“探险者”号机器人设计

蒋冉 白学桐 王佳浩

摘要：现在生活中存在很多危险系数高和人们无法开展的工作。每年有成千上万的人因在危险而复杂的环境中作业而失去生命，但是这些高危工作又不得不去进行。为解除工作中存在的安全隐患，更高效完成工作，设计了“探险者”号机器人。运用音频收集装置和360度摄像头来采集音频图，通过化学传感器来检测环境中各物质的特性。它具有特殊的身体构造，即使从高空摔落也不会有任何影响。“探险者”号机器人的研究和应用对工业生产保障，提高工作效率具有重大意义。

关键词：勘测高危环境;360度摄像头;特殊框架构造

1.引言

随着科技的进步，各行各业都在向智能化、信息化的方向发展，信息的获取就显得尤为的重要，但是在环境信息的获取上仍然有许多因素会干扰信息获取的可靠性，甚至会危害我们的生命。当我们要勘测一些狭窄，未知地区内部具体情形时，人不便于进入或进入不了，这时环境信息的获取就显得极为困难;当我们在灾害现场（地震，化学品泄漏等），危险不能完全排除，但又要及时获取现场内部情况信息時，信息的获取就会显得尤为棘手;当我们要长时间监测一块巨大区域的环境情况，而如果区域的环境非常恶劣（不适于人长时间滞留），那么对人的要求就显得非常高。“探险者”号机器人可以代替工作人员去这些危险的环境中进行工作，通过摄像机和音频处理器可及时、准确的观察到工作环境中的异常情况，通过化学传感器可判断环境中的是否存在有毒气体和空气潮湿程度等问题。

市面上出现过很多这类机器人，它们需要操作人员根据机器人周围环境状况和勘察任务进展程度来实时规划机器人的侦察工作，且构成它们外部结构的材料笨重，整个机器人体积庞大，材料用量较高，且没办法准确发现环境中存在的危险，从而没办法高效完成工作。在现代市场的需求下，设计了“探险者”号机器人，本文设计的“探险者”号机器人通过化学传感器可准确判断所勘测的环境如何，并转化成电信号通过网络传输给工作人员，工作人员可实时接收到勘测环境中所存在的状况，并及时有效的进行休整。机器人具有外形轻巧和防撞特点，能提高应对和处理突发事件、加快事故处理速度、降低事故产生的财产损失。

2.系统总体设计

该机器人可分为三部分：外部防摔结构、内部检测结构和控制装置。其中外形基本结构具有较强的防摔能力，内部勘测结构可以实时报告所勘测的环境，我们通过计算机控制系统或者手机软件来进行接收信号。

3.硬件设计与实现

“探险者”号机器人的硬件系统主要由三个子系统协同工作，构成闭环控制网络，从而来实现机器人的勘测任务。

3.1外部防摔结构

该机器人外形是由具有弹性的小杆交叉而成的球型，其中小杆的两端用弹簧相互连接并支撑，该结构经过多项测试证明是可以压缩的兼容结构，因此它们可以承受一定范围内的大力冲击。所以机器人可以完全被压平、打开，可以弹跳、耐高冲击性，从高空落下也能继续正常工作。机器人实际上是不受约束的，因为它们是张紧结构，这意味着它们制成的杆都不会相互接触。着陆过程中产生了一种张力，使机器人可以“变形”，而不会硬着陆。

3.2 内部检测模块

1）音频处理

本机器人外形是由具有弹性的小杆交叉而成的球型，其中小杆的两端用弹簧相互连接并支撑，我们在每根弹性小杆里安装了一组360度摄像头和音频收集器，因为摄像机的背光加强和夜视功能所以机器人可在光线较弱的环境拍摄。可实现对摄像机的焦距进行调节，从而拉近拉远图像，实现光学调焦，从而达到更好的检测效果。机器人通多音频模块可以对需勘测地区进行实时监控。具备双向声音的传输系统，来实现对机器人喊话，以及机器人所搜集画面的音频的双向传输。如果勘测地有幸存者也可以进行语音交流，可以通过喊话来寻找幸存者。

