基于觸覺傳感的蛇形搜救機(jī)器人的設(shè)計與開發(fā)*

劉 健，王增增，李 帥，王若楠，劉文君，劉子銘，田景潤

（1.天津工業(yè)大學(xué)工程教學(xué)實習(xí)訓(xùn)練中心，天津 300387；2.天津工業(yè)大學(xué)軟件學(xué)院，天津 300387；3.天津工業(yè)大學(xué)經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，天津 300387；4.天津工業(yè)大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，天津 300387）

0 引言

近年來，地震、洪水、火災(zāi)等自然災(zāi)害頻發(fā)；此外，化工廠爆炸、有毒或放射性物質(zhì)泄露、礦難等意外事故也給人民生命財產(chǎn)安全帶來極大的威脅[1-2]。在如此大規(guī)模的災(zāi)難中，復(fù)雜未知的特殊環(huán)境干擾著救援人員的營救進(jìn)度，同時也對救援人員自身的生命安全帶來隱患[3]。因此，可替代救援人員深入災(zāi)后廢墟環(huán)境、分擔(dān)一部分救援任務(wù)的機(jī)器人已成為應(yīng)急救援領(lǐng)域的研究趨勢之一[4]。2001年美國“911”恐怖襲擊事件中，機(jī)器人被派遣在廢墟中執(zhí)行搜救任務(wù)，這是第一次由救援機(jī)器人執(zhí)行搜索和救援操作[5-6]。之后，在2017年墨西哥城發(fā)生的7 級地震中，由卡內(nèi)基梅隆大學(xué)研發(fā)的蛇形機(jī)器人參與了災(zāi)后搜救工作，再次證明了機(jī)器人技術(shù)在大規(guī)模災(zāi)難中的有用性。

隨著機(jī)器人行業(yè)的迅猛發(fā)展，日本、美國和中國等自然災(zāi)害頻發(fā)的國家研發(fā)的救援機(jī)器人在災(zāi)后現(xiàn)場的救援工作中發(fā)揮著越來越重要的作用[7]。傳統(tǒng)的救援機(jī)器人從構(gòu)型上劃分主要有輪式、足式和履帶式等，這些機(jī)構(gòu)在復(fù)雜的災(zāi)后廢墟現(xiàn)場中有著各自的優(yōu)勢與不足[8-9]。輪式機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)相對簡單，且滾動摩擦阻力小，運(yùn)動速度快；但是，輪式機(jī)器人地面適應(yīng)能力較差，其通常在相對平坦的地面作業(yè)。足式機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)靈活性強(qiáng)，可應(yīng)用于復(fù)雜的路況；但由于其機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維持平衡的難度較大，且易被廢墟中的雜物卡住。履帶式機(jī)器人越野能力強(qiáng)，適應(yīng)地形能力較好[10-11]；其缺點(diǎn)是體積大，功耗高，靈活性不足，無法深入狹縫中搜救。

以上的救援機(jī)器人大多只針對地上作業(yè)，搜索范圍十分有限。為此，本文設(shè)計了一種仿生蛇形搜救機(jī)器人，其多自由度的特征和細(xì)長的體型有助于其深入到廢墟狹縫中搜尋被困人員[12]。當(dāng)機(jī)器人在廢墟中行進(jìn)時，若觸碰到障礙物，可借助其在頭部兩側(cè)位置安裝的觸覺感應(yīng)來驅(qū)動電機(jī)發(fā)生姿態(tài)轉(zhuǎn)變，從而繞過障礙物。另外，該機(jī)器人身上配備了攝像頭和麥克風(fēng)這類輔助設(shè)備，可進(jìn)行一些環(huán)境探測和數(shù)據(jù)傳回工作。與此同時，該蛇形機(jī)器人的軀體中軸孔道中還可以夾持軟管，在機(jī)器人搜尋到受傷人員后，可為其輸送飲用水及流食的補(bǔ)給，為進(jìn)一步的營救提供時間保證。

1 設(shè)計原理

1.1 運(yùn)動模型建立

日本Hirose 教授提出的蜿蜒曲線模型因其運(yùn)動效率高而得到廣泛的應(yīng)用，該模型指出生物蛇蜿蜒運(yùn)動時身體形狀時滿足正弦規(guī)律的平滑曲線[13]。本文采用簡化的曲線模型作為蛇形機(jī)器人運(yùn)動步態(tài)的產(chǎn)生方式。

