基于触觉传感的蛇形搜救机器人的设计与开发*

刘 健，王增增，李 帅，王若楠，刘文君，刘子铭，田景润

（1.天津工业大学工程教学实习训练中心，天津 300387；2.天津工业大学软件学院，天津 300387；3.天津工业大学经济与管理学院，天津 300387；4.天津工业大学计算机科学与技术学院，天津 300387）

0 引言

近年来，地震、洪水、火灾等自然灾害频发；此外，化工厂爆炸、有毒或放射性物质泄露、矿难等意外事故也给人民生命财产安全带来极大的威胁[1-2]。在如此大规模的灾难中，复杂未知的特殊环境干扰着救援人员的营救进度，同时也对救援人员自身的生命安全带来隐患[3]。因此，可替代救援人员深入灾后废墟环境、分担一部分救援任务的机器人已成为应急救援领域的研究趋势之一[4]。2001年美国“911”恐怖袭击事件中，机器人被派遣在废墟中执行搜救任务，这是第一次由救援机器人执行搜索和救援操作[5-6]。之后，在2017年墨西哥城发生的7 级地震中，由卡内基梅隆大学研发的蛇形机器人参与了灾后搜救工作，再次证明了机器人技术在大规模灾难中的有用性。

随着机器人行业的迅猛发展，日本、美国和中国等自然灾害频发的国家研发的救援机器人在灾后现场的救援工作中发挥着越来越重要的作用[7]。传统的救援机器人从构型上划分主要有轮式、足式和履带式等，这些机构在复杂的灾后废墟现场中有着各自的优势与不足[8-9]。轮式机器人的行走机构相对简单，且滚动摩擦阻力小，运动速度快；但是，轮式机器人地面适应能力较差，其通常在相对平坦的地面作业。足式机器人的行走机构灵活性强，可应用于复杂的路况；但由于其机械结构复杂，维持平衡的难度较大，且易被废墟中的杂物卡住。履带式机器人越野能力强，适应地形能力较好[10-11]；其缺点是体积大，功耗高，灵活性不足，无法深入狭缝中搜救。

以上的救援机器人大多只针对地上作业，搜索范围十分有限。为此，本文设计了一种仿生蛇形搜救机器人，其多自由度的特征和细长的体型有助于其深入到废墟狭缝中搜寻被困人员[12]。当机器人在废墟中行进时，若触碰到障碍物，可借助其在头部两侧位置安装的触觉感应来驱动电机发生姿态转变，从而绕过障碍物。另外，该机器人身上配备了摄像头和麦克风这类辅助设备，可进行一些环境探测和数据传回工作。与此同时，该蛇形机器人的躯体中轴孔道中还可以夹持软管，在机器人搜寻到受伤人员后，可为其输送饮用水及流食的补给，为进一步的营救提供时间保证。

1 设计原理

1.1 运动模型建立

日本Hirose 教授提出的蜿蜒曲线模型因其运动效率高而得到广泛的应用，该模型指出生物蛇蜿蜒运动时身体形状时满足正弦规律的平滑曲线[13]。本文采用简化的曲线模型作为蛇形机器人运动步态的产生方式。

式中：s为蛇形机器人的弧长；(x(s),y(s))为从起点到弧长s处的点坐标；a、b、c为控制参数；t为时间。

将蛇形机器人简化为n个连杆连接，每个段的长度为L，因此蛇形机器人的长度为s=iL（i=0，1，2，…，n），并且具有近似曲线如式（2）所示。将蛇形曲线近似为长度为L的线段的集合，假设L无穷小，利用积分就可以得到蛇形曲线，然而L不可能是接近无穷小的，但这种以实际单元模块的长度来拟合蛇形曲线，得到的构型仍然具有蜿蜒运动的大致轮廓，该模型满足式（2）。而行波步态和三维蜿蜒运动步态都是基于此原理公式，只是在蜿蜒运动曲线的基础上加以变式而形成的[14]。

式中：(xi,yi)是杆之间的交点；θi为第i个杆与x轴的夹角；φi为第i个关节与第i-1 个关节的夹角；A为关节转角的幅值；W为关节转角的频率；D为相位差；Y为整个关节系统偏转角；i为关节数。

