仿生越障探测车的研制

刘吉兆 刘轩昂 陈丰峰 刘仁杰 黄 锦

1.湖南工学院，衡阳，421002 2.中南大学，长沙，410082

0 引言

近年来，多发的自然灾害、人为灾难严重威胁着人类生命财产安全，引起了人们的广泛关注。在一些突发性灾难现场，如火灾随时可能引发的爆炸、地震后建筑物二次倒塌、有毒物质泄露等现场，施救人员无法深入现场探测或救援。人们急于探知灾难现场的内部险情，但又难以接近或进入灾难现场，此时，搜救车的参与可有效提高搜救效率，减少施救人员伤亡。近10年来，美国、日本等发达国家在地震、火灾等救援机器人的研究方面做了大量的工作，研究出各种可用于灾难现场救援的机器人，如美国iRobot公司生产的Pack－Bot系列机器人［1］、加拿大Inuktun公司研制的Micro VGTV多态搜救机器人［2］，美国卡梅隆大学研制的安装在移动平台上的蛇形机器人，日本大阪大学研制的蛇形机器人［3］，美国加州大学伯克利分校研制的大小不足3cm的苍蝇搜救机器人［4］。在国内，救灾机器人的研究刚刚起步，但进展很快。中国科学院沈阳自动化研究所［5］、国防科学技术大学［6］、北京航空航天大学等单位也都相继研制出类似的蛇形机器人系统。

目前，国内外研制的履带式搜救机器人虽具有较强的越障能力，但大多数体积过大、结构复杂、缺乏对狭小空间进行探测的能力［7］；而轮式搜救机器人虽能对狭小空间进行探测，但结构复杂、不具备越障能力等问题。为此，本文设计出了一种能模仿蛇形进行球面探测，并具有较强越障能力，能对狭小空间进行探测的仿生越障探测车，该车可应用于地震、矿难、火灾等灾难搜索救援工作。

1 探测车的组成和工作原理

探测车包括机械部分和电控部分。机械部分由行走越障系统和蛇形探测系统组成，电控部分由供电系统、控制系统和机载远程通信系统组成。图1为该探测车的三维仿真图。

1.1 机械部分

1.1.1 行走越障系统

行走越障系统由车架1、前轮双曲柄越障机构2、左右侧部平行四边形越障机构3和后轮支撑机构4组成，如图1所示。本车设计为六轮越障，车体前后各安装一个能转向的驱动轮，两侧各有两个驱动轮，此设计可以保证车体在崎岖不平的路面上运动的平稳性。各杆的连接均为铰接，从而增强探测车的机动性。

（1）车架。车架由高强度、轻量化的纤维树脂材料制造而成，设计形状为类五边形，可使车体机动灵活越障。

图1 探测车的三维仿真图

（2）前轮双曲柄越障机构（图2）。前轮双曲柄越障机构由平面双曲柄机构、减震弹簧、转向电机及导向前轮组成。当前轮遇到障碍时，其受到的阻力使平面双曲柄机构产生被动形变，从而带动前轮沿障碍侧壁爬升攀越障碍。弹簧4可随着伸缩轴的滑动而伸缩起到蓄能减震作用；转向电机6带动车体前叉转动实现轮胎7转向。

图2 前轮双曲柄越障机构原理图

（3）侧部平行四边形越障机构（图3）。两侧平行四边形越障机构包括两个平行四边形机构和前后驱动轮。当前驱动轮与障碍物接触时，平行四边形连杆机构整体产生形变，前轮形成有效被动越障，后轮依然与地面接触推动车体向前；当前轮越过障碍后即转化成驱动轮，带动后轮攀爬障碍。由于平行四边形连杆机构遇障碍偏转产生形变，降低了车体重心、上升高度和倾斜度，从而使得探测车能够更平稳地实现单边越障。

图3 侧部平行四边形连杆越障机构原理图

（4）后轮支撑机构（图2中的部件4）。后轮支撑机构和前轮双曲柄越障机构的组成相同，这样能实现前后方向上的越障。当车体前进时后轮起支撑作用，保证车体的平稳性。

1.1.2 蛇形探测系统

蛇形探测系统由多组两自由度角斜机构（图4）和摄像头（或其他传感器）组成。两自由度角斜机构由直齿圆锥齿轮3、角斜连杆2、45°角的锥齿轮曲轴4及机架组成。

图4 两自由度角斜机构原理图

直流伺服电机1带动直齿圆锥齿轮绕45°角的锥齿轮曲轴公转，直流伺服电机2带动整个角斜机构进行自转，当这两个电机同时运行时能达到空间球面转动的效果。在多组角斜机构的协同工作下，使得蛇形探测系统能够进行空间360°的柔性转动，这样装在角斜机构的摄像头就能达到对狭小空间进行探测的目的。

1.2 电控部分

图5为探测车电控系统原理框图。整个车载控制系统使用一台九通道35MHz无线遥控发射/接收器作为主控制器，运用PWM控制方式，伺服电机外接MOSFET放大电桥作为电机的驱动部分。蛇形探测系统采用单片机主控，配合预先设定好的系统逻辑混控电路，其中两个通道用于电机位置选择，由单片机选择接通对应一对电机的通断，另两个通道分别控制两个电机的旋转方向和转速。