式中：s為蛇形機(jī)器人的弧長；(x(s),y(s))為從起點(diǎn)到弧長s處的點(diǎn)坐標(biāo)；a、b、c為控制參數(shù)；t為時間。

將蛇形機(jī)器人簡化為n個連桿連接，每個段的長度為L，因此蛇形機(jī)器人的長度為s=iL（i=0，1，2，…，n），并且具有近似曲線如式（2）所示。將蛇形曲線近似為長度為L的線段的集合，假設(shè)L無窮小，利用積分就可以得到蛇形曲線，然而L不可能是接近無窮小的，但這種以實際單元模塊的長度來擬合蛇形曲線，得到的構(gòu)型仍然具有蜿蜒運(yùn)動的大致輪廓，該模型滿足式（2）。而行波步態(tài)和三維蜿蜒運(yùn)動步態(tài)都是基于此原理公式，只是在蜿蜒運(yùn)動曲線的基礎(chǔ)上加以變式而形成的[14]。

式中：(xi,yi)是桿之間的交點(diǎn)；θi為第i個桿與x軸的夾角；φi為第i個關(guān)節(jié)與第i-1 個關(guān)節(jié)的夾角；A為關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角的幅值；W為關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角的頻率；D為相位差；Y為整個關(guān)節(jié)系統(tǒng)偏轉(zhuǎn)角；i為關(guān)節(jié)數(shù)。

1.2 行波步態(tài)分析

行波步態(tài)是在蛇形機(jī)器在豎直平面內(nèi)的蜿蜒運(yùn)動，其運(yùn)動控制方程是機(jī)器人的俯仰關(guān)節(jié)按照公式（6）進(jìn)行規(guī)律性的運(yùn)動。然而值得注意地是，應(yīng)使蜿蜒曲線的幅值盡可能小從而降低重心以維持蛇形機(jī)器人的平衡[15-16]。此外，還要通過調(diào)節(jié)控制參數(shù)使得形成的蜿蜒波形盡可能多以使蛇形機(jī)器人與地面之間形成足夠支撐點(diǎn)。

1.3 三維蜿蜒步態(tài)分析

在三維步態(tài)產(chǎn)生機(jī)制方面，該蛇形機(jī)器人具有水平和豎直兩種自由度，因此采用了基于水平面和豎直面的基本運(yùn)動復(fù)合的思想，給出了三維蜿蜒步態(tài)的運(yùn)動控制方程如下：

式中：A為激活函數(shù)；NID為電機(jī)的編號。

2 機(jī)械設(shè)計

蛇形搜救機(jī)器人使用XH540-W270-R 伺服舵機(jī)提供動力，舵機(jī)之間相互配合實現(xiàn)蛇形機(jī)器人的各種步態(tài)。如圖1 所示，根據(jù)伺服舵機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計了一款U形連接器件，使伺服舵機(jī)相互連接成為一個運(yùn)動單元。兩舵機(jī)之間需要正交連接以此來保證蛇形搜救機(jī)器人在三維空間的運(yùn)動能力。因此，U 形連接器被設(shè)計成由兩部分組成，其中一部分的頂端連接伺服舵機(jī)的動力輸出端，另一部分的頂端通過螺釘及其他零部件連接伺服舵機(jī)的另一端以增加牢固性。由于伺服舵機(jī)上半圓柱形卡扣的作用，連接件之間得以緊貼，并通過4 個螺釘與伺服舵機(jī)相連接形成了蛇形機(jī)器人圓柱形的型態(tài)。

圖1 單個關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)圖

2.1 頭部關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計

如圖2所示，蛇形機(jī)器人頭部關(guān)節(jié)由4部分組成：環(huán)形裝置、觸覺傳感器、攝像機(jī)與麥克風(fēng)。其中，環(huán)形裝置是4 個半缸結(jié)構(gòu)，其用來固定和包裹相關(guān)的設(shè)備。觸覺傳感器被貼在蛇頭關(guān)節(jié)的兩側(cè)位置，這樣保證機(jī)器人在接觸到障礙物時可以第一時間傳回壓力數(shù)據(jù)，然后按照實際情況對所有電機(jī)的力矩輸出進(jìn)行調(diào)整，以此達(dá)到避障的目的。相機(jī)與麥克風(fēng)被置于環(huán)形裝置中，其中出于對攝像頭的保護(hù)考慮，4 個半缸高于攝像頭的長度，避免攝像頭在蛇形機(jī)器人行進(jìn)途中遭到磕碰。

