震后救灾机器人设计及应用

吴园园 潘丽雯 卿禹翔 郭 婉 陈 科

（武汉轻工大学,湖北 武汉 430000）

1 引言

近年来地震频发，来不及逃出建筑物的幸存者被掩埋在废墟之下，可能处于伤口感染、血流过多、缺水的危险之中。救援人员也面临着余震的威胁。地震救援机器人的存在可以减少一些不必要的危险。由于地震灾害救援的复杂性，大面积的倒塌可以借助挖掘机等大型的搬运救灾机器人，而对于及时向幸存者施救而言，这些大型设备无用武之地，这时就需要一些特定的小型机械设备来完成。

这些研究在一些国家已经有所成就，日本研究专家SatoshiTadokoro发明的Snakebot[1]，依靠装有动力装置的尼龙绳索进行驱动，可以深入灾后废墟的各个狭小角落。其利用摄像机可以使救援者了解并控制受灾区域的内部情形。日本千叶工业大学设计了一款呼吸探测机器人Quince，身量小却能打开门把手，递送食物或其他所需品。

我国就在机器人的研究相对比较晚，但是受到了高度的重视，我国沈阳自动化研究所研制的废墟搜索机器人[2]利用其携带的红外摄像机与声音传感器等装置，能把废墟内的情形传送给救援人员方便展开施救。国防科技大学在2001年研制了一种蛇形机器人[3]，操作移动十分灵活。但它们的缺点是在废墟间隙及时供给物资上的研究还有所欠缺。

2 救援机器人结构设计

2.1 救灾机器人总体设计

本文设计了一款可以对废墟内部进行生命探测并穿进废墟管道补给的救灾机器人，例如急救药剂和供氧管道的部署以及携带一些简易自救工具，来增加待救援人员的生存概率，保障其生命体征正常，从而为救援赢得宝贵的时间。

总体设计图如图1所示，对地震现场智能采样，首先利用高灵敏度人体红外传感器探测掩埋幸存者位置及规划机器人通向该处路径，驱动六足移动底盘至目标地点，然后利用超声波传感器对废墟内部结构勘测，对穿间隙模块移动路线进行计算，驱动穿间隙模块深入废墟内部向幸存者供给水或氧气。穿间隙模块设有摄像头、CO2传感器及通讯、照明设备，能及时将周围环境和幸存者生命状况输送到终端。

2.2 移动底盘设计

图1 机器人总体结构设计图

采用一种仿生六足爬行底座，控制该机器在地震废墟这样的复杂路面上运动。传统的履带式机器人具有结构简单、牵引力大和不易打滑等优点，在平坦的路面工作效率高、运行速度快，可以发挥很大功效，但是它在应付极端条件下发挥的作用微乎其微。而多足机器人有着良好的适应地形的能力、极高的稳定性[4]，可以在不适合大多数履带和轮式机器人运动的环境下平稳地移动。目前，常见的步行机器人以两足式、四足式机器人应用较多，其中的两足式和四足式机器人相对六足式机器人腿部个数较少，腿部关节自由度较少，运动不够灵活，动态稳定性较差，同时六组机构在运行过程中对地面压强小，可以穿过一些不耐压的地段，可以经过较陡路段。而在灾后地区中，崎岖地形是这种地区的特征之一，对于六足机器人而言，它比四足和两足机器人的自由度多，调整重心的方式更加灵活，稳定性比四足和两足机器人的要更高。

2.3 腿型及步态设计

该六足机器人采用半圆形履带式腿型[5]，腿上只有一个关节，由一个舵机驱动，每个伺服电机通过舵机分别驱动一个半圆弧足，使之产生周期性往复运动。确定本机器为三角形步态，6条腿分布在身体的两侧，身体左侧的A1、C1及右侧的B2为一组，右侧的前A2、C2和左侧的B1为另一组，如图2所示。每次运动时其身体支撑点构成一个以A1、C1、B2或A2、C2、B1为支撑点的大三角形。依靠大腿前后划动实现支撑和摆动过程，完成运动过程。

图2 步态设计示意图

在机身底板处放置传感器模块（热释红外传感器、超声波传感器、温度传感器）、蓝牙接收器和电源电池。摄像头位于机器人前方，后方放置有盘形容器，容器内部放置救灾物品，该容器外部围绕导管，导管最前端安装三面驱动的履带机构，容器内的液体可利用导管运输，同时在容器底部安装有电机，使得该容器可以旋转，底板设计与半圆弧足设计图如图3、图4所示。

