天津市耀華嘉誠國際中學(xué) 于子朔

隨著時代的發(fā)展與科技的進步，人工智能設(shè)備在潛移默化中改變著我們的生活和工作方式，很多問題都可以通過人工智能的手段加以解決。自然災(zāi)害和突發(fā)災(zāi)害是人類在生產(chǎn)、生活中面對的一種極端情況，災(zāi)后救援工作就成為保障人們生命財產(chǎn)安全的重要一環(huán)。本文探索研究一種蛇形災(zāi)后救援機器人，代替以履帶結(jié)構(gòu)或者多足機構(gòu)作為移動副進行驅(qū)動的機器人，解決了相對狹小空間機器人行進、探測的技術(shù)難題。

自然災(zāi)害和突發(fā)災(zāi)害是人類在生產(chǎn)、生活中面對的一種極端情況，面對災(zāi)害的力量人類是渺小的。因此，每次災(zāi)害來臨時，都會給人們的生命財產(chǎn)安全帶來極大危害，因此，災(zāi)后救援工作就成為保障人們生命財產(chǎn)安全的重要一環(huán)。如何在災(zāi)后復(fù)雜的環(huán)境下安全、快速地尋找受困人員并第一時間實施救援是需要解決的主要問題之一。

傳統(tǒng)的災(zāi)后救援方式需要人力通過視覺觀察或者通過聽覺搜尋求助聲音進行被困人員定位，然后實施救援。這種救援作業(yè)方式，不僅效率低，同時容易受到災(zāi)后復(fù)雜環(huán)境影響。在災(zāi)害發(fā)生后如受困人員被困于瓦礫以下，視線被遮擋、聲音也無法順利被救援人員接收的情況下，極易出現(xiàn)救援不及時甚至在救援過程中可能出現(xiàn)二次傷害的情況[1]。

現(xiàn)有的災(zāi)后救援機器人，多采用履帶結(jié)構(gòu)或者多足結(jié)構(gòu)作為移動副進行驅(qū)動，雖然解決了在復(fù)雜接觸面上的移動問題，但由于受到移動副的限制，機器人尺寸相對較大，不能進入相對狹小的空間進行探測，因此探測范圍受到了限制。除此之外，目前市面上使用的災(zāi)后救援機器人整體造價較高，雖然具有較高的自動化程度，但機械負(fù)重過大，安全性難以保證，未能在救援行動中得到大范圍推廣。

本文從我國救援機器人的實際需求出發(fā)，研發(fā)一款蛇形災(zāi)后救援機器人，設(shè)計出蛇形災(zāi)后救援機器人的基座、自動行走、超聲波檢測、人體感知以及中控等裝置。解決以履帶結(jié)構(gòu)或者多足機構(gòu)作為移動副進行驅(qū)動的傳統(tǒng)機器人，難以進入到相對狹小空間步進，進行空間以及生命探索的技術(shù)難題，為災(zāi)后救援提供詳實可靠的現(xiàn)場信息提供技術(shù)和設(shè)備保障[2]。

1 總體設(shè)計

蛇形災(zāi)后救援機器人自動行走裝置通過7 個舵機仿生蛇的運動特點進行移動結(jié)構(gòu)設(shè)計，同時設(shè)置超聲波檢測裝置，能實現(xiàn)在復(fù)雜環(huán)境下進行移動，并能夠自動避障，尋找最優(yōu)通路；其人體生命檢測機構(gòu)的設(shè)置能夠?qū)崿F(xiàn)在災(zāi)后復(fù)雜環(huán)境對于受困人員進行位置偵測，并通過燈光的變化進行顯示，為受困人員帶來救援的希望；其中央控制裝置實現(xiàn)對機器人的自動化控制，并通過無線通訊模塊將救援檢測的信息上傳至后臺上位機軟件，使其行動敏捷、操作簡單、狀態(tài)可視、數(shù)據(jù)可總結(jié)。該機器人能在救援過程中實現(xiàn)精準(zhǔn)定位，為實施快速救援提供技術(shù)保障。

2 結(jié)構(gòu)構(gòu)成

蛇形災(zāi)后救援機器人的整體結(jié)構(gòu)由五個部分組成，如圖1 所示，包括機座、自動行走機構(gòu)、超聲波機構(gòu)、中控機構(gòu)以及人體感知機構(gòu)。其中，自動行走機構(gòu)安裝在機座上，7 個舵機依次與行走機構(gòu)連接在一起，通過7個舵機間的相互配合，改變各舵機角度，實現(xiàn)機器人蛇形運動的仿生效果；超聲波機構(gòu)和人體感知機構(gòu)安裝在第一舵機對應(yīng)的機座機構(gòu)上，超聲波裝置和人體感知結(jié)構(gòu)與第一舵機相互配合，通過第一舵機角度的改變感知周圍環(huán)境情況，進行避障移動，同時通過第一舵機較多的改變使人體感知機構(gòu)能夠大范圍的感知被困人員位置信息；中控機構(gòu)安裝在第7 舵機的機座上，第7 舵機機座位于機器人本體尾端，為整個機器人運行過程中的安全位置，將控制芯片與無線通訊模塊安裝在此，能夠保證安全的情況下完成控制、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ堋?/p>

圖1 蛇形災(zāi)后救援機器人的整體結(jié)構(gòu)Fig.1 Overall structure of a snake shaped disaster rescue robot