圖2 頭部正視圖

2.2 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

整條蛇形搜救機(jī)器人是由12 個伺服電機(jī)，即6個運(yùn)動單元構(gòu)成。如圖3 所示，從整體上看，12 個電機(jī)之間正交連接，相互之間由連接器件連接。我們還在每個U形連接器底部安裝了一個可拆卸的被動輪。此外，如圖4 所示，蛇形搜救機(jī)器人的尾部可牽引1 根透明的橡膠軟管以運(yùn)送飲用水和葡萄糖等流體物資。

圖3 整體實物圖

圖4 整體結(jié)構(gòu)

2.3 供電系統(tǒng)設(shè)計

蛇形搜救機(jī)器人采用直流電源作為系統(tǒng)總電源，機(jī)器人上的所有舵機(jī)并聯(lián)在電源上。主控芯片通過穩(wěn)壓模塊連接在電路上，機(jī)器人工作時，舵機(jī)所采用的電壓為7～12 V。為了使伺服舵機(jī)更出色地發(fā)揮出高性能水準(zhǔn)，該機(jī)器人選用12 V的直流電源進(jìn)行供電。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1 控制系統(tǒng)

如圖5 所示，機(jī)器人上位機(jī)控制系統(tǒng)由指令層、計劃層和行為層組成。在蛇形搜救機(jī)器人運(yùn)動過程中，安裝在機(jī)器人頭部的觸覺傳感器發(fā)生形變產(chǎn)生相應(yīng)的電阻值變化信號，該信號經(jīng)轉(zhuǎn)換變成電信號后傳遞給模式控制器，模式控制器將該信號反饋給上位機(jī)，經(jīng)上位機(jī)在指令層進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后可以直接讀取采集的壓力數(shù)據(jù)，當(dāng)壓力數(shù)據(jù)超過觸發(fā)轉(zhuǎn)向程序設(shè)置的閾值時，上位機(jī)會生成對應(yīng)的控制信息。然后，控制信息經(jīng)過模式控制器轉(zhuǎn)化成運(yùn)動參數(shù)后生成COM 軌跡，再回傳給上位機(jī)的規(guī)劃層。規(guī)劃層通過逆運(yùn)動學(xué)計算角度軌跡，將信息被發(fā)送給行為層。最終，行為層通過PID 控制器將所需的角度位置轉(zhuǎn)換為扭矩值，驅(qū)動電機(jī)運(yùn)動，使蛇形機(jī)器人本體完成相應(yīng)的步態(tài)調(diào)整。與此同時，上位機(jī)接收麥克風(fēng)采集的音頻信號和攝像頭采集的視頻信號，并分別通過揚(yáng)聲器和屏幕外設(shè)進(jìn)行播放和顯示。

圖5 控制系統(tǒng)原理框圖

3.2 觸覺驅(qū)動模塊

觸覺驅(qū)動模塊由在蛇形機(jī)器人頭部關(guān)節(jié)配置的柔性薄膜壓力傳感器組成，用于提高蛇形機(jī)器人在廢墟復(fù)雜環(huán)境內(nèi)的自適應(yīng)能力。此款壓力傳感器體積小，精度高，且具有線性特征，是一種電阻與施加應(yīng)變成正比的電阻器。我們可以根據(jù)其電阻值的變化，測算出外力。

該觸覺傳感器外接12 路藍(lán)牙控制器，可以根據(jù)具體需求來增減傳感器的個數(shù)。此外，該控制器在提高數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)集成度的同時也省去了電壓轉(zhuǎn)換模塊的連接。為獲取受力數(shù)據(jù)，薄膜壓力傳感器與控制器的IO 接口相連，同時控制器將壓力變化轉(zhuǎn)化為電壓變化通過串口回傳至PC 端。之后，PC 端利用BLE 控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理即可實時顯示12 路傳感器的接觸力數(shù)據(jù)。在接觸力所導(dǎo)致的電壓變化反饋給上位機(jī)后，上位機(jī)根據(jù)壓力數(shù)據(jù)通過逆運(yùn)動學(xué)計算電機(jī)軌跡以驅(qū)動電機(jī)來改變機(jī)器人姿態(tài)變化。

