肖杰康，陳偉娟，黃明威

(東莞理工學院 機械工程學院，廣東 東莞 523000)

0 引 言

近代以來，切爾諾貝利核事件、西班牙帕洛馬雷斯氫彈事件、日本79年核事故，等各類核泄漏事件窮出不止，輻射性物質(zhì)對生物環(huán)境有著巨大的損害，嚴重威脅著生物的性命。歷史 事件的結(jié)局是沉重，令人惋惜的，我們應該引以為鑒。因此在事故發(fā)生前，我們就應該有著相應的預防措施，防范于未然，對可能發(fā)生意外的地方進行檢測。但是如今的檢測設(shè)備主要是便攜檢測器，手持檢測器，車載檢測器和固定式檢測器，都需要人們隨身進行檢測，具有一定的危險性及局限性。

歷史上已經(jīng)有許許多多的核輻射造成的慘案，隨著社會的進步，一些核方面的研究變得必不可少，如核發(fā)電站和核潛艇等，都是國家的戰(zhàn)略性項目，現(xiàn)在不僅僅在國家的層面上有研究核相關(guān)的事物，現(xiàn)在社會上高端領(lǐng)域也逐漸對有輻射性的實驗開始進行研究，如散裂中子源等有著重要作用的研究。但是一切核相關(guān)的研究都會有著核輻射的危險，在實驗過程中需要時刻檢測實驗環(huán)境的核輻射值、溫度、濕度等指標。因此急需一個能代替工作人員去檢測環(huán)境的機器人，減少人員在檢測過程中受到的傷害。因此我們研究一種無人智能輻射檢測機器人去進行實時的輻射檢測，做到7天24 h的實時監(jiān)測。

筆者提出的仿生六足輻射檢測機器人設(shè)計便是一種應用于復雜輻射環(huán)境下檢測輻射的機器人，其上搭載了激光雷達傳感器使其可以通過掃描周邊環(huán)境，對周邊信息進行采集，并通過主板分析處理，實現(xiàn)地圖構(gòu)建，以便機器人選擇最優(yōu)行走路徑；輻射檢測機器人還搭配了OPENMV攝像頭，可通過樹莓派主板的遠程操作界面看到攝像頭看到的畫面；輻射檢測機器人的行走模式是模仿六足生物行走模式，克服車型機器人在不平整路面行走的困難；運用蓋格計數(shù)器，對環(huán)境進行精確的輻射探測；另外輻射檢測機器人的外殼涂抹隔絕輻射的碳化硼材料，可保護機器人的電子元件不受輻射的影響，延長機器人的使用周期。以上各種功能可保證輻射探測機器人可保證人員安全的情況下保證其在輻射環(huán)境內(nèi)進行全面的檢測。

設(shè)計出一個可代替人員在復雜且危險的工程環(huán)境中進行輻射檢測的機器人，可以讓相關(guān)研究的安全環(huán)境有一定的保證；減少輻射檢測工作的成本；減低人工輻射檢測人員的危險；確保檢測工作的全面以及正確；減少人為疏忽所造成的不必要損失。

1 仿生六足輻射檢測機器人的主體設(shè)計

1.1 仿生六足部分

仿生六足主要由連接件以及多個LDX-218舵機組合構(gòu)成，通過STM 32驅(qū)動板對多個舵機進行同時控制，實現(xiàn)多足聯(lián)合運動。

仿生六足機器人是由六足抬升等動作組合進行移動，這種移動方式可以克服傳統(tǒng)小車類型機器人的地形限制，該機器人在凹凸不平的地面也有做卓越的移動能力，具有更高的越野和避障能力，對機器人平衡度要求低，可以保證機器人在工程環(huán)境中能自由的運行。

如圖1所示，仿生六足機器人每個足由3個舵機進行控制，一共有3*6個舵機，18個舵機都連接到STM32 驅(qū)動板，驅(qū)動板可根據(jù)主板反饋的動作組指令對18個舵機進行統(tǒng)一控制，從而實現(xiàn)輻射檢測機器人的行動。而且仿生六足重心低，，形狀寬，有著對稱結(jié)構(gòu)，對機器人的行動穩(wěn)定有著舉足輕重的影響。

通過動作組程序的調(diào)試，仿生機器人有著多種移動方式如：立正，小步前進和后退，左右轉(zhuǎn)，左右側(cè)滑等。多個動作組的有效配合，使其有著跨越不同的障礙的能力，是機器人能在工程環(huán)境中進行全面且安全輻射檢測的基本保障。

立正，如圖2所示，是開機初始化時的必要動作。立正的姿勢是所有動作組轉(zhuǎn)換時的最好過渡，開機初始化時立正有利于輻射檢測機器人更快速的進行各種移動，加強機器人的靈活性；另外，立正時，六足足跟垂直著地，大大增強機器人的穩(wěn)定性，避免開機時機器摔倒的情況。