3 關(guān)鍵部件設(shè)計

3.1 自動行走裝置設(shè)計

為保證蛇形救災(zāi)機器人能夠在災(zāi)后復(fù)雜的地面環(huán)境下自由行走，利用仿生學(xué)進行機器人主體設(shè)計，使其能夠在身體細長的同時模仿蛇類動物進行移動。機器人本體上應(yīng)用7 個可控制角度范圍為0 ～180°的舵機，同時通過機座結(jié)構(gòu)將其依次連接，形成蛇形移動機構(gòu)。舵機按照預(yù)設(shè)程序變換角度，使機器人本體形成蛇形擺動。同時為了保障蛇形救災(zāi)機器人移動過程中的平穩(wěn)性和流暢度，在機座機構(gòu)的下方設(shè)置了8 個懸掛機構(gòu)和尼龍材質(zhì)的輪子[3]。

在蛇形災(zāi)后救援機器人運動的過程中，舵機和機座形成了擺動關(guān)節(jié)和機身連桿機構(gòu)，7 個舵機按照預(yù)設(shè)程序變換角度，使機器人本體形成擺動，并根據(jù)機器人運動學(xué)與摩擦力學(xué)原理，使其形成向前的驅(qū)動力，在懸掛機構(gòu)和輪子保障運行平穩(wěn)的基礎(chǔ)上，使機器人完成自由移動。

3.2 超聲波裝置設(shè)計

蛇形災(zāi)后救援機器人超聲波裝置安裝在1 號舵機機座前方，由發(fā)射端和接收端兩部分組成。在工作過程中通過發(fā)射端發(fā)出超聲波，由接收端接收障礙物反彈回來的超聲波進而測量機器人與障礙物之間的距離，并根據(jù)距離判定前進軌跡。在蛇形救災(zāi)機器人的探測行走過程中，以50cm 為是否繼續(xù)沿當(dāng)前方向繼續(xù)行走的判定條件。如前方障礙物的測定距離超過50cm，則機器人進行前進運動；如機器人獲取到的測定范圍小于50cm 且大于20cm，則機器人將會通過改變1 號舵機角度進行周圍情況測距并找到最合適的前進軌跡；若機器人測定距離小于20cm，則機器人執(zhí)行后退程序，后退至安全距離。蛇形災(zāi)后救援機器人超聲波裝置實現(xiàn)運行過程中精確避障和復(fù)雜環(huán)境下運行軌跡的自動尋找。

3.3 人體感知裝置

為了能夠精準(zhǔn)感知被困人員位置，做到精準(zhǔn)定位。在第一舵機對應(yīng)機座安裝人體感知裝置，人體感知裝置由3 個110°超廣角人體熱釋電傳感器組成，全面探測機器人周邊生命體釋放的紅外信號。該裝置能夠通過菲涅爾透鏡的廣角感知特性分別對前、左、右三個方向上身體發(fā)出的紅外線信號進行接收，進而判定人員位置，同時當(dāng)感知到有受困人員后，機器人知識燈從不亮狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榧t色閃爍狀態(tài)，起到提醒的同時也為受困人員帶來救援的希望之光，如圖2 所示。

圖2 人體感知裝置Fig.2 Human perception device

3.4 蛇形救災(zāi)機器人中控裝置

為了保證蛇形救災(zāi)機器人能夠在運行過程中安全、可控，在機器人上利用Arduino 開發(fā)板和Arduino 編程軟件研制了中央控制裝置。中央控制裝置對自動行走機構(gòu)、超聲波機構(gòu)以及人體感知機構(gòu)的運行進行集中控制，并通過無線傳輸模塊將人體感知機構(gòu)感知到的被困人員位置信息上傳至上位機軟件[4]?，F(xiàn)場救援人員可通過蛇形救援機器人傳送到上位軟件中的信息快速定位到需要解救人員的具體位置，實施快速營救，如圖3 所示。

圖3 上位機軟件界面Fig.3 Upper computer software interface

4 結(jié)論

蛇形災(zāi)后救援機器人的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計巧妙簡單，體積小、重量輕，實時性及安全性能高，能夠適應(yīng)復(fù)雜的災(zāi)后救援環(huán)境，實現(xiàn)了對相對狹小空間順暢、平穩(wěn)移動和準(zhǔn)確探測，為救援提供了科學(xué)可靠的現(xiàn)場信息，縮短了救援時間，提高了救援效率，降低了人員及財產(chǎn)損失，為我國災(zāi)后救援探測領(lǐng)域提供了先進的監(jiān)測設(shè)備和技術(shù)保障。

引用

[1] 陳光輝.基于ZigBee的救援機器人無線通信系統(tǒng)設(shè)計和實現(xiàn)[J].信息記錄材料,2023,24(3):153-155.

[2] 畢曉斌.淺論5G網(wǎng)絡(luò)下的礦用救援機器人建模分析[J].機械管理開發(fā),2023,38(2):210-211+216.

[3] 鄭卓,尹倫海,王暉智,等.新型災(zāi)難救援機器人設(shè)計[J].遼寧工業(yè)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2023,43(1):34-36+41.

[4] 白琨,汪珺.一種蛇形機器人蜿蜒移動結(jié)構(gòu)設(shè)計[J].赤峰學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版),2018,34(10):86-88.