图3 底板各元件分布图

图4 半圆弧足间隙履带分布设计图

2.4 穿隙机构设计

考虑到废墟容易引起二次坍塌，机器人受体积限制无法装载足够物资；且通道不规则，如采用机械手穿过间隙通道，机械手必须具有自由度多且长度长等特点，在控制与设计上实现度太低。这里采用移动底盘上运载物资并不进入废墟内部、设有饶性穿隙机构深入废墟的方案。

在输送软管前端安装三面驱动的履带机构，该三面驱动的履带机构包括3个履带装置，每个履带装置相互之间的夹角为60°，当进入较小的缝隙机器人能借助履带装置提供驱动力进入复杂的废墟内部。该机构的外部采用轻型耐磨塑料作为主要结构，既减轻了驱动装置的重量，又降低了加工的成本。该机构的每个履带配备压力传感器、位置及力矩侍服器等配套装置，检测到有压力的时候电机才会有相应的转动，同时履带能与地面产生较摩擦，可以适应多种地形，能在狭小缝隙中快速移动。在该机构的最前端配置有红外线探测头，可反馈对环境的监视数据。输送导管采用了一种柔性耐压管件金属波纹软管，拥有高柔韧性、抗扭曲、高弯曲性、耐摩擦、耐酸性腐蚀等特点。复位是借助储料容器件回转收起管道。

3 控制中心

3.1 舵机驱动芯片和主控芯片

控制部分选择了以ARM架构Cortex-m3内核的STM32F103系列的单片机(STM32F103RBT6)为主控芯片，该系列单片机资源丰富，利用稳压芯片给单片机的管脚进行5V供电，供电方便。为了存储视觉信息，方位信息等并分析，我们使用W25Q64FLASH存储芯片，此芯片中，_CS、SPI_MISO、SPI_SCK和SPI_MOSI四个引脚与单片机的硬件SPI接口进行连接。

图5 为控制程序框图。

3.2 通讯部分

主控板亦连接舵机控制板，通过主控板与电脑的蓝牙通信来实现电脑对机器人的远程控制，采用UART接口，外围IO口通讯。主控板与舵机控制板的通讯则采用线缆连接，采用BF 10蓝牙通信模块，BlueCore4-Ext芯片。该模块可以实现电脑端对单片机的双向信号传输，也可以实现机器人部件中的两个模块互相通讯，电脑蓝牙适配器，通过WIDCOMM授权的驱动完成配对通讯过程。连接成功后，在PC机上会虚拟创建一个COM口，形成透明串口数据传输。

对于控制模式的选择，采用BF10-A蓝牙模块。该模块是主从模块，在通讯中以PC机为主模块，单片机为从模块，配对过程的信息流传输的调制解调器过程中，通过at命令，可以修改设备的设备类型号和波特率，方便连接。

对于蓝牙模块的供电部分，采用AMS1117型号的稳压芯片进行供电，该芯片纹波小，可以有效地避免直流供电中高次谐波的干扰，保持被供电模块工作的稳定。

3.3 传感器模块

本设计传感器模块采用多种传感器配合模式，HCSR501用来探测人体辐射，因此其热释电元件对波长为10 um左右的红外辐射很敏感[6]。该模块采用灵敏度高、可靠性强的LHI778探头，其本身不发出任何类型的辐射，功耗小，价格低。US-100静态功耗低于2mA，测距范围2cm～4.5m，其自带的温度传感器可校正测距结果，同时具有串口、GPIO等多种通信方式，工作稳定。S-100H 供电电压5V,消耗电流25mA/h，使用寿命十年以上，是世界上最小、最轻的NDIR技术CO2传感器，使用简单，方便与其他设备链接使用，输出接口多样，易于传输读取，适合多种场合安装和拆卸。

4 结语

本文设计了具有穿隙机构的六足机器人，实现了在废墟等复杂路况上的越障；穿隙机构能伸入废墟间隙向掩埋在废墟中的幸存者供给氧气或急救品等物资。通过各种传感器能勘测路况并反馈幸存者位置信息，进而及时向他们提供救援,填补了当前救援机器人中在地震救援时深入废墟内部供给物资的空白，满足了救援的及时性、自动性和智能性。