圖1 仿生六足機器人的底座圖片 圖2 機器人立正姿勢

小步前進和后退，是機器人正常行走的動作。在行走時，如圖3所示，在立正的基礎(chǔ)上，首先抬起2、4、6號機械足，保持1、3、5號機械足在原地不動，2、4、6同時向前大幅度移動，然后三個機械足同時放下；保持2、4、6號機械足不動，抬起1、3、5號機械足，使2、4、6號機械足向后轉(zhuǎn)動，利用三足移動帶來的摩擦力使其向右前方移動；隨后調(diào)換上述對1、3、5號機械足和2、4、6機械足的控制，由同樣的方式使其先左前方移動。通過反復的左右扭擺行動使機器人向前移動。后退原理與前進一樣，僅是運動動作相反。這前進移動時一直保持有著三個機械足成三角形狀態(tài)使機器人處于平衡狀態(tài)，保證其在有效向前移動的過程中保持平衡。

圖3 前進動作示例

左右轉(zhuǎn)，如圖4所示，在立正的基礎(chǔ)上，首先抬起2、4、6號機械足，保持1、3、5號機械足在原地不動，2、4、6同時向前大幅度移動，然后三個機械足同時放下；保持2、4、6號機械足不動，抬起1、3、5號機械足，使2、4、6號機械足向后轉(zhuǎn)動，利用三足移動帶來的摩擦力使其向右前方移動。左轉(zhuǎn)原理與右轉(zhuǎn)一樣，僅是運動動作相反。

圖4 右轉(zhuǎn)動作示例

左右側(cè)滑，如圖5所示，六足機器人從立正姿態(tài)的基礎(chǔ)上，1、3、4、6號機械足向中間移動，形成三條平行線狀態(tài)，同時六個機械足不再垂直地面，略向外伸展，隨后2、4、6號機械足抬起，其中4、6號機械足向外伸展，2號機械足向內(nèi)收縮，同時5號機械足向外伸展，1、3號機械足向內(nèi)收縮，然后1、3、5號機械足恢復，使機器人向左偏移。隨后1、3、5號機械足放下，再恢復狀態(tài)(b)，使機器人再一次向右移動。右側(cè)移原理與左側(cè)移一樣，僅是運動動作相反。

圖5 左側(cè)滑示例

仿生六足底座的優(yōu)點：越野性能強，平衡性高，移動穩(wěn)定。雖然其移動速度相比小車性的機器人會較慢，但是在工程環(huán)境中檢測輻射值等數(shù)據(jù)對機器人移動速度要求不高，不影響機器人的正常使用。

1.2 雷達掃描部分

RoboPeak 360°二維激光激光掃描測距系統(tǒng): RPLIDAR，如圖6所示，是由RoboPeak團隊開發(fā)的低成本二維激光雷達(LIDAR)解決方案。 在進行 360 點采樣/周的設(shè)置下，RPLIDAR 掃描頻率達 5.5 Hz，并且最高可達10 Hz 的掃描頻率。 RPLIDAR 采用由RoboPeak研發(fā)的低成本的激光三角測距系統(tǒng)，可以在各類室內(nèi)環(huán)境以及無日光直接照射的室外環(huán)境下表現(xiàn)出色。

圖6 RPLIDAR激光雷達傳感器

此項目使用雷達的原因是RPLIDAR，可以實現(xiàn)360° 6 m范圍的它可以實現(xiàn)360 °6 m范圍內(nèi)的激光測距掃描，產(chǎn)生所在空間的平面點云地圖信息用于地圖測繪、機器人定位導航、物體/環(huán)境建模等應用。

項目里通過在樹莓派3B+主控板系統(tǒng)上安ROS機器人操作平臺結(jié)合RPLIDAR激光雷達傳感器再結(jié)合Hector-SLAM算法實現(xiàn)對環(huán)境地圖的構(gòu)建。首先激光雷達會對附近環(huán)境進行二維掃描，并對掃描環(huán)境得到的數(shù)據(jù)進行記錄，隨后通過Hector-SLAM算法建立出地圖模型。之后再開始機器的時候，雷達會自動掃描附近地圖并通過實現(xiàn)構(gòu)建好的地圖模型進行對比，得出自身所在的坐標，并且感知附近的障礙物，然后控制仿生六足底盤進行良好的避障動作。保證輻射檢測工作的正常運行。

1.3 攝像頭部分

所設(shè)計機器人頭部部分采用openmv 攝像頭，原因是openmv使用python語言編寫，使用python編寫代碼代碼時，程序包含的代碼行更少更容易閱讀與調(diào)試，可以讓程序編寫者將更多的精力花費在實現(xiàn)邏輯上，而不必考慮底層算法實現(xiàn)，極大的提高了程序編寫的效率。

通過使用openmv攝像頭，搭配舵機云臺，可以旋轉(zhuǎn)特定的角度，并且可以把拍攝圖像傳回樹莓派主板上，運用樹莓派的遠程操作功能，使圖像得到實時傳輸，操作人員可以通過樹莓派進行命令傳輸，對檢測機器人進行收到操作。達到一個遠程操控的效果。