3.3 視頻模塊

該模塊采用的是分辨率為1 920 pixel×1 080 pixel，幀速為60 f/s 的USB 2.0 工業(yè)攝像頭。圖像信息通過攝像頭與上位機(jī)相連的串口進(jìn)行傳輸，并利用Python 語言對其進(jìn)行視覺編程，可將從攝像頭獲取的圖像信息通過其自身所配備的USB線路傳輸至PC端顯示。這種實時的影像回傳將幫助進(jìn)入災(zāi)后廢墟的蛇形機(jī)器人獲取廢墟下地形狀況和被掩埋人員的生命跡象，并為救援工作的順利開展?fàn)幦〉綄氋F的時間。

3.4 音頻模塊

搜救機(jī)器人的音頻模塊使用內(nèi)置CSV 降噪芯片的全指向雙喇叭麥克風(fēng)以便及時接收到受難者的信息，并在搜尋到幸存者之后及時了解幸存者的健康情況，從而為救援提供更準(zhǔn)確和全面的信息。此外，所述麥克風(fēng)可將采集到的聲音信息回傳至上位機(jī)，在上位機(jī)通過聲音控制面板可達(dá)到實時監(jiān)聽的效果。

4 測試驗證與結(jié)果分析

在完成機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)上，對其進(jìn)行功能測試：（1）檢查機(jī)器人的硬件設(shè)備和軟件是否成功連接；（2）檢查觸覺傳感器能否成功地將接觸力數(shù)據(jù)通過串口回傳至上位機(jī)；（3）檢查攝像頭是否能將廢墟內(nèi)影像傳回；（4）檢查麥克風(fēng)是否實現(xiàn)對音頻信息的實時播報；（5）檢查機(jī)器人行波步態(tài)和三維蜿蜒步態(tài)下的運(yùn)動效果。

將該蛇形機(jī)器人放進(jìn)模擬場地里進(jìn)行測試，當(dāng)啟動電源以及運(yùn)行程序后，機(jī)器人成功地連接并進(jìn)行對應(yīng)的運(yùn)動。在測試過程中，機(jī)器人可以把觸覺傳感器測量的壓力數(shù)值傳至上位機(jī)并進(jìn)行讀取。此外，還能實時地將視頻和音頻數(shù)據(jù)回傳至PC 端顯示和播放。圖6 中給出了A=π/6；W=π；D=-2π/9時蛇形機(jī)器人的行波步態(tài)，在實驗中觀察到，行波步態(tài)非常適合于狹窄空間的通過。圖7 展示了Ao=0.8；Ae=0.6；Wo=We=1.2；Do=De=2.5 時的三維蜿蜒步態(tài)實驗，此時測得機(jī)器人的速度為1.67 cm/s，當(dāng)在砂石障礙物環(huán)境下，測得速度為0.68 cm/s。

圖6 機(jī)器人行波步態(tài)行走測試

5 結(jié)束語

本文以救援機(jī)器人為研究對象，結(jié)合災(zāi)后廢墟的特殊環(huán)境狀況，研制了一種可深入廢墟狹縫中工作的基于觸覺驅(qū)動的蛇形搜救機(jī)器人。本文的創(chuàng)新內(nèi)容主要有以下三點(diǎn)。

（1）在普通蛇形機(jī)器人基礎(chǔ)上，對其機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改造，優(yōu)化了“蛇頭”關(guān)節(jié)的設(shè)計以更好的安裝觸覺傳感器，實現(xiàn)基于觸覺感知的力矩控制。這使改良后的蛇形機(jī)器人可以滿足狹縫搜索的運(yùn)動需求，實現(xiàn)了蛇形機(jī)器人應(yīng)用上的創(chuàng)新。

（2）基于多種傳感器，廢墟內(nèi)的影像和聲音資料等被實時地傳到廢墟外，實現(xiàn)對倒塌廢墟的內(nèi)部搜索，極大地保證救援隊員的生命安全，為不同情況下的救援提供更多可能性。

（3）在蛇形機(jī)器人的軀體中軸孔道設(shè)置夾持裝置，可從軀體中軸孔道夾持軟管對廢墟下的被困人員處提供飲用水、葡萄糖等補(bǔ)給，從而為被困者補(bǔ)充必要的營養(yǎng)，同時為施救工作爭取到更多的時間。