1.2 行波步态分析

行波步态是在蛇形机器在竖直平面内的蜿蜒运动，其运动控制方程是机器人的俯仰关节按照公式（6）进行规律性的运动。然而值得注意地是，应使蜿蜒曲线的幅值尽可能小从而降低重心以维持蛇形机器人的平衡[15-16]。此外，还要通过调节控制参数使得形成的蜿蜒波形尽可能多以使蛇形机器人与地面之间形成足够支撑点。

1.3 三维蜿蜒步态分析

在三维步态产生机制方面，该蛇形机器人具有水平和竖直两种自由度，因此采用了基于水平面和竖直面的基本运动复合的思想，给出了三维蜿蜒步态的运动控制方程如下：

式中：A为激活函数；NID为电机的编号。

2 机械设计

蛇形搜救机器人使用XH540-W270-R 伺服舵机提供动力，舵机之间相互配合实现蛇形机器人的各种步态。如图1 所示，根据伺服舵机的结构特点，设计了一款U形连接器件，使伺服舵机相互连接成为一个运动单元。两舵机之间需要正交连接以此来保证蛇形搜救机器人在三维空间的运动能力。因此，U 形连接器被设计成由两部分组成，其中一部分的顶端连接伺服舵机的动力输出端，另一部分的顶端通过螺钉及其他零部件连接伺服舵机的另一端以增加牢固性。由于伺服舵机上半圆柱形卡扣的作用，连接件之间得以紧贴，并通过4 个螺钉与伺服舵机相连接形成了蛇形机器人圆柱形的型态。

图1 单个关节结构图

2.1 头部关节结构设计

如图2所示，蛇形机器人头部关节由4部分组成：环形装置、触觉传感器、摄像机与麦克风。其中，环形装置是4 个半缸结构，其用来固定和包裹相关的设备。触觉传感器被贴在蛇头关节的两侧位置，这样保证机器人在接触到障碍物时可以第一时间传回压力数据，然后按照实际情况对所有电机的力矩输出进行调整，以此达到避障的目的。相机与麦克风被置于环形装置中，其中出于对摄像头的保护考虑，4 个半缸高于摄像头的长度，避免摄像头在蛇形机器人行进途中遭到磕碰。

图2 头部正视图

2.2 整体结构设计

整条蛇形搜救机器人是由12 个伺服电机，即6个运动单元构成。如图3 所示，从整体上看，12 个电机之间正交连接，相互之间由连接器件连接。我们还在每个U形连接器底部安装了一个可拆卸的被动轮。此外，如图4 所示，蛇形搜救机器人的尾部可牵引1 根透明的橡胶软管以运送饮用水和葡萄糖等流体物资。

图3 整体实物图

图4 整体结构

2.3 供电系统设计

蛇形搜救机器人采用直流电源作为系统总电源，机器人上的所有舵机并联在电源上。主控芯片通过稳压模块连接在电路上，机器人工作时，舵机所采用的电压为7～12 V。为了使伺服舵机更出色地发挥出高性能水准，该机器人选用12 V的直流电源进行供电。

3 控制系统设计

3.1 控制系统

如图5 所示，机器人上位机控制系统由指令层、计划层和行为层组成。在蛇形搜救机器人运动过程中，安装在机器人头部的触觉传感器发生形变产生相应的电阻值变化信号，该信号经转换变成电信号后传递给模式控制器，模式控制器将该信号反馈给上位机，经上位机在指令层进行数据处理后可以直接读取采集的压力数据，当压力数据超过触发转向程序设置的阈值时，上位机会生成对应的控制信息。然后，控制信息经过模式控制器转化成运动参数后生成COM 轨迹，再回传给上位机的规划层。规划层通过逆运动学计算角度轨迹，将信息被发送给行为层。最终，行为层通过PID 控制器将所需的角度位置转换为扭矩值，驱动电机运动，使蛇形机器人本体完成相应的步态调整。与此同时，上位机接收麦克风采集的音频信号和摄像头采集的视频信号，并分别通过扬声器和屏幕外设进行播放和显示。

