邊浩然，資新運，王洪濤，唐粵清，曾繁琦

(軍事交通學院 a.究生管理大隊； b.軍用車輛系，天津 300161)

【機械制造與檢測技術(shù)】

基于變形履帶的搜救偵察機器人設(shè)計與試驗

邊浩然a，資新運b，王洪濤a，唐粵清a，曾繁琦a

(軍事交通學院 a.究生管理大隊； b.軍用車輛系，天津 300161)

基于變形履帶以及圖像識別和紅外感知信息融合進行了機動靈活、隱蔽性強的小型搜救偵察機器人的設(shè)計，研制的樣機證明了可靠的通過性和對復(fù)雜地形的適應(yīng)性。

變形履帶；紅外感應(yīng)；搜救偵察機器人

城市反恐作戰(zhàn)和災(zāi)害搜救中，機器人可協(xié)助人執(zhí)行部分危險任務(wù)[1]。小型機器人具有易于偽裝，隱蔽性強的特點，適于通過遭受炮火打擊和災(zāi)害破壞后的狹小空間，其中以履帶式移動機器人地形適應(yīng)能力強而受到青睞。

本設(shè)計基于履帶式移動方式，提出遠程遙控機器人履帶變形以適應(yīng)不同地形和障礙的設(shè)計。遭遇低矮通道，可調(diào)整履帶形狀為直線，降低機身高度通過道；當路遇石塊、建筑碎塊等障礙時，可調(diào)整履帶形狀為三角形越過障礙[2]。

針對以往搜救機器人單純通過圖像搜尋人員效率低、環(huán)境適應(yīng)能力差的缺點，提出了圖像搜尋結(jié)合紅外感知搜尋的方案，通過人體紅外感知模塊，操作人員可知道機器人周圍是否存在生命體，再結(jié)合視頻搜尋，提高了效率，增強了可靠性。圖1為機器人系統(tǒng)框圖。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 履帶變形原理

變形履帶機器人由前體、后體、驅(qū)動輪、前導輪、后導輪、履帶、步進電機等構(gòu)成，如圖2所示。前體與后體通過步進電機鉸接，可發(fā)生相對轉(zhuǎn)動，驅(qū)動輪、后導輪、步進電機安裝于后體，與后車體相對位置不發(fā)生變化。前導輪安裝于前體，步進電機驅(qū)動前體轉(zhuǎn)動時，前導輪繞步進電機公轉(zhuǎn)，由此驅(qū)動輪、后導輪、前導輪相對位置可在直線和三角形兩個狀態(tài)間變換。履帶連接3個輪子，輪子相對位置變化時，履帶也可在直線和三角形兩個狀態(tài)間變換。通過調(diào)整前體轉(zhuǎn)動角度，改變履帶與地面間的角度，達到履帶變形的目的。

圖1 機器人系統(tǒng)框圖

圖2 機器人結(jié)構(gòu)平面示意圖

1.2 運動模式

機器人運動模式包括通過低矮通道模式、翻越地面障礙模式、主動擴大攝像頭視界模式。

機器人在廢墟中遇到低矮的狹窄通道，需降低自身高度，以通過低矮通道,如圖3(a)。機器人翻越地面障礙，可根據(jù)地面障礙的形狀、高度等調(diào)整履帶形狀，增強越障能力,如圖3(b)。機器人通過控制履帶變形抬高圖像采集裝置，擴大機器人視野，如圖3(c)。

圖3 機器人運動模式

1.3 越障過程分析

機器人可順利越過障礙的條件包括：① 越障過程不會產(chǎn)生傾翻；② 越障過程有足夠大的牽引力[3]。

用穩(wěn)定錐法對機器人抗傾覆性進行分析[4]，如圖4所示分別為機器人縱向和橫向越障狀態(tài)，K為機器人質(zhì)心，O1為機器人履帶與地面交點，O2為履帶與障礙物交點在水平地面的投影，d為質(zhì)心到交點O1的水平距離。為簡化分析模型，假設(shè)機器人與障礙均為正交，則穩(wěn)定錐法抗傾覆條件簡化為d≥0，即重心投影落在水平面投影落在O1O2內(nèi)。

圖4 機器人防傾翻分析

由于機器人越障過程中可控制調(diào)整姿態(tài)，進而調(diào)整質(zhì)心位置，使質(zhì)心在地面投影落在O1O2內(nèi)， 最大限度避免機器人發(fā)生傾翻，增強了通過性。

