一种新型可变形智能救援机器人系统设计

一种新型可变形智能救援机器人系统设计・７７・一种新型可变形智能救援机器人系统设计柴钰，贾晓劢，卫苏晶（西安科技大学电气与控制工程学院，陕西西安７１００５４）摘要：针对灾后救援人员无法快速进入灾难现场迅速准确地得到灾难现场信息的问题及救援工作的危险性和紧迫性，研究并建立了一种新型可变形智能救援机器人系统。它主要由履带式可变形小车、远程控制设备和视觉系统组成，可用于灾后人不能进入的地方。实验证明该系统能够可靠有效地工作，测试结果可以实现预期的功能。采用双目立体视觉系统和适应力极强的履带式可变形小车系统可以使本机器人用于未知领域或其他复杂环境的探测，提高救援机器人的广泛性和实用性。关键词：救援机器人；变形；运动控制；双目立体视觉中图分类号：Ｐ２４２．６文献标识码：Ａ文章编号：１０００—８８２９（２０１４）０５—００７７—０５ＤｅｓｉｇｎｏｆａＮｏｖｅｌＤｅｆｏｒｍａｂｌｅａｎｄＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔＲｅｓｃｕｅＲｏｂｏｔＳｙｓｔｅｍＣＨＡＩＹｕ，ＪＩＡＸｉａｏ－ｍａｉ，ＷＥＩＳｕ－ｊｉｎｇ（ＳｃｈｏｏｌｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃａｌａｎｄＣｏｎｔｒｏｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｘｉ’ａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｘｉ’ａｎ７１００５４，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｅｒｓｃｅｎｅｔｏｔｈｅｒｉｓｋａｎｄｔｈｅｕｒｇｅｎｃｙｃａｕｓｅｄｂｙｔｈａｔｒｅｓｃｕｅｗｏｒｋｅｒｓｃａｎｎｏｔｑｕｉｃｋｌｙｇｏｉｎｔｈｅｄｉｓａｓ・ｒｅｓｃｕｅｔｏｇｅｔｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｒａｐｉｄｌｙａｎｄａｃｃｕｒａｔｅｌｙａｆｔｅｒｔｈｅｄｉｓａｓｔｅｒ，ａｎｏｖｅｌｄｅｆｏｒｍａｂｌｅａｎｄｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｒｏｂｏｔｓｙｓｔｅｍｉｓｒｅｓｅａｒｃｈｅｄａｎｄｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ．Ｉｔｍａｉｎｌｙｃｏｎｓｉｓｔｓｏｆｃｒａｗｌｅｒｍｅｎｔａｎｄｖｉｓｕａｌｄｅｆｏｒｍａｂｌｅｃａｎｂｏｄｙ，ｒｅｍｏｔｅｃｏｎｔｒｏｌｅｑｕｉｐ－ｎｏｔｓｙｓｔｅｍ，ａｎｄｃａｎｃａｎｂｅｕｓｅｄｆｏｒｐｏｓｔ—ｄｉｓａｓｔｅｒｔｅｓｔａｒｅａｗｈｅｒｅｐｅｏｐｌｅｅｎｔｅｒ．Ｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｐｒｏｖｅｓｔｈａｔｔｈｅｓｙｓｔｅｍｓｔｅｒｅｏｗｏｒｋｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ，ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｃａｎａｃｈｉｅｖｅｔｈｅｅｘｐｅｃｔｅｄｆｕｎｃｔｉｏｎ．