图5 探测车电控系统原理图

1.2.1 供电系统

供电系统采用16片相互串联的锂电池，其中12V作为驱动电源，5V作为控制电源。蓄电池和机载电路板安装在车架内部，蓄电池左侧设有电源开关、充电插头等辅助电气设备。

1.2.2 控制系统

遥控发射/接收采用PCM编码技术传输控制信号，PCM是以PCM帧的形式发送控制信号，在发送之前将脉冲宽度用数字编码反映舵机臂的位置，同时加入CRC校验算法，接收机收到PCM帧，根据脉冲转换成二进制数据流，然后进行CRC校验。如果受到干扰，则二进制数据位会发生变化，则CRC校验无法通过，接收机丢弃该帧，等待接收下一个正常的帧。

译码电路采用单片机作为主控器，主要由操作面板、复位电路、时钟电路以及驱动阵列等组成。由单片机各口线控制激活相应的驱动器和继电器。

1.2.3 机载远程通信系统

机载远程通信系统由一套视频传送系统和遥控系统组成。视频传送系统包含了摄像头、视频发射器及视频接收器、监视器等，从摄像头输出的图像为亮度/色度混合的视频信号，通过模拟无线传输的方式发送到接收器所处的控制台。手持遥控器采用PCM编码FM发射控制技术，分别设有行走越障系统和蛇形探测系统的运动控制杆，与车载电子线路的控制信号相匹配。

1.3 建模与仿真

运用UG软件对探测车进行三维建模及模拟装配，得到虚拟样机（图1）。然后运用Adams软件对其进行运动仿真，得出各构件的空间运动轨迹图、位移图（图6）、受力分析图（图7）等。

图6 探测车前轮越障机构抬高位移曲线图

由图6分析可知：OA段时，探测车在平地行驶；AB段时，双曲柄机构产生形变，前连杆向上抬起带动前轮攀越斜坡；BC段中，前轮越过斜坡并复位；CD段中，车体前轮攀越高度为100mm侧面凹凸不平的台阶；DE段中，前轮越过台阶后并复位。同时，从图6中可以确定此次探测车前轮的最大越障高度。由图7所示的弹簧受力曲线表明，减震弹簧在攀越陡坡时受力呈直线上升趋势，攀爬台阶时呈非线性上升趋势，受力峰值为420N。

图7 探测车弹簧受力曲线图

最后通过对多种路况进行运动仿真，进一步分析、优化设计参数，从而得到最终设计参数。

2 样机制造与调试

运用UG软件将虚拟样机生成零件工程图及装配图，根据图纸对探测车的各个零件进行加工，再参照装配图，并结合电控部分对整车进行组装，实现机电结合。然后对实物样机各项性能进行调试、检测，最终完成一款各种性能优异的新型仿生越障探测车的研制工作。图8为探测车电控系统实物图，图9为仿生越障探测车实物图。

图8 探测车电控系统实物图

图9 仿生越障探测车实物图

3 技术参数

针对实物样机，笔者对其进行了全面的测试，得到了越障探测车的基本技术参数，如表1所示。

表1 越障探测车基本技术参数

4 结语

通过吸取国内外搜救机器人在实际应用中的经验教训，提出了产品设计的工作原理和具体方案，并对探测车各项功能进行分析，确定了机械部分和电控部分的设计思路。应用UG、Adams软件对虚拟样机三维建模与仿真，优化产品的设计参数。最后，通过加工、装配及性能调试，成功研制出一款新型仿生越障探测车。该探测车具有空间多角度蛇形探测、高机动越障的优点，可应用于地震、矿难、火灾等灾难搜索救援以及排爆、排查有毒物泄漏等工作，基本符合各项搜索救援任务的要求，适应了当今救援机器人的发展趋势。

［1］Rothman W.Rescuer by Remote Need Help Send in the Robot［EB/OL］.（2001－11－27）［2011－07－28］.http：//www. time. com/time/2004/innovators/200406/murphy.html.

［2］钱善华，葛世荣，王永胜，等.救灾机器人的研究现状与煤矿救灾的应用［J］.机器人，2006，28（3）：350－354.

［3］佚名.日本研制出新型蛇行救援机器人［EB/OL］.（2003－06－24）［2011－07－28］.http：//www.chinainfo.gov.cn/data/200306/1＿20030630＿60846.html.

［4］Fearing R S，Chiang K H，Dickinson M H，et al.Wing Transmission for a Micromechanical Flying Insect［C］//Proceedings of the 2000IEEE International Conference on Robotics and Automation.San Francisco：IEEE，2000：1509－1516.

［5］李斌.蛇形机器人的研究及在灾难救援中的应用［J］.机器人技术与应用，2003，（3）：22－26.

［6］王握文.我国首台蛇形机器人诞生［EB/OL］.（2001－11－27）［2011－07－28］.http：//www.Pladaily.com.cn/gb/jskj/2001/11/27/20011127001006＿gkjqy.html.

［7］Shah B，Choset H.Survey on Urban Search and Rescue Robotics［R］.Pittsburgh，PA：CMU，2003.