2）传感器

化学传感器能将各种化学物质的特性（比如气体、离子、电解质浓度、空气湿度等）的变化定性的或定量的转化成电信号。机器人传回现场环境的信息采用图形的方式展现出来，方便技术人员直观读数。该机器人运用到以下几种传感器：

（1）气敏传感器

该机器人内部安装有气敏传感器，它可以检测特定的气体。我们可以应用在一氧化碳气体的检测、瓦斯气体的检测、氟利昂（R11、R12）的检测。

（2）湿敏传感器

湿敏传感器主要由两部分组成：湿敏元件和转换电路，该机器人运用的是电解质（氯化锂）电阻湿敏传感器，该湿敏传感器最适用于湿度控制领域。

所有传感器的数据都是通过一个传感器数据采集卡进行数据采集。采集板卡将采集到的各个他感器的数据进行打包，然后以一种与上位机约定的通讯协议进行数据通讯。传感器软件部分的主要任务包括两部分，一部分是将下位机打包发送上来的数据进行拆包，提取出有用的数据;另一部分为将提取出的有效数据在进行打包传输给远程控制端，建立监测数据的远程传输。

3.3控制模块

1）基础控制

计算机控制模块是我们机器人整个系统的主体，机器人在勘测的所获得的所有数据处理工作全都由它完成。采用STM32单片机作为机器人的中央处理器，来配合机器人的各个传感器。

2）远程控制

该机器人是一种可进行远程控制的设备，利用计算机和示教器来实现远程控制。由于控制机的输入和输出是数字信号，而现场采集到的信号或送到执行机构的信号大多是模拟信号，因此与常规的按偏差控制的闭环负反馈系统相比，将探险者机器人放到我们需勘测地时，技术人员可以根据现场情况所需来控制机器人运动，在主计算机上就会显示我们机器人所勘测地的现场情况，通过化学传感器在现场进行排查。我们也能在主机上实时监控到所勘测地的现场情况。可以根据机器人对所需勘测地的勘察情况来来进行准备。用户可以通过计算机实现对机器人控制系统的远程操控，使整个系统更加的智能化，进而也会使客户的操作更加的便携化，大大的提高了操作性。通过计算机可以监控到设备的状态、机器人所处环境、机器人的运动路径，下达机器人运动路径的指令，然后机器人开始它的勘测任务。

“探险者”号机器人结构图如图1所示

4.系统软件设计

机器人软件系统是保障机器人各部分正常运行的基础。“探险者”号机器人的软件包括机器人控制软件和远程遥控软件。远程控制软件负责采集技术人员的控制意图，然后传输给机器人，同时机器人传回的图像和数据信息以简便的人机交互方式展现在技术人员面前。而机器人软件是机器人控制的基础，完成对机器人各部分的数据采集，同时对控制盒传输的信息进行分析从而进行上层的运动规划，然后将规划的任务下发到下面的各部分。

運动控制主线程的主要功能是依据通讯系统传输的控制数据对机器人进行运动控制。首先对底层控制系统各个硬件部分进行初始化，对运动控制的组织协调级控制总线进行初始化，同时对连接到控制总线上的电机运动控制驱动器进行初始化。初始化通讯接口，按受远程控制端下发的控制信号，从而完成对机器人运动控制系统的初始化，等待控制命令进行机器人运动控制。

5.结论

“探险者”号机器人能在未知恶劣环境下完成现场环境勘察的工作。机器人的应用可以减少大量的重复性劳动，大大提高工作效率、或完成人们自身没办法完成的任务。

主要的研究工作和结论总结如下：

（1）完成了机器人结构设计、音频处理、传感系统控制系统的硬件设计，具有高度的集成性和优良的控制性能，为机器人的探测工作奠定了基础。

（2）设计了计算机控制系统的软件。采用模块化方法对软件进行划分，完成了电机伺服驱动控制、环境信息数据采集与处理、视音频采集与处理的设计。

经过调试运行发现，系统各个功能模块运行正常，基本实现制定的工作目标。下一步将融合更多的控制模块，并对“探险者”号机器人的工作过程进行优化改进。

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基金项目：天津市大学生创新创业训练计划项目：“探险者”号机器人（202110066055）