代亞坤 陳辰 徐剛 魏翔

摘要：在許多突發(fā)事件中，精準(zhǔn)的定位救援至關(guān)重要。比如在地震后廢墟中精準(zhǔn)找到被困人員;檢查管道是否出現(xiàn)堵塞、裂縫等。這需要一個(gè)可以適用于多種地形的遙控機(jī)器人。相比與許多陸地動(dòng)物，爬行類動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)方式可以勝任許多復(fù)雜的地形，例如沙漠、樹林、廢墟和沼澤湖泊等環(huán)境。因此，通過模仿爬行類動(dòng)物的生理特點(diǎn)，設(shè)計(jì)具有在復(fù)雜地形移動(dòng)能力的仿生蛇形機(jī)器人具有重要的科研與實(shí)際應(yīng)用意義。項(xiàng)目設(shè)計(jì)蛇形仿生蛇形機(jī)器人，它由于其重心較低，因而具有穩(wěn)定性強(qiáng)、運(yùn)動(dòng)靈活的特點(diǎn)，這使得蛇形機(jī)器人具有在復(fù)雜或未知環(huán)境具有很強(qiáng)的適應(yīng)能力，因此在探險(xiǎn)救援、防恐、危險(xiǎn)環(huán)境作業(yè)等領(lǐng)域具有光明的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：仿生，機(jī)器人，探測(cè)

1.引言：

隨著科技的不斷發(fā)展，機(jī)器人的發(fā)展也逐漸快速起來，各種各樣的機(jī)器人都在不斷地涌現(xiàn)，分門別類的機(jī)器人給人們的生活帶來意想不到的變化。蛇形機(jī)器人是一種能夠模仿生物蛇運(yùn)動(dòng)的新型仿生機(jī)器人。由于它能像生物一樣實(shí)現(xiàn)“無肢運(yùn)動(dòng)”，因而被國際機(jī)器人業(yè)界稱為“最富于現(xiàn)實(shí)感的機(jī)器人"。威科技工業(yè)研究院（SINTEF Research nstitute）已經(jīng)設(shè)計(jì)出一種用于火星表面探測(cè)的蛇形機(jī)器人。而美國的蛇形機(jī)器人研究則代表了當(dāng)今世界的先進(jìn)水平。2000年10月，美國航空航天局在加利福尼亞裝備研制中心展示了一種用于外太空探險(xiǎn)的蛇形機(jī)器人，它能在一些復(fù)雜地形行走時(shí)如履平地，運(yùn)動(dòng)十分靈活，并具有探測(cè)、偵探等多種功能。設(shè)計(jì)和研究蛇形機(jī)器人的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)，是從仿生學(xué)的角度出發(fā)研制有利于人類社會(huì)的機(jī)器人。當(dāng)代機(jī)器人的研究領(lǐng)域己經(jīng)從結(jié)構(gòu)環(huán)境下的定點(diǎn)作業(yè)向非結(jié)構(gòu)環(huán)境下的自主作業(yè)發(fā)展。機(jī)器人被急切需要應(yīng)用到環(huán)境復(fù)雜、高度危險(xiǎn)和人類無法進(jìn)入的場(chǎng)合完成作業(yè)。除了傳統(tǒng)的車型設(shè)計(jì)方法外，機(jī)器人學(xué)者把目光轉(zhuǎn)向了生物界，力求從具有各種運(yùn)動(dòng)特征的動(dòng)植物上獲得啟發(fā)，設(shè)計(jì)新的仿生機(jī)器人。蛇形機(jī)器人就是在這種條件下孕育而生的。蛇的各種獨(dú)特的運(yùn)動(dòng)特性賦予蛇形機(jī)器人以多種功能。蛇形機(jī)器人不但能夠適應(yīng)各種復(fù)雜地形，能夠平均分配自己的體重，還具有自封閉的結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)使其吸引了國內(nèi)外眾多機(jī)器人學(xué)研究人員展開了對(duì)蛇形機(jī)器人的研究。

2.系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)：

項(xiàng)目設(shè)計(jì)一款具備多地形全方位探測(cè)功能的蛇形機(jī)器人，它可以代替人進(jìn)入狹窄的空間執(zhí)行探測(cè)任務(wù);它也具有在廢墟中救援的能力。

（1）該機(jī)器人由圓柱形模塊組成，首端為探測(cè)模塊，負(fù)責(zé)提供前方的信息，安裝了可轉(zhuǎn)動(dòng)的高清攝像頭以及音頻采集設(shè)備，可以在最前端更快地收到相關(guān)信息。為了適應(yīng)不同的環(huán)境，在機(jī)器人兩側(cè)安裝履帶來應(yīng)對(duì)不平緩的地形。底部裝有翹板，必要時(shí)可將機(jī)器人底盤提高攀越一定高度的障礙。

