“探險者”號機器人設計

蔣冉 白學桐 王佳浩

摘要：現在生活中存在很多危險系數高和人們無法開展的工作。每年有成千上萬的人因在危險而復雜的環境中作業而失去生命，但是這些高危工作又不得不去進行。為解除工作中存在的安全隱患，更高效完成工作，設計了“探險者”號機器人。運用音頻收集裝置和360度攝像頭來采集音頻圖，通過化學傳感器來檢測環境中各物質的特性。它具有特殊的身體構造，即使從高空摔落也不會有任何影響?！疤诫U者”號機器人的研究和應用對工業生產保障，提高工作效率具有重大意義。

關鍵詞：勘測高危環境;360度攝像頭;特殊框架構造

1.引言

隨著科技的進步，各行各業都在向智能化、信息化的方向發展，信息的獲取就顯得尤為的重要，但是在環境信息的獲取上仍然有許多因素會干擾信息獲取的可靠性，甚至會危害我們的生命。當我們要勘測一些狹窄，未知地區內部具體情形時，人不便于進入或進入不了，這時環境信息的獲取就顯得極為困難;當我們在災害現場（地震，化學品泄漏等），危險不能完全排除，但又要及時獲取現場內部情況信息時，信息的獲取就會顯得尤為棘手;當我們要長時間監測一塊巨大區域的環境情況，而如果區域的環境非常惡劣（不適于人長時間滯留），那么對人的要求就顯得非常高?！疤诫U者”號機器人可以代替工作人員去這些危險的環境中進行工作，通過攝像機和音頻處理器可及時、準確的觀察到工作環境中的異常情況，通過化學傳感器可判斷環境中的是否存在有毒氣體和空氣潮濕程度等問題。

市面上出現過很多這類機器人，它們需要操作人員根據機器人周圍環境狀況和勘察任務進展程度來實時規劃機器人的偵察工作，且構成它們外部結構的材料笨重，整個機器人體積龐大，材料用量較高，且沒辦法準確發現環境中存在的危險，從而沒辦法高效完成工作。在現代市場的需求下，設計了“探險者”號機器人，本文設計的“探險者”號機器人通過化學傳感器可準確判斷所勘測的環境如何，并轉化成電信號通過網絡傳輸給工作人員，工作人員可實時接收到勘測環境中所存在的狀況，并及時有效的進行休整。機器人具有外形輕巧和防撞特點，能提高應對和處理突發事件、加快事故處理速度、降低事故產生的財產損失。

2.系統總體設計

該機器人可分為三部分：外部防摔結構、內部檢測結構和控制裝置。其中外形基本結構具有較強的防摔能力，內部勘測結構可以實時報告所勘測的環境，我們通過計算機控制系統或者手機軟件來進行接收信號。

3.硬件設計與實現

“探險者”號機器人的硬件系統主要由三個子系統協同工作，構成閉環控制網絡，從而來實現機器人的勘測任務。

3.1外部防摔結構

該機器人外形是由具有彈性的小桿交叉而成的球型，其中小桿的兩端用彈簧相互連接并支撐，該結構經過多項測試證明是可以壓縮的兼容結構，因此它們可以承受一定范圍內的大力沖擊。所以機器人可以完全被壓平、打開，可以彈跳、耐高沖擊性，從高空落下也能繼續正常工作。機器人實際上是不受約束的，因為它們是張緊結構，這意味著它們制成的桿都不會相互接觸。著陸過程中產生了一種張力，使機器人可以“變形”，而不會硬著陸。

3.2 內部檢測模塊

1）音頻處理

本機器人外形是由具有彈性的小桿交叉而成的球型，其中小桿的兩端用彈簧相互連接并支撐，我們在每根彈性小桿里安裝了一組360度攝像頭和音頻收集器，因為攝像機的背光加強和夜視功能所以機器人可在光線較弱的環境拍攝?？蓪崿F對攝像機的焦距進行調節，從而拉近拉遠圖像，實現光學調焦，從而達到更好的檢測效果。機器人通多音頻模塊可以對需勘測地區進行實時監控。具備雙向聲音的傳輸系統，來實現對機器人喊話，以及機器人所搜集畫面的音頻的雙向傳輸。如果勘測地有幸存者也可以進行語音交流，可以通過喊話來尋找幸存者。