機器人翻越障礙過程緩慢，可被看作是準靜態(tài)過程，可利用靜力學平衡原理分析運動過程[5]。機器人翻越突出障礙過程中受力情況如圖5(a)。

K為機器人質(zhì)心，N1,N2分別為機器人受地面和受障礙的支持力，f1,f2為分別為機器人與地面接觸和與障礙接觸點的驅(qū)動力，G為機器人所受重力。

機器人越過障礙的臨界條件為：機器人重心K越過臺階邊界線[6]。當質(zhì)心越過臺階邊界線后，重力提供翻轉(zhuǎn)力矩，機器人就能翻越至臺階上表面，越障成功。

所設(shè)計機器人越障過程分為a→e5個階段，機器人接觸障礙后，在驅(qū)動力f1,f2的作用下向前、向上運動，根據(jù)前文的防傾翻分析，在a→c過程，逐漸控制減小機器人前體與后體夾角，以保證機器人不發(fā)生向后傾翻。隨著機器人運動和前、后體相對位置的調(diào)整，質(zhì)心位置不斷向上、向前移動，在狀態(tài)d，質(zhì)心位置越過了障礙邊界線。根據(jù)受力分析，可知此時機器人在重力力矩作用下，順時針向前傾翻，成功越過障礙。

2 雙搜尋模式

在執(zhí)行人員搜尋任務(wù)方面，傳統(tǒng)機器人多采用基于實時視頻傳輸?shù)囊曈X搜索模式，可準確定位人員位置。但在光線不足、人員隱蔽、搜尋范圍過大等條件下，單純的視覺搜尋模式具有圖像不清晰、易遺漏、效率低的缺點。

設(shè)計中引入紅外感應(yīng)搜尋結(jié)合視覺搜索的雙搜尋模式。機器人啟動后，視覺搜尋和紅外搜尋同時工作，當光線不足，攝像頭傳輸回的圖像不清晰時，紅外模塊便可發(fā)揮主要作用，由于紅外模塊是感知人體發(fā)出的紅外線，不受光線不足影響，可正常工作，當感知到紅外信號時，根據(jù)紅外感應(yīng)模塊的感知范圍，便可將目標初步定位在機器人一定范圍內(nèi)，為進一步搜尋目標確定范圍。

圖5 機器人越障過程分析

當被搜尋人員處于隱蔽位置時，回傳視頻受攝像頭拍攝角度影響，容易遺漏某些位置死角。紅外模塊則可感知周圍紅外信號，不受攝像頭視界范圍影響。當機器人行進到某一位置，通過圖像未發(fā)現(xiàn)目標人員但接收到紅外信號時，操作人員便可判斷出機器人周圍存在目標人員，可在機器人周圍再次進行更加仔細的搜尋，保證搜尋功能的可靠性。

當機器人搜尋范圍過大，受機器人運動速度的影響，若從開始就對搜尋范圍內(nèi)每一處地點進行搜尋，效率必然降低。如圖6所示，此時結(jié)合紅外模塊特點，首先進行粗略定位，控制機器人在搜尋范圍內(nèi)快速運動，當紅外模塊感應(yīng)人員目標存在時，根據(jù)紅外感應(yīng)模塊的感知范圍，便可將目標初步定位在機器人一定范圍內(nèi)，而后在機器人感知范圍內(nèi)使用視覺搜尋模式，精確定位人員目標位置，提高搜尋效率。

3 硬件電路設(shè)計

機器人硬件電路主要包括：計算機、機載電源、視頻采集攝像頭、紅外感應(yīng)傳感器、無線路由器、無線串口模塊、機載數(shù)據(jù)處理器、直流電機、步進電機及各自驅(qū)動器等。圖7為機器人系統(tǒng)硬件框圖。

圖7 機器人系統(tǒng)硬件框圖

3.1 電機驅(qū)動

直流電機驅(qū)動采用L298N橋式驅(qū)動電路，由12 V電源供電口供電，本體數(shù)據(jù)處理器提供控制信號，同時驅(qū)動兩路直流電機。驅(qū)動機器人變形的步進電機采用行星齒輪組減速增扭，輸出扭矩3 N·m，滿足機器人履帶變形需要。