履帶采取柔性鋸齒狀橡膠材料，以此來提升摩擦力以更好地越過障礙。

（2）機(jī)身為可連接的多功能輔助單元機(jī)器人，最多可以連接4個(gè)輔助機(jī)器人。

輔助機(jī)器人分別有以下功能：

①為前方提供照明并提供動(dòng)力。

②為了彌補(bǔ)只有前端可以接收到圖像信息的不足，計(jì)劃在中間的模塊兩側(cè)加裝兩個(gè)微型攝像頭以彌補(bǔ)周圍環(huán)境信息的缺失，可以以此獲得更大的視野，為操控者提供更多的信息來判斷機(jī)器人所處的環(huán)境。

③提供定位，在發(fā)現(xiàn)被困人員時(shí)輔助單元機(jī)器人會(huì)進(jìn)行位置記錄。如果是在地震之后或者有其他因素影響的情況下，輔助單元機(jī)器人它可以留下當(dāng)做信號(hào)發(fā)生源。根據(jù)環(huán)境以及所需要達(dá)成的目的不同來附加不同的單元模塊，這種結(jié)構(gòu)使它具備靈活的運(yùn)動(dòng)能力以及更多不同的需求，可以應(yīng)對(duì)許多獨(dú)特的環(huán)境。

（3）設(shè)計(jì)外殼將采取金屬材料，這樣不但可以保護(hù)機(jī)身，也可以增加重心

（4）可遠(yuǎn)程遙控控制，可利用不同的程序?qū)崿F(xiàn)它不同的運(yùn)動(dòng)模式為其提供更大的自由度滿足大部分的需求，操作人員也可以自己通過終端設(shè)備單獨(dú)控制某一個(gè)部分的運(yùn)動(dòng)以及關(guān)節(jié)的延伸方式，做到隨自己心意而動(dòng)。蛇形仿生機(jī)器人的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示：

3.設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1環(huán)境感知模塊

1）數(shù)據(jù)傳輸模塊

該無線傳輸模塊工作在1060～1380MHz頻段，可進(jìn)行4個(gè)通道的音/視頻無線收發(fā)。它的功耗余量大，耗電電流小，體積小，傳輸距離遠(yuǎn)，更能適合各種復(fù)雜的實(shí)際環(huán)境。在一般的阻擋情況下可傳輸400米左右。

2）音頻采集

通過麥克風(fēng)可以獲取現(xiàn)場(chǎng)的聲音，進(jìn)而判斷遇難者的存在，并通過擴(kuò)音器與其進(jìn)行雙向語音交流，即人機(jī)接口可以接收來自前端多傳感器單元發(fā)送過來的音頻數(shù)據(jù)進(jìn)行播放，同時(shí)人機(jī)接口也能把搜救人員的音頻數(shù)據(jù)發(fā)送到前端多傳感器單元進(jìn)行語音對(duì)話。

3）視頻采集

其主要用于人員搜索和機(jī)器人導(dǎo)航控制。選用高靈敏度紅外夜視微型攝像頭，其采用紅外發(fā)射燈。即使在環(huán)境光線全黑情況下，仍可完成視頻監(jiān)控，夜視距離5m。

3.2通信方式：

1）有線通信

機(jī)器人攜帶數(shù)據(jù)線進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，將采集到的生命信息和環(huán)境信息—并通過數(shù)據(jù)線傳送出去，實(shí)時(shí)、快捷，無干擾，還可進(jìn)行視頻監(jiān)控，同時(shí)也可為機(jī)器人提供能源等。但是，攜帶數(shù)據(jù)線運(yùn)動(dòng)給機(jī)器人帶來一定的影響，搜救現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境復(fù)雜很可能壓住或損壞數(shù)據(jù)線。因此，有線通信方案適合環(huán)境相對(duì)簡(jiǎn)單的現(xiàn)場(chǎng)。

2）自身記錄信息后返回

機(jī)器人自身能夠記錄生命信息和環(huán)境信息，在能源供應(yīng)允許的時(shí)間內(nèi)按原搜救路線或者其他搜救路線返回，在搜救過程中不攜帶數(shù)據(jù)線，運(yùn)動(dòng)靈活、方便。但是，受能源以及救援時(shí)間的限制，此種方案可用于生命搜救分體的第二階段。

3）Zigbee 無線通信+基站

采用 Zigbee 無線通信方案的優(yōu)點(diǎn)是低功耗，成本低、數(shù)據(jù)信息安全可靠等。采用 Zigbee 無線通信技術(shù)，需要多個(gè)無線數(shù)傳模塊共同搭建一個(gè)無線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，一般搭建數(shù)傳平臺(tái)有兩種方案。