Ｔｈｅｂｉｎｏｃｕｌａｒｔｏｖｉｓｉｏｎｓｙｓｔｅｍｏｒａｎｄｔｈｅｒｅｓｉｌｉｅｎｔｃｒａｗｌｅｒｄｅｆｏｒｍａｂｌｅｔｒｏｌｌｅｙｓｙｓｔｅｍｅｎａｂｌｅｔｈｅｒｏｂｏｔｄｅｔｅｃｔｕｎｋｎｏｗｎｆｉｅｌｄｓｏｔｈｅｒｃｏｍｐｌｅｘｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，ａｎｄｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｕｎｉｖｅｒｓａｌｉｔｙａｎｄｐｒａｃｔｉｃａｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｒｏｂｏｔ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｒｅｓｃｕｅｒｏｂｏｔ；ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ；ｍｏｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌ；ｂｉｎｏｃｕｌａｒｓｔｅｒｅｏｖｉｓｉｏｎ针对救援机器人的研究，国内外目前正处在不断探索和创新阶段。我国是一个泥石流、台风、煤矿事故等灾难多发的国家。这些灾难发生后现场环境的未知一种新型可变形智能救援机器人，系统主要由履带式可变形小车、机械臂和远程控制设备组成，可用于灾后人不能进入的地方，提高救援效率。通过人手臂和脚踏板直接控制机器人的动作，减少了操作人员控制机器人的复杂性和程序的繁琐性，再配以现场实时画面，使操作者能既精确又方便地操作机器人，处理救援现场复杂而多变的各种状况。机器人躯体采用全新的可变形履带式车身，使机器人移动性能更好，应用范围更广，使用寿命更长。性、复杂性、及潜在的二次伤害（比如建筑物的二次坍塌、煤矿的二次爆炸）都给救援队员的生命安全带来了很大威胁。所以有必要研制一种能在第一时间代替搜救队员深入现场进行前期的救援工作的救援机器人，为下一步营救行动提供可靠的计划和依据…。目前我国对灾后辅助救援设备的研究也已展开了广泛而深入的研究。由于灾后现场环境信息比较复杂，需要救援机器人在复杂的非结构化环境下工作，传统的救援机器人不能很好地适应灾难现场的情况，笔者研究并建立了收稿日期：２０１３—０６—２６基金项目：西安市科技计划项目（ＣＸＹｌ３３８（６））１总体方案设计针对我国救援现状，笔者提出一系列可行性方案，建立了新型可变形智能救援机器人系统，系统大体可分为３个部分：机器人本体、上位机监控平台与人体控制平台。机器人本体装有各类传感器以及摄像头等设备，将非电量信息转换为电信号，再通过无线通信、视频传输等技术将这些信息传送到上位机监控平台上。上位机监控平台接收到这些信息后，通过各类算法对作者简介：柴钰（１９６１一），男，硕士，教授，硕士生导师，主要研究方向为智能仪器仪表、模式识别。万方数据・７８・《测控技术１２０１４年第３３卷第５期本系统的机器人躯体采用全新的可变形履带式车身，使用了在足式移动形式可以看到的关节结构进行简化的１轴关节，既具有足式移动形式的优点，也很容易进行控制∽。４Ｊ。整个机器人系统的控制板上，安装了４个ＡＴｍｅｇａｌ２８（由１个主机和３个从机组成）。主机具有控制机器人整体运行的作用，３个从机进行马达控制，测定编码器值并提供给主机∞１。控制板连接了安装在移动机器人机身上的测距传感器和倾斜传感器，因此可以探测障碍物和了解机身的状态。另外，测定安装在马达上的编码器值，可以控制机器人的速度和姿势。机器人在左侧或右侧有障碍物时，可以探测机身的倾斜，并转动旋转臂来保持平衡。此可变形机器人车身采用全新的移动方式，与过去的机器人相比，在移动性方面更加优秀，不仅可以采取多种姿势，而且还可以保持平衡，在越障方面也具有很大的优点∞。。。越障过程如图２所示。数据进行相应的处理，并以多种形式展现在上位机界面上。救援人员通过上位机界面对现场进行监视，并作出相应的动作，人体控制平台将救援人员的各类动作进行转换，得到相应的控制命令，再通过无线传输发送给机器人本体，实现了救援机器人的远程控制。