2）傳感器

化學傳感器能將各種化學物質的特性（比如氣體、離子、電解質濃度、空氣濕度等）的變化定性的或定量的轉化成電信號。機器人傳回現場環境的信息采用圖形的方式展現出來，方便技術人員直觀讀數。該機器人運用到以下幾種傳感器：

（1）氣敏傳感器

該機器人內部安裝有氣敏傳感器，它可以檢測特定的氣體。我們可以應用在一氧化碳氣體的檢測、瓦斯氣體的檢測、氟利昂（R11、R12）的檢測。

（2）濕敏傳感器

濕敏傳感器主要由兩部分組成：濕敏元件和轉換電路，該機器人運用的是電解質（氯化鋰）電阻濕敏傳感器，該濕敏傳感器最適用于濕度控制領域。

所有傳感器的數據都是通過一個傳感器數據采集卡進行數據采集。采集板卡將采集到的各個他感器的數據進行打包，然后以一種與上位機約定的通訊協議進行數據通訊。傳感器軟件部分的主要任務包括兩部分，一部分是將下位機打包發送上來的數據進行拆包，提取出有用的數據;另一部分為將提取出的有效數據在進行打包傳輸給遠程控制端，建立監測數據的遠程傳輸。

3.3控制模塊

1）基礎控制

計算機控制模塊是我們機器人整個系統的主體，機器人在勘測的所獲得的所有數據處理工作全都由它完成。采用STM32單片機作為機器人的中央處理器，來配合機器人的各個傳感器。

2）遠程控制

該機器人是一種可進行遠程控制的設備，利用計算機和示教器來實現遠程控制。由于控制機的輸入和輸出是數字信號，而現場采集到的信號或送到執行機構的信號大多是模擬信號，因此與常規的按偏差控制的閉環負反饋系統相比，將探險者機器人放到我們需勘測地時，技術人員可以根據現場情況所需來控制機器人運動，在主計算機上就會顯示我們機器人所勘測地的現場情況，通過化學傳感器在現場進行排查。我們也能在主機上實時監控到所勘測地的現場情況?？梢愿鶕C器人對所需勘測地的勘察情況來來進行準備。用戶可以通過計算機實現對機器人控制系統的遠程操控，使整個系統更加的智能化，進而也會使客戶的操作更加的便攜化，大大的提高了操作性。通過計算機可以監控到設備的狀態、機器人所處環境、機器人的運動路徑，下達機器人運動路徑的指令，然后機器人開始它的勘測任務。

“探險者”號機器人結構圖如圖1所示

4.系統軟件設計

機器人軟件系統是保障機器人各部分正常運行的基礎?！疤诫U者”號機器人的軟件包括機器人控制軟件和遠程遙控軟件。遠程控制軟件負責采集技術人員的控制意圖，然后傳輸給機器人，同時機器人傳回的圖像和數據信息以簡便的人機交互方式展現在技術人員面前。而機器人軟件是機器人控制的基礎，完成對機器人各部分的數據采集，同時對控制盒傳輸的信息進行分析從而進行上層的運動規劃，然后將規劃的任務下發到下面的各部分。

運動控制主線程的主要功能是依據通訊系統傳輸的控制數據對機器人進行運動控制。首先對底層控制系統各個硬件部分進行初始化，對運動控制的組織協調級控制總線進行初始化，同時對連接到控制總線上的電機運動控制驅動器進行初始化。初始化通訊接口，按受遠程控制端下發的控制信號，從而完成對機器人運動控制系統的初始化，等待控制命令進行機器人運動控制。

5.結論

“探險者”號機器人能在未知惡劣環境下完成現場環境勘察的工作。機器人的應用可以減少大量的重復性勞動，大大提高工作效率、或完成人們自身沒辦法完成的任務。

主要的研究工作和結論總結如下：

（1）完成了機器人結構設計、音頻處理、傳感系統控制系統的硬件設計，具有高度的集成性和優良的控制性能，為機器人的探測工作奠定了基礎。

（2）設計了計算機控制系統的軟件。采用模塊化方法對軟件進行劃分，完成了電機伺服驅動控制、環境信息數據采集與處理、視音頻采集與處理的設計。

經過調試運行發現，系統各個功能模塊運行正常，基本實現制定的工作目標。下一步將融合更多的控制模塊，并對“探險者”號機器人的工作過程進行優化改進。

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基金項目：天津市大學生創新創業訓練計劃項目：“探險者”號機器人（202110066055）