方案一：針對(duì)事故率高的場(chǎng)所，如煤礦等，可以在合理的位置事先配置無線數(shù)據(jù)模塊，當(dāng)發(fā)生災(zāi)難時(shí)可以迅速應(yīng)用。

方案二：以機(jī)器人本身作為無線數(shù)據(jù)模塊組建立無線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，機(jī)器人在實(shí)際運(yùn)動(dòng)時(shí)一方面進(jìn)行信息探測(cè)，一方面進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的傳輸。多機(jī)器人之間的協(xié)同可以實(shí)現(xiàn)搜救信息的共享，以提高救援效率，也可以將探測(cè)的重要信息傳送給信息中心或救援人員。

3.4控制模塊

控制核心為ST（意法半導(dǎo)體）推出的基于ARM? Cortex?-M4的內(nèi)核的STM32F4系列高性能微控制器，其采用了90 納米的NVM 工藝和ART（自適應(yīng)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)器加速器，Adaptive Real-Time MemoryAccelerator?）。ART技術(shù)使得程序零等待執(zhí)行，提升了程序執(zhí)行的效率，將Cortext-M4的性能發(fā)揮到了極致，使得STM32F4系列可達(dá)到210DMIPS@168MHz。自適應(yīng)實(shí)時(shí)加速器能夠完全釋放Cortex-M4內(nèi)核的性能;當(dāng)CPU 工作于所有允許的頻率（≤168MHz）時(shí)，在閃存中運(yùn)行的程序，可以達(dá)到相當(dāng)于零等待周期的性能。STM32F4系列微控制器集成了單周期DSP指令和FPU（floating point unit，浮點(diǎn)單元），提升了計(jì)算能力，可以進(jìn)行一些復(fù)雜的計(jì)算和控制。

4.能源供給方式

蛇形仿生機(jī)器人的能源供給方式有兩種選擇方案：有線方式和無線方式。

有線供能方式能夠保證充分的能量供給，但是導(dǎo)線本身的壓降以及導(dǎo)線與環(huán)境的摩擦或者是受到障礙物的影響等制約著機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的靈活性及其對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力。采用蓄電池這種無線方式可以在一定程度上提高靈活性以及適應(yīng)能力。但是蓄電池的質(zhì)量和體積較大，而且續(xù)航能力有限，選擇高能蓄電池來作為機(jī)器人的主要能源供給或者作為實(shí)際運(yùn)行時(shí)的備用電源。

無線能量傳輸是指能量從能量源以無線的方式傳輸?shù)诫娯?fù)載的一個(gè)過程。當(dāng)前人們研究無線能量傳輸技術(shù)主要有;

①輻射技術(shù)，通過某種獨(dú)特的接收器來接收空氣中的能量，并將其轉(zhuǎn)換成電能儲(chǔ)存在電池中，此種方法所能獲得的能量十分有限的。

②磁場(chǎng)共振技術(shù)，利用共振原理來傳遞能量。當(dāng)兩個(gè)物體在共振時(shí)，實(shí)現(xiàn)能量的無線傳輸，但是在能量傳輸過程中很容易受到周圍電磁場(chǎng)的干擾，因此獲得的能量不夠穩(wěn)定。

③利用自然環(huán)境中的熱能，光能等，將其轉(zhuǎn)換成所需的能量。

④電感耦合技術(shù)。通過相對(duì)直接的接觸來進(jìn)行能量傳輸?shù)?，此種方式雖然能夠穩(wěn)定地獲得相對(duì)較大的能量，但是傳輸距離很短。

綜合考慮，采取有線供能與高能蓄電池供能相結(jié)合的方式較為理想，當(dāng)供電線路在影響機(jī)器人運(yùn)動(dòng)時(shí)，機(jī)器人可以分離供電線后依靠蓄電池供能而自行運(yùn)動(dòng)。在利用線路供能時(shí)，可同時(shí)將現(xiàn)場(chǎng)的情況傳回監(jiān)控中，方便救援人員更好地掌握現(xiàn)場(chǎng)的情況。

5.結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了蛇形仿生機(jī)器人，能實(shí)現(xiàn)輔助探測(cè)復(fù)雜地形的功能，具備廣泛適用性等特點(diǎn)，運(yùn)行正常，仍需改進(jìn)，下一步將融合更多模塊，并且將會(huì)是可以隨意組裝的模塊化機(jī)器人，將更多的部件融會(huì)貫通，添加進(jìn)來。

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基金項(xiàng)目：國家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目“蛇形仿生機(jī)器人”（202110066008）

作者簡(jiǎn)介：代亞坤（2001-），男，本科生，自動(dòng)化專業(yè)。