系统架构框图如图１所示。摄像头采集的视频通过无线路由器将数据传给上位机显示；机器人车身采集车载温湿度并和烟雾传感器的数据一起通过无线模块传给控制端的控制器３，再传送到上位机显示；控制端的控制器１通过串口采集脚下数据，再通过无线传给机器人上的控制器２从而控制机器人的运行。ｉ匿圈咂匣Ｈ盈Ｍ亟疆控制端模块车载模块图１机器人系统架构框图２可变形机器人车身救援机器人要在恶劣的环境中工作，对于环境的适应能力要强，要具有很好的灵活性和较强的爬坡与越障能力，才能使集成在救援机器人躯体上的各种设备能够顺利地完成作业，延长救援机器人在事故现场的生命周期。竺宅口［］（上接第７２页）［２］［３］［４］［５］［６］［７］刘金锟．先进ＰＩＤ控制及其ＭＡＴＩＡＢ仿真［Ｍ］．北京：电子工业出版社，２００３．罗天资，陈卫兵，邹豪杰，等．直线电机模糊增量ＰＩＤ控制算法的研究［Ｊ］．测控技术，２０１１，３０（２）：５６—５９．李迎，孙亚飞．基于增量ＰＩＤ的压电微位移器驱动控制系统开发［Ｊ］．测控技术，２０１１，３０（３）：４０—４４．王显军．基于ＳＯＣ单片机的高集成度光电编码器电路设计［Ｊ］．光学精密工程，２０１ｌ，１９（５）：１０８２—１０８７．谢维成，杨加国．单片机原理与应用及Ｃ５１程序设计［Ｍ］．２版．北京：清华大学出版社，２００９．张培仁，孙立．基于ｃ语言Ｃ８０５１Ｆ系列微控制器原理与应用［Ｍ］．北京：清华大学出版社，２００７．［８］新华龙电子有限公司．Ｃ８０５１据手册［ｚ］．Ｒｅｖ１．３．２００４．Ｆ１２０／１／２／３／４／５／６／７、—－建鲎鲑兰通图２可变形机器人越障效果图口口３机器人控制系统设计３．１机器人运行控制机器人的运行是由脚下的控制装置实现的，控制装置示意如图３所示。控制装置中ＬＳＭ３０３ＤＬＨＣ采集平板的三轴加速度的ｘ、ｙ轴的加速度值与设定值比较来控制机器人的行走和爬坡。控制平台偏向前方，机器人就向前行进；偏向后方，机器人就后退；偏向左方，机器人就左转；偏向右方，机器人就右转，另外４个方向控制前轮爬坡。３．２机械臂的设计本救援机器人的机械臂由舵机、ｕ型支架和机械Ｃ８０５１Ｆ１３０／１／２／３系列混合信号ＩＳＰＦＬＡＳＨ微控制器数口万方数据一种新型可变形智能救援机器人系统设计赣＼・７９・，机器人双目立体视觉运动控制系统的设计方案如图５所示。左，＼＼／／＼后名机器人车身＼图５双目立体视觉运动控制系统３．４无线传输模块图３脚Ｆ控制平台不意图爪子组成，有５个自由度，由舵机模仿人手臂各个关节的转动而设计的，各个自由度间用ｕ形支架连接。舵机由ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２的ＰＷＭ控制，ＰＷＭ占空比由来自人手臂上Ｌ３ＧＤ２０采集的数据通过控制端ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２转换成舵机应转动的角度控制（由３轴陀螺仪各轴的角度差）。自制机械臂如图４所示。无线传输ｌ和无线传输２采用ＺｉｇＢｅｅ模块。它具有低功率、超小型、低费用的特点。在半径１０～２０ＩＴＩ的范围内，以２５０ｋｂｉｔ／ｓ的速度传送数据，可以连接６５０００个以上的节点（ｎｏｄｅ）。以双ＰＨＹ（ｐｈｙｓｉｃａｌｌａｙｅｒｐｒｏｔｏｃｏｌ，物理层协议）形式，使用的频段为２．４ＧＨｚ、８６８／９１５ＭＨｚ。调制解调方式为直接序列扩频（Ｄｓ．ＳＳ），数据传送速度为２０～２５０ｋｂｉ∥ｓ。ＺｉｇＢｅｅ模块采用ＳＭＡ与ＤＩＰ接口，可直接连接相同电压的ＴＴＬ串口设备，上电即可进入数据传输状态，有多种工作模式可供选择，方便系统配置和维护，且它的通信距离比较远，还可以提供６路Ｌ／Ｏ，实现６路数字量输入输出一ｏ。