一种智能仿生救援机器人的设计

薛乐乐

【摘 要】我国是一个自然灾害多发的国家，尤其是地震或失火等灾害常常带给人们巨大的财产和人身伤害，并且这些灾害发生后的救援行动通常因为空间、环境复杂等因素而变得比较困难。近年来机器人技术不断发展，让机器人代替人去进行救援能够较好地解决这类问题。本文介绍了一种智能的仿生救援机器人，对于在较复杂环境中进行救援活动的问题，有较好的解决方法。

【关键词】仿生；救援；机器人

在自然界和人类社会中总有一些人类难以到达的地方，以及有可能危及人类生命安全的特殊地点。比如，灾难发生的矿井下面、防灾救援活动中等。常见的移动或行走机构有传统轮胎式和履带传动式。传统的轮胎式在实际应用中又因地形或天气不同有不同的种类和应用，如越野胎、雨胎等，且使用的轮胎的数量也因应用环境不同而存在差异。传统的轮胎式优点是移动速度快、灵敏。

对于履带传动式，它不如传统轮胎那样移动迅速，但是它的应用也非常广泛。通常人们需要排除障碍物或者危险物的作业地点的环境是较为恶劣的，在极端的条件下传统轮胎就失去了用武之地，此时，履带传动可以很好地解决这一问题。对于野外的沙地、山路、阶梯等较复杂的地形，履带都能够顺利通过。

不同于传统轮胎和履带移动方式的机器人，仿生的步行机器人在较复杂环境中的行走具有独特的优越性。在机器人行业不断发展的背景下，行走机器人也正在蓬勃发展。仿生机器人的行走轨迹是一系列离散的足迹。移动时，只需离散点接触地面，对环境的破坏也较小。它可以在可能接触的地面上选择最佳的支撑点，并能够自主适应崎岖不平的地形。正因为如此，行走类机器人对环境的破坏是小的，这在震后救援活动中显得尤为重要。因为要在灾后救援行动中避免受困者受到二次伤害，因此避免对周围环境的破坏是救援行动的前提。传统的轮胎和履带式传动机构在行走过后留下的是一系列连续的车辙。但是在崎岖的地形中，诸如岩石、土壤、沙子、甚至悬崖和陡坡等障碍物，能够提供给机器人连续的路径的地段非常有限。这就意味着轮式和履带式机器人不能够再适合于这种地形。对仿生机器人的行走来说，用于移动的腿具有更高的自由度，同时也能够使运动的灵活性大大增强。通过调整腿部长度，或通过调整腿部伸展来调整重心位置，可以让机器人不易翻身，提高稳定性。

仿生原理：为了更好地适应地形，本设计使用了六条腿的机器人。六足机器人又称为蜘蛛机器人，因为它的形状类似于蜘蛛，是一种多足机器人。对于六足机器人，我们从自然昆虫运动的原理中了解到，脚是昆虫的器官。我们都知道昆虫是以三条腿行走的，一边的前足、后足与另一边的中足是一组。这样，就形成了一个三角形的框架。当三条腿放在地上向后蹬时，剩余的三条腿被抬起。在前脚爪向前并拉动固定物体后，脚用于支撑身体，将脚掌抬起在身体的一侧，然后推动身体向前。如果将这种行走方式运用到机器人上，便可以解决机器人在更困难的工作环境中的行走问题。

在已经设计好机器人的肢体的基础上，还需要考虑带动肢体进行行走的机构，即舵机。不同于其他的电机，舵机又叫伺服电机，它最早是被广泛用于船舶上的，为的是实现转向的功能。之后，因为其可以通过软件的编程实现控制其转角而又用于各种各样的关节运动中。在本设计中，使用多自由度的舵机来控制仿生机器人腿部的运动，能够大大地提高稳定性，且设计较简单、体型较小。

除了机器人的运动装置外，其余部分主要包括控制装置和其他辅助装置。对于控制装置，就是我们通常所说的机器人的大脑，又称为CPU。它是整个机器人的设计中最重要的部分，机器人所能执行的一切命令都由它所发出，同时机器人从外界采集到的信息也要经过中央处理器的处理，然后再决定下一步做出怎样的调整。在本设计中采用的主控主要是单片机，80C51系列、ARM系列和STM32系列的单片机均可以。

对于其他辅助装置，主要分为两部分，一部分是摄像头，另一部分是超声测距模块。在危险且狭小的环境中，人们无法直接观测到周围环境的状况，为了解决这个问题，在此采用摄像头来代替人眼来采集环境中的图像信息。图像信息被摄像头采集后，通过无线通讯的方式来传输给人们所观测的PC端或者移动端。这里的无线通讯方式包括现在普遍使用的WI-FI通信或者蓝牙通信。对于具体的摄像头模块，采用基于STM32单片机的OV7670摄像头，此摄像头属于CMOS器件并且自身带有标准的SCCB接口。除此之外，此款摄像头能够兼容IIC接口。另外，其内置的器件主要有感光序列、时序发生器、AD转换器、数字信号处理器、模拟信号处理装置等。

摄像头的工作流程为：首先光照射到感光阵列，由感光阵列产生电荷，这些电荷会被送到具体的模拟信号的处理装置或者处理单元中，之后再经由AD转换器将此信号转换为数字信号。因为计算机无法直接对采集到的模拟信号进行相应的处理，所以需要一个转换器用来将模拟信号转换为相对应的计算机能够识别并进行处理的数字信号。然后将数字信号输入进DSP中进行处理，即实现插值到RGB信号，最后再将信号输出到屏幕上。

超声测距模块，在本设计中采用HC-SR04超声波测距模块，这个模块能够实现测量非接触情况下的2cm-400cm的距离，同时测量的精度高达3mm。其模块主要包括超声波发射器、接收器和控制电路。测量的角度为15度，输入的触发信号为10us的TTL脉冲，而输出的回响信号为TTL电平信号，其与射程成比例。超声波测距的原理主要就是自身发射一个超声波，然后发射出去的波遇到物体再反射回来，自己仍然能够检测到，根据波速和发射的波反射回来的时間能够确定物体距离自身的距离。我们可以利用其检测物体的功能通过适当的软件编程来实现当机器人距离障碍物过近时，让它自己进行移动，直至面前没有障碍物，能够向前移动为止，这样可以避免在复杂的环境中人为地操控机器人不够灵活的情况。

本文通过设计合理的腿部模型，并且采用摄像头模块、超声测距模块等来设计实现了一种工作在危险、复杂环境中的智能救援机器人，它能够自动进行避障，以减少救援行动中的阻力，同时可以实时传输视频信号来帮助施救人员进行救援行动。

【参考文献】

[1]代德丹.王猛.李怡.智能避障小车[J].电子世界.2017（20）.

[2]朱国良.王思炜.梁祥祥.种法力.基于单片机智能避障灭火小车的设计.时代教育.2017（11）.endprint