图5 控制系统原理框图

3.2 触觉驱动模块

触觉驱动模块由在蛇形机器人头部关节配置的柔性薄膜压力传感器组成，用于提高蛇形机器人在废墟复杂环境内的自适应能力。此款压力传感器体积小，精度高，且具有线性特征，是一种电阻与施加应变成正比的电阻器。我们可以根据其电阻值的变化，测算出外力。

该触觉传感器外接12 路蓝牙控制器，可以根据具体需求来增减传感器的个数。此外，该控制器在提高数据采集系统集成度的同时也省去了电压转换模块的连接。为获取受力数据，薄膜压力传感器与控制器的IO 接口相连，同时控制器将压力变化转化为电压变化通过串口回传至PC 端。之后，PC 端利用BLE 控制器进行数据处理即可实时显示12 路传感器的接触力数据。在接触力所导致的电压变化反馈给上位机后，上位机根据压力数据通过逆运动学计算电机轨迹以驱动电机来改变机器人姿态变化。

3.3 视频模块

该模块采用的是分辨率为1 920 pixel×1 080 pixel，帧速为60 f/s 的USB 2.0 工业摄像头。图像信息通过摄像头与上位机相连的串口进行传输，并利用Python 语言对其进行视觉编程，可将从摄像头获取的图像信息通过其自身所配备的USB线路传输至PC端显示。这种实时的影像回传将帮助进入灾后废墟的蛇形机器人获取废墟下地形状况和被掩埋人员的生命迹象，并为救援工作的顺利开展争取到宝贵的时间。

3.4 音频模块

搜救机器人的音频模块使用内置CSV 降噪芯片的全指向双喇叭麦克风以便及时接收到受难者的信息，并在搜寻到幸存者之后及时了解幸存者的健康情况，从而为救援提供更准确和全面的信息。此外，所述麦克风可将采集到的声音信息回传至上位机，在上位机通过声音控制面板可达到实时监听的效果。

4 测试验证与结果分析

在完成机器人机械结构和控制系统设计的基础上，对其进行功能测试：（1）检查机器人的硬件设备和软件是否成功连接；（2）检查触觉传感器能否成功地将接触力数据通过串口回传至上位机；（3）检查摄像头是否能将废墟内影像传回；（4）检查麦克风是否实现对音频信息的实时播报；（5）检查机器人行波步态和三维蜿蜒步态下的运动效果。

将该蛇形机器人放进模拟场地里进行测试，当启动电源以及运行程序后，机器人成功地连接并进行对应的运动。在测试过程中，机器人可以把触觉传感器测量的压力数值传至上位机并进行读取。此外，还能实时地将视频和音频数据回传至PC 端显示和播放。图6 中给出了A=π/6；W=π；D=-2π/9时蛇形机器人的行波步态，在实验中观察到，行波步态非常适合于狭窄空间的通过。图7 展示了Ao=0.8；Ae=0.6；Wo=We=1.2；Do=De=2.5 时的三维蜿蜒步态实验，此时测得机器人的速度为1.67 cm/s，当在砂石障碍物环境下，测得速度为0.68 cm/s。

图6 机器人行波步态行走测试

5 结束语

本文以救援机器人为研究对象，结合灾后废墟的特殊环境状况，研制了一种可深入废墟狭缝中工作的基于触觉驱动的蛇形搜救机器人。本文的创新内容主要有以下三点。

（1）在普通蛇形机器人基础上，对其机械结构进行了改造，优化了“蛇头”关节的设计以更好的安装触觉传感器，实现基于触觉感知的力矩控制。这使改良后的蛇形机器人可以满足狭缝搜索的运动需求，实现了蛇形机器人应用上的创新。

（2）基于多种传感器，废墟内的影像和声音资料等被实时地传到废墟外，实现对倒塌废墟的内部搜索，极大地保证救援队员的生命安全，为不同情况下的救援提供更多可能性。

（3）在蛇形机器人的躯体中轴孔道设置夹持装置，可从躯体中轴孔道夹持软管对废墟下的被困人员处提供饮用水、葡萄糖等补给，从而为被困者补充必要的营养，同时为施救工作争取到更多的时间。