４系统各模块软件设计４．１控制平台的设计图４自制机械臂３．３机器人双目视觉系统所设计的机器人系统主要针对于矿井环境下的履带式变形机器人进行救援工作，需要对现场环境进行检测、识别和判断，进而对机器人本身进行进一步的控制。因而整个系统的总体设计思想是将视频摄像机安装在机器人平台上，由摄像机完成对现场环境的视频捕获，捕捉到的视频图像信息经过处理和分析，进而使机器人视觉系统计算出有效的视觉反馈信息，通过机器人运动系统的控制器得到机器人电机的控制量，进而控制机器人旋转臂作出相应的动作，实现救援机器人的智能控制。系统初期采用的是单目网络摄像机采集现场环境信息，方便进行视频的传输；为了满足后续各图像处理方面的需求，决定采用加拿大ＰｏｉｎｔＧｒｅｙ公司生产的双目立体摄像机，它与单目相比，具有明显的精度优势，能克服现场各种不可预料的情况所产生的干扰，由双目摄像机负责采集图像信息，直接模拟人类双眼处理景物的方式，通过对视差的计算，恢复场景中矿井现场环境的三维信息，感知机器人自身的方位，通过对现场环境的分析，进而躲避或翻越障碍物，进行路径规划，实现智能导航，满足实时性要求旧１。控制平台由ＴＭＳ３２０Ｆ２８０２７进行控制，其软件流程图如图６所示。系统采集脚下控制台的传感器数据并通过串口传到控制台。ＴＭＳ３２０Ｆ２８０２７一方面接收来自脚下控制台的传感器数据，通过无线传送给机器人控制端，控制机器人的行走；另一方面采集控制者手臂的信号及控制台云台控制信号，通过无线发送给机器人控制端，控制机械臂和２自由度云台的运动¨０‘¨Ｊ。ｎ矾初始化串１３发送命令等待接收脚下控制数据采集人手臂、云台控制信号无线发送无线接收传感器数据给上位机发送数据（ａ）ＴＭＳ３２０Ｆ２８０２７（ｂ）脚踏板控制平台图６控制平台软件流程图４．２机器人本体设计万方数据・８０・《测控技术》２０１４年第３３卷第５期机器人本体是由ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２控制，其软件流程图如图７所示。ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２接送来自控制台的控制信号控制机械臂及２自由度云台，采集各种传感器的数据，并通过无线将数据传给控制台，在上位机界面显示㈣。图９系统模拟煤矿井下矿道效果图指标灯（ａ）ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２（ｂ）数据采集与传输图１０无线收发数据不意图图７机器人本体软件流程图５救援机器人功能测试为了验证系统功能，本救援机器人在实验室和模拟煤矿井下矿道分别进行了验证性实验，对系统进行联合调试，观察了其在现场的使用情况，现场情况如图８和图９所示。机器人本体能够根据地势进行相应的姿势调整，越过对应的障碍物，并且保持车身的平稳，测试效果如图１１所示。各类传感器（如陀螺仪、加速度传感器等）通过无线模块将数据发送给上位机。摄像头通过ＷｉＦｉ连接到网络上，实现监控平台的在线监测。机器人双目立体视觉系统在模拟矿道拍摄的现场图片如图１２所示。人体控制平台、机器人本体部分和上位机监测平台各部分的实现情况具体如下：人体控制平台包括机器人机械臂和脚踏板行走控制装置，通过陀螺仪、加速度传感器等将人体的各类动作转换为相应的控制命令，并通过ＺｉｇＢｅｅ发送给机器人，使机器人能顺利执行相应命令。ＺｉｇＢｅｅ模块现场收发数据效果如图１０所示，红灯闪烁表示数据正常收发。图１１可变形履带系统越障效果图图８系统实验室示意图万方数据一种新型可变形智能救援机器人系统设计・８１・系统最大创新点就是采用双目立体视觉系统和适应力极强的履带式可变形小车系统，为救援探测开辟了一条新的道路。