蛇形灾后救援机器人

2023-11-12天津市耀华嘉诚国际中学于子朔

数字技术与应用 2023年10期

天津市耀华嘉诚国际中学于子朔

随着时代的发展与科技的进步，人工智能设备在潜移默化中改变着我们的生活和工作方式，很多问题都可以通过人工智能的手段加以解决。自然灾害和突发灾害是人类在生产、生活中面对的一种极端情况，灾后救援工作就成为保障人们生命财产安全的重要一环。本文探索研究一种蛇形灾后救援机器人，代替以履带结构或者多足机构作为移动副进行驱动的机器人，解决了相对狭小空间机器人行进、探测的技术难题。

自然灾害和突发灾害是人类在生产、生活中面对的一种极端情况，面对灾害的力量人类是渺小的。因此，每次灾害来临时，都会给人们的生命财产安全带来极大危害，因此，灾后救援工作就成为保障人们生命财产安全的重要一环。如何在灾后复杂的环境下安全、快速地寻找受困人员并第一时间实施救援是需要解决的主要问题之一。

传统的灾后救援方式需要人力通过视觉观察或者通过听觉搜寻求助声音进行被困人员定位，然后实施救援。这种救援作业方式，不仅效率低，同时容易受到灾后复杂环境影响。在灾害发生后如受困人员被困于瓦砾以下，视线被遮挡、声音也无法顺利被救援人员接收的情况下，极易出现救援不及时甚至在救援过程中可能出现二次伤害的情况[1]。

现有的灾后救援机器人，多采用履带结构或者多足结构作为移动副进行驱动，虽然解决了在复杂接触面上的移动问题，但由于受到移动副的限制，机器人尺寸相对较大，不能进入相对狭小的空间进行探测，因此探测范围受到了限制。除此之外，目前市面上使用的灾后救援机器人整体造价较高，虽然具有较高的自动化程度，但机械负重过大，安全性难以保证，未能在救援行动中得到大范围推广。

本文从我国救援机器人的实际需求出发，研发一款蛇形灾后救援机器人，设计出蛇形灾后救援机器人的基座、自动行走、超声波检测、人体感知以及中控等装置。解决以履带结构或者多足机构作为移动副进行驱动的传统机器人，难以进入到相对狭小空间步进，进行空间以及生命探索的技术难题，为灾后救援提供详实可靠的现场信息提供技术和设备保障[2]。

1 总体设计

蛇形灾后救援机器人自动行走装置通过7 个舵机仿生蛇的运动特点进行移动结构设计，同时设置超声波检测装置，能实现在复杂环境下进行移动，并能够自动避障，寻找最优通路；其人体生命检测机构的设置能够实现在灾后复杂环境对于受困人员进行位置侦测，并通过灯光的变化进行显示，为受困人员带来救援的希望；其中央控制装置实现对机器人的自动化控制，并通过无线通讯模块将救援检测的信息上传至后台上位机软件，使其行动敏捷、操作简单、状态可视、数据可总结。该机器人能在救援过程中实现精准定位，为实施快速救援提供技术保障。

2 结构构成

蛇形灾后救援机器人的整体结构由五个部分组成，如图1 所示，包括机座、自动行走机构、超声波机构、中控机构以及人体感知机构。其中，自动行走机构安装在机座上，7 个舵机依次与行走机构连接在一起，通过7个舵机间的相互配合，改变各舵机角度，实现机器人蛇形运动的仿生效果；超声波机构和人体感知机构安装在第一舵机对应的机座机构上，超声波装置和人体感知结构与第一舵机相互配合，通过第一舵机角度的改变感知周围环境情况，进行避障移动，同时通过第一舵机较多的改变使人体感知机构能够大范围的感知被困人员位置信息；中控机构安装在第7 舵机的机座上，第7 舵机机座位于机器人本体尾端，为整个机器人运行过程中的安全位置，将控制芯片与无线通讯模块安装在此，能够保证安全的情况下完成控制、数据传输等功能。

图1 蛇形灾后救援机器人的整体结构Fig.1 Overall structure of a snake shaped disaster rescue robot

3 关键部件设计

3.1 自动行走装置设计

为保证蛇形救灾机器人能够在灾后复杂的地面环境下自由行走，利用仿生学进行机器人主体设计，使其能够在身体细长的同时模仿蛇类动物进行移动。机器人本体上应用7 个可控制角度范围为0 ～180°的舵机，同时通过机座结构将其依次连接，形成蛇形移动机构。舵机按照预设程序变换角度，使机器人本体形成蛇形摆动。同时为了保障蛇形救灾机器人移动过程中的平稳性和流畅度，在机座机构的下方设置了8 个悬挂机构和尼龙材质的轮子[3]。

在蛇形灾后救援机器人运动的过程中，舵机和机座形成了摆动关节和机身连杆机构，7 个舵机按照预设程序变换角度，使机器人本体形成摆动，并根据机器人运动学与摩擦力学原理，使其形成向前的驱动力，在悬挂机构和轮子保障运行平稳的基础上，使机器人完成自由移动。

3.2 超声波装置设计

蛇形灾后救援机器人超声波装置安装在1 号舵机机座前方，由发射端和接收端两部分组成。在工作过程中通过发射端发出超声波，由接收端接收障碍物反弹回来的超声波进而测量机器人与障碍物之间的距离，并根据距离判定前进轨迹。在蛇形救灾机器人的探测行走过程中，以50cm 为是否继续沿当前方向继续行走的判定条件。如前方障碍物的测定距离超过50cm，则机器人进行前进运动；如机器人获取到的测定范围小于50cm 且大于20cm，则机器人将会通过改变1 号舵机角度进行周围情况测距并找到最合适的前进轨迹；若机器人测定距离小于20cm，则机器人执行后退程序，后退至安全距离。蛇形灾后救援机器人超声波装置实现运行过程中精确避障和复杂环境下运行轨迹的自动寻找。

3.3 人体感知装置

为了能够精准感知被困人员位置，做到精准定位。在第一舵机对应机座安装人体感知装置，人体感知装置由3 个110°超广角人体热释电传感器组成，全面探测机器人周边生命体释放的红外信号。该装置能够通过菲涅尔透镜的广角感知特性分别对前、左、右三个方向上身体发出的红外线信号进行接收，进而判定人员位置，同时当感知到有受困人员后，机器人知识灯从不亮状态转变为红色闪烁状态，起到提醒的同时也为受困人员带来救援的希望之光，如图2 所示。

图2 人体感知装置Fig.2 Human perception device

3.4 蛇形救灾机器人中控装置

为了保证蛇形救灾机器人能够在运行过程中安全、可控，在机器人上利用Arduino 开发板和Arduino 编程软件研制了中央控制装置。中央控制装置对自动行走机构、超声波机构以及人体感知机构的运行进行集中控制，并通过无线传输模块将人体感知机构感知到的被困人员位置信息上传至上位机软件[4]。现场救援人员可通过蛇形救援机器人传送到上位软件中的信息快速定位到需要解救人员的具体位置，实施快速营救，如图3 所示。