3.2 視頻無線傳輸

無線視頻傳輸部分包括攝像頭、路由器，攝像頭將采集的視頻信息傳入路由器，再由路由器發(fā)送至信號接收計算機。信號覆蓋距離為100 m，滿足機器人信號傳輸需要。

3.3 運動控制及紅外信號通信

計算機發(fā)出控制機器人運動的信號以及紅外模塊將感應(yīng)信號發(fā)送至計算機均采用無線串口通信方式。

無線串口通信系統(tǒng)由發(fā)送和接收模塊組成，其中上位機串口模塊通過USB轉(zhuǎn)TTL接口與計算機進行數(shù)據(jù)交換，下位機串口模塊則直接與機載處理器串口引腳連接。兩模塊可相互發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。無線串口通信技術(shù)成熟，采用433 MHz通信，傳輸距離遠，空曠場地傳輸距離達2 000 m,在室內(nèi)墻壁阻擋信號環(huán)境下可傳輸100 m以上，基本滿足機器人搜尋功能要求。

設(shè)計方案中，所選用的紅外感知模塊，感知距離7 m，當感知范圍內(nèi)有人員目標時，即輸出電壓信號，此信號通過機載處理器識別，而后經(jīng)下位機無線串口模塊發(fā)出，上位機串口模塊接收到此信號，計算機便可識別、顯示。

4 試驗驗證

制作機器人樣機，如圖8所示。根據(jù)機器人功能分析與定位，對機器人的越障能力、雙搜尋模式效率進行實驗驗證。

圖8 機器人樣機

4.1 越障試驗

試驗選取翻越樓梯障礙。翻越過程如圖9所示。

圖9 機器人翻越障礙

機器人在翻越樓梯障礙時，總體良好，出現(xiàn)的問題在于樣機制作時零件安裝位置把握不足，整機質(zhì)量過于集中在后車體部分，影響了機器人翻越障礙時質(zhì)心位置，使能翻越的最高障礙降低，此缺陷可通過改變機器人零件安裝位置優(yōu)化。

4.2 搜尋效率檢驗

圖10 機器人搜尋效率實驗示意圖

當搜尋范圍較大，按照雙搜尋模式，先粗略定位，再準確定位的方式，效率高于純視覺搜尋，驗證了設(shè)計的合理性。

5 結(jié)束語

設(shè)計了一種基于變形履帶的小型搜救偵察機器人，通過履帶變形，增強了其通過性；機器人采用視覺搜尋與紅外搜尋相合的雙搜尋模式，解決了在光線不足、人員隱蔽、搜尋范圍過大等條件下搜尋目標人員，圖像不清晰、易遺漏、效率低的問題。機器人總體性能良好，具有發(fā)展前景。

[1] 柴鈺,賈曉勱,衛(wèi)蘇晶.一種新型可變形智能救援機器人系統(tǒng)設(shè)計[J].測控技術(shù),2014,33(5):77-81.

[2]MICIREMJ.EvolutionandFieldPerformanceofaRescueBobot[J].JournalofFieldRobotics,2008,25(1/2):17-30.

[3] 黑沫.可變履帶機器人設(shè)計與運動分析[D].長沙：國防科學技術(shù)大學，2010.

[4] 劉金國，王月超.變形機器人傾翻穩(wěn)定性仿真分析[J].系統(tǒng)仿真，2006，18(2)：409-411.

[5] 李楠,王明輝,馬書根,等.基于聯(lián)合運動規(guī)劃的可變形履帶機器人在線翻越樓梯控制方法[J].機械工程學報,2012,48(1):47-56.

[6] 朱巖,王明輝,李斌,等.履帶可變形機器人越障性能研究[J].機器人,2015,37(6):693-701.

(責任編輯 唐定國)

Design and Experiment of a Rescue-Search Robot Based on Deformable Track

BIAN Hao-rana, ZI Yun-xinb, WANG Hong-taoa, TANG Yue-qinga, ZENG Fan-qia

(a.Graduate Management Team; b.Department of Military Vehicle, Military Transportation University, Tianjin 300161, China)

A small rescue-search robot which is flexible and easily camouflaged was designed based on deformable track, image recognition and infrared sensing, and the reliable ground clearance and adaptability was proved by the prototype.

deformable track; infrared sensing; rescue robot

2016-09-30；

2016-11-10 作者簡介：邊浩然(1992—)，男，碩士研究生，主要從事動力機械傳動研究。

10.11809/scbgxb2017.03.033

邊浩然，資新運，王洪濤，等.基于變形履帶的搜救偵察機器人設(shè)計與試驗[J].兵器裝備工程學報，2017(3):143-146.

format:BIAN Hao-ran, ZI Yun-xin, WANG Hong-tao,et al.Design and Experiment of a Rescue-Search Robot Based on Deformable Track[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(3):143-146.

TP242

A

2096-2304(2017)03-0143-04