车身采用履带式可变形系统，适应力极强；视觉系统采用双目摄像头，能最大程度地还原现场情况；机器人采用安装在人手臂上的智能传感器和脚踏板进行直接控制，用人手和脚的动作直接控制机器人运动，减少了控制的繁琐性及编程的复杂性，且能达到精确控制。此外，本智能机器人还可以用于其他未知领域和复杂环境的探测。参考文献：［１］王勇，朱华，王永胜，等．煤矿救灾机器人研究现状及需要重点解决的技术问题［Ｊ］．煤矿机械，２００７，２８（４）：１０７—１０９．图１２双目视觉系统在模拟矿道拍摄效果图上位机监测平台大体可分为３个部分。首先是网络视频监测区，这一区域主要是实现自动联网并与设备进行连接，通过此窗口对摄像头所照区域进行实时监控；其次是二维路线监测区，这一区域主要是将机器人所走路线通过绘图的形式显示到具有特定比例的网格区域中，直角坐标系的原点即为操作人员的位置，进［２］邓云伟．轮式移动机器人运动控制技术研究［Ｄ］．哈尔滨：哈尔滨工程大学，２００６．［３］郑敏捷，蔡自兴，邹小兵．一种混合结构的移动机器人导航控制策略［Ｊ］．机器人，２００６，２８（２）：１６４—１６９．［４］［５］［６］［７］赵伟．模块化机器人运动控制系统的研究与设计［Ｄ］．武汉：武汉科技大学，２００７．陈熙巍，李万莉，张凯．基于ＡＴｍｅｇａ８的舵机测试装置的研制［Ｊ］．机电一体化，２００９（１０）：８０一８３．褚学兵．复杂路况下移动机器人行走系统的研究［Ｄ］．天津：河北工业大学，２００６．孙久伟．多节履带式煤矿井下搜索机器人本体设计及运动分析［Ｄ］．哈尔滨：哈尔滨工业大学，２００９．［８］朱昊，毛文炜，郭宏，等．立体视觉系列实验的设计［Ｊ］．实验室研究与探索，２００５，２４（５）：７—９．［９］［１０］张晓华，陈曦．多串口通信系统设计与实现［Ｊ］．计算机与数字工程，２００５，３３（１２）：１４７—１５０．张培仁，张志坚，郑旭东，等．基于１６／３２位ＤＳＰ机器人控制系统设计与实现［Ｍ］．北京：清华大学出版社，２００６．而使操作人员能够更加直观地观测到机器人的运行轨迹以及离操作人员的距离；最后是环境参数显示区，其主要作用是实时显示机器人所在环境的参数。整体测试效果如图１３所示。视频监测Ⅸ图１３上位机监测平台整体测试效果６结束语阐述了一种新型可变形智能救援机器人系统。该［１１］谭民，徐德，侯增广，等．先进机器人控制［Ｍ］．北京：高等教育出版社，２００７．口（上接第７６页）５参考文献：［１］［２］付扬，唐海燕．集散控制系统组态软件的设计与实现［Ｊ］．基础自动化，２００１，８（２）：５７—５９．李正军．计算机测控系统设计与应用［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２００４：１—６．［３］王常力．现场总线与ＤＣＳ讨论与实践［Ｊ］．自动化博览，１９９９，６（５）：６３—６５．［４］［５］王常力．分布式控制系统（ＤＣＳ）设计与应用实例［Ｍ］．北京：电子工业出版社，２００４：２２—２４．梁绵鑫，罗艳红，边春元．ＷｉｎＣＣ基础及应用开发指南［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２００９：３８一加．口结束语所设计的基于集散控制的重物滑台试验测控系统已经成功应用于实际，多次实验结果表明基本达到了预期的效果，对测速单片机模块部分，采用理论计算和实际实验相结合的方法，也达到了预定的精度。采用以Ｐｒｏｆｉｂｕｓ—ＤＰ为网络的集散控制系统ＤＣＳ，有效地实现了分散控制、集中操作、分级管理、分而自治和综合协调，同时其分层体系结构的工作机理和通信原理，显著改善了试验测控系统的实时性和可靠性。万方数据HYPERLINK"/retype/zoom/a9d9ebb9aa00b52acfc7ca90?pn=6&x=0&y=151