另外使用該攝像頭，通過一定的算法，能讓其在工程環(huán)境中控制仿生六足底盤進行簡單避障，避免其在雷達掃描系統(tǒng)出現(xiàn)錯誤判斷時，或者樹莓派遠程通訊出現(xiàn)中斷使其雷達和人員手動操作無法使用時可以自主進行自我保護功能，避免不必要的碰撞損壞。

此外，搭載在舵機云臺上的openmv攝像頭可以多角度的對周圍環(huán)境進行監(jiān)控，相當于一個無人巡邏機器人，保證工程環(huán)境的安全。

1.4 防輻射部分

輻射對人有著一定的危害，這是眾所周知的。但是在輻射環(huán)境中不僅僅只有生物會受到影響，電子器件一樣有受到一定程度的影響，視環(huán)境輻射的強弱，有可能對電子器件沒有影響，但是當輻射值到達一定量的時候，電子器件有可能出現(xiàn)數(shù)據(jù)錯誤，傳輸失敗甚至是完全癱壞的情況。而且長期的在輻射不正常地方工作，電子器件會嚴重縮短使用壽命。因此對電子器件的保護是輻射檢測機器人的必要組成部分。

已知中子是基本上是一切物質(zhì)組成部分之一，輻射中同樣有著中子。中子不帶有電荷，呈現(xiàn)中性，但其有著十分強大的穿透能力，相比同種劑量下的X射線和Y射線，中子的破壞力更強。所以為了更好的保護機器人的電子元件，我們選擇了碳化硼作為機器人的防輻射材料。

碳化硼，有著“人造金剛石”的稱號，在已知物質(zhì)中硬度排第三，僅次于金剛石和氮化硼。隨著對材料的研究，人們發(fā)現(xiàn)了碳化硼具有較高的熱中子吸收能力而且不會形成任何放射性同位素，其中子的俘獲截面搞，俘獲能譜寬。因此在核電站是一個十分優(yōu)秀的中子吸收劑；1986年切爾諾貝利核事故時，俄羅斯投下了將就2 000 t的碳化硼和沙子最終是反應堆的鏈式反應停止；另外碳化硼的制作成本相比其他的防輻射材料更低；因此其更適合作為輻射檢測機器人的防輻射材料。

圖7 是項目中是被涂抹了碳化硼材料的外殼，里面包裹著openmv攝像頭，令其得到一個合適的工作環(huán)境，避免電器件故障。

圖7 包裹碳化硼外殼的攝像頭

1.5 輻射檢測部分

目前，使用最廣泛的輻射檢測器是電檢測器，這一類探測器在接受到入射粒子后，會根據(jù)粒子的入射情況反饋回電信號。經(jīng)過篩選后，我們決定使用蓋格計數(shù)器，如圖8所示，原因有兩個：一是蓋格計數(shù)器可以對多種粒子進行檢測，這個檢測類型可保證檢測的準確性；二是蓋格計數(shù)器有著模塊化的電子模塊，接收到的粒子會轉(zhuǎn)換成電信號再按比例轉(zhuǎn)換成一定范圍的數(shù)字，方便我們進行程序控制。

圖8 蓋格計數(shù)器模塊

2 仿生六足輻射檢測機器人的性能試驗

速度檢測:1 m行走時間。

通過數(shù)次可靠實驗采集數(shù)據(jù)，如表1所列。由表1可知，平均時間13.315，平均速度(m/s)0.075 1。

表1 機器人行走所需時間 /s

輻射等環(huán)境檢測：輻射檢測機器人通過樹莓派遠程控制窗口讀取各感應模塊反饋的數(shù)據(jù)，如圖9所示。雷達掃描地圖的地圖模型構(gòu)建，如圖10所示。

圖9 數(shù)據(jù)檢測界面

圖10 地圖模型的構(gòu)建

通過以上仿生六足輻射檢測機器人的性能試驗，該機器人可實現(xiàn)以下功能：

(1) 仿生六足底盤保證機器人可在復雜環(huán)境中進行工作。

(2) 使用openmv攝像頭令其在自主檢測的過程中可返回實時圖像，可作為移動監(jiān)控；在特殊時候還可通過openmv攝像頭對機器人進行人工進行操作。

(3) 碳化硼材料對外殼進行涂抹，保證電子元器件的正常工作。

3 結(jié) 語

較為詳細的介紹了一種基于碳化硼外殼的輻射檢測機器人的設(shè)計意義及其設(shè)計內(nèi)容，提出了各個模塊的有效結(jié)合實現(xiàn)輻射檢測機器人的制作方案，通過網(wǎng)絡(luò)對項目進行相關(guān)信息的收集，驗證了該機器人的RPLIDAR激光雷達傳感器對地圖的掃描以及碳化硼對電子器件有很好的保護作用。前者有利于機器人能在復雜的工作環(huán)境中自主規(guī)劃路線，保證機器人能全面的對工作環(huán)境進行輻射檢測；后者是機器人在輻射環(huán)境中能否的正常且長久運作的關(guān)鍵?；谔蓟鹜鈿さ妮椛錂z測機器人的設(shè)計對輻射檢測工作有一定的貢獻。