3個履帶裝置，每個履帶裝置相互之間的夾角為60°，當進入較小的縫隙機器人能借助履帶裝置提供驅動力進入復雜的廢墟內部。該機構的外部采用輕型耐磨塑料作為主要結構，既減輕了驅動裝置的重量，又降低了加工的成本。該機構的每個履帶配備壓力傳感器、位置及力矩侍服器等配套裝置，檢測到有壓力的時候電機才會有相應的轉動，同時履帶能與地面產生較摩擦，可以適應多種地形，能在狹小縫隙中快速移動。在該機構的最前端配置有紅外線探測頭，可反饋對環境的監視數據。輸送導管采用了一種柔性耐壓管件金屬波紋軟管，擁有高柔韌性、抗扭曲、高彎曲性、耐摩擦、耐酸性腐蝕等特點。復位是借助儲料容器件回轉收起管道。

3 控制中心

3.1 舵機驅動芯片和主控芯片

控制部分選擇了以ARM架構Cortex-m3內核的STM32F103系列的單片機(STM32F103RBT6)為主控芯片，該系列單片機資源豐富，利用穩壓芯片給單片機的管腳進行5V供電，供電方便。為了存儲視覺信息，方位信息等并分析，我們使用W25Q64FLASH存儲芯片，此芯片中，_CS、SPI_MISO、SPI_SCK和SPI_MOSI四個引腳與單片機的硬件SPI接口進行連接。

圖5 為控制程序框圖。

3.2 通訊部分

主控板亦連接舵機控制板，通過主控板與電腦的藍牙通信來實現電腦對機器人的遠程控制，采用UART接口，外圍IO口通訊。主控板與舵機控制板的通訊則采用線纜連接，采用BF 10藍牙通信模塊，BlueCore4-Ext芯片。該模塊可以實現電腦端對單片機的雙向信號傳輸，也可以實現機器人部件中的兩個模塊互相通訊，電腦藍牙適配器，通過WIDCOMM授權的驅動完成配對通訊過程。連接成功后，在PC機上會虛擬創建一個COM口，形成透明串口數據傳輸。

對于控制模式的選擇，采用BF10-A藍牙模塊。該模塊是主從模塊，在通訊中以PC機為主模塊，單片機為從模塊，配對過程的信息流傳輸的調制解調器過程中，通過at命令，可以修改設備的設備類型號和波特率，方便連接。

對于藍牙模塊的供電部分，采用AMS1117型號的穩壓芯片進行供電，該芯片紋波小，可以有效地避免直流供電中高次諧波的干擾，保持被供電模塊工作的穩定。

3.3 傳感器模塊

本設計傳感器模塊采用多種傳感器配合模式，HCSR501用來探測人體輻射，因此其熱釋電元件對波長為10 um左右的紅外輻射很敏感[6]。該模塊采用靈敏度高、可靠性強的LHI778探頭，其本身不發出任何類型的輻射，功耗小，價格低。US-100靜態功耗低于2mA，測距范圍2cm～4.5m，其自帶的溫度傳感器可校正測距結果，同時具有串口、GPIO等多種通信方式，工作穩定。S-100H 供電電壓5V,消耗電流25mA/h，使用壽命十年以上，是世界上最小、最輕的NDIR技術CO2傳感器，使用簡單，方便與其他設備鏈接使用，輸出接口多樣，易于傳輸讀取，適合多種場合安裝和拆卸。

4 結語

本文設計了具有穿隙機構的六足機器人，實現了在廢墟等復雜路況上的越障；穿隙機構能伸入廢墟間隙向掩埋在廢墟中的幸存者供給氧氣或急救品等物資。通過各種傳感器能勘測路況并反饋幸存者位置信息，進而及時向他們提供救援,填補了當前救援機器人中在地震救援時深入廢墟內部供給物資的空白，滿足了救援的及時性、自動性和智能性。