摘 要：针对灾难搜救过程中，搜救环境复杂，搜救开展困难等问题，模拟现实场景设计了一种模块化可变形搜救机器硕士人。该搜救机器人采用MultiFLEX2-PXA270核心控制器和红外接近传感器、摄像头等传感器，采用LCD显示屏、扬声器、LED指示灯等显示单元，完成一定搜救区域内自动循迹、越障避障、自动变形、寻找搜救对象、记忆方位、标记位置和显示信息等任务，为消防队员灾难救援工作提供多方面的帮助。在室内搜救中具有应用推广价值。

关键词：搜救机器人；自动变形；越障避障；位置标记

基金项目：国家级大学生创新创业训练计划项目（201410525003）资助。

1 引言

近年来，战争、恐怖袭击等突发事件，地震、海啸等自然灾害及潜在的生化和爆炸物等严重威胁着人类的生命与财产安全。灾难发生后的72小时为黄金抢救时间，但受灾难现场的非结构化环境的影响，救援人员难以快速、高效、安全地进行工作，且救援任务逐渐超出了救援人员的能力范围，在救援人员自身安全得不到有效保证的情况下，很难进人现场并开展救援工作。而搜救机器人能够代替搜救人员在灾后第一时间进人灾难现场，寻找幸存者，并对被困的幸存者提供及时的医疗救助服务，而且还可以进入搜救人员无法进入的现场，搜集现场的环境信息，并反馈给救援指挥中心，大大减少了救援工作的难度。

搜救机器人的研究可以给灾难后搜救工作带来很大方便。在灾难发生后，可以将搜救机器人及时投入到搜救工作中，执行各种搜索、救援工作，大大提高了搜救的效率和成功率，减少人员的伤亡和失踪等意外事故，更好的为社会服务。因此，搜救机器人已经成为未来灾难救援的一个重要发展方向。在这个背景下，本项目应用MultiFLEX2-PXA270核心控制器和红外接近传感器、LCD显示屏、摄像头、扬声器、LED指示灯以及“创意之星”模块套件等部件，设计一种小型可变形搜救机器人，实现在搜救现场完成自动循迹、越障避障、变形、寻找搜救对象、记忆方位、标记位置和显示信息等功能，为灾难救援提供全方面的帮助。

2 设计任务

本课题设计拟解决以下几个主要问题：

（1）.设计搜救机器人的运动平台，能够较快移动和变形移动，从而对多种状况的灾难现场进行循迹和搜寻；

（2）.利用自身各种传感器感知搜寻范围内的搜救对象，搜寻到并反馈处理；

（3）.对伤员位置信息予以跟踪和显示，便于搜救人员对未知伤员进行标记、监控及高效搜救。

在以上设计目标的基础上，完成硬件机器人平台的搭建和各功能程序的设计。

3 机器人平台的搭建

机器人平台的主要包括移动平台、感知机构、变形机构、和信息显示单元。考虑到实际搜救场地的限制以及机器人按模拟方向来设计的整体情况，可以自己确定一块合适的场地并模拟现场基本状况，然后在这块场地上进行所有的调试工作，为此，可以初步计划该场地为一长方形的贴地矮台，台上应模拟有可越和不可越的障碍物以及伤员道具，考虑到传感器和摄像头在工作时受到环境颜色的影响干扰，因此在设计场地和道具时应尽量搭配和协调好颜色，以确保后续的调试工作不受其它因素的干扰而顺利进行。此外，在这块台子上，要考虑到边缘检测，这是为了限制搜救场地的大小，这相当于以这块小场地来模拟整个实际搜救大环境。

3.1 移动平台

移动平台的工作环境非常复杂，其环境因素主要包括原有的天然环境，以及各种人工干预的环境，称之为非结构化环境。对移动机器人来说，非结构化环境是复杂多样的三维地形，一般由平坦的地面、障碍、斜坡、壕沟、台阶、浅坑等地形组成。

本项目中要求机器人对工作环境的多种地形都具有一定的适应能力，并且能够稳定运行，因此，综合考虑设计要求，选择轮式移动机构和可变形多足式移动相结合的移动平台。

3.2 感知机构

为了对机器人及其周围的环境进行检测，在机器人上安装视觉传感器、触觉传感器、力觉传感器、接近觉传感器、超声波传感器和听觉传感器，可以大大改善了机器人工作状况，使其使其更好地完成任务。

考虑到现有器材以及所需功能等主客观因素的限制，我们主要选择了红外接近传感器来进行搜救过程中对伤员、障碍物以及搜救边缘的感知识别。搜索算法则采用的是在一个长方形区域内从区域的任意位置开始漫游搜索，直到搜索完整个区域。

3.3 变形机构

本项目机器人中的变形机构主要是为了搜救过程中的越障避障服务，以达到顺利找寻伤员的目的。考虑到不可越障碍物存在，所以我们的越障策略是直接翻越跨过障碍物来实现越障操作。综合考量后我们决定把变形机构安装在机身两侧，形状为舵机和标配件组成的手臂轮状，越障时双臂向前摆动一定角度撑起机身再向前移动实现越障处理，正常状态时手臂收起不作操作处理。

3.4 信息显示

搜救机器人最后要把搜救信息存入自身系统，并在LCD显示屏上显示，可以采用摄像头和LCD综合起来实现，其中摄像头负责找寻伤员，伤员在摄像头的长方形扫描区域内有一个点坐标，将此点坐标显示在LCD上即可完成伤员位置标定，实现信息显示。

机器人组装步骤如下：

（1）从“创意之星”选好事先构想的机器人所需构件并构想好各部件的安装位置、角度及顺序；

（2）安装好轮子和底盘，并将控制器固定好在底盘上；

（3）按照设计方案组装好两个机械手臂并将其安装在车身两旁；

（4）安装固定好LCD显示屏、摄像头、扬声器等器件；

（5）安装红外接近传感器和LED小灯，确立好安装位置和角度并将接口线插在相应的IO口；

（6）对尾部进行细节设计的安装；

（7）整理包扎各种电源线、控制线，整体检查机身确保安装完好。

完成设计的机器人外形图正面见图1和背面见图2。

图1 搜救机器人正面图

图2 搜救机器人背面图

用到的部件及功能如表1所示。

表1 搜救机器人部件

系统名称 使用方案 功能描述

机械结构 标准部件和自己加工 搭建机器人主体结构

控制系统 MultiFLEX控制卡 整个机器人控制单元

感知系统 红外接近传感器 障碍物、伤员检测

驱动系统 CDS5500机器人舵机 驱动机器人运作

工作电源 内置一组7.2V 2.5Ah 的锂聚合物电池 机器人系统电源

4 系统程序设计

本次系统程序设计主要包括：主函数 int main（int argc， char * argv[]）、运动函数 Move（int forward，int turn）、灯闪函数 Alert（）、信息显示函数 Display（）、边缘检测函数 Check_edge（）、障碍处理函数 Obstacle（）、寻找伤员函数 Findperson（）等7个大函数模块。

本搜救机器人运动规划的总体流程图如图3所示：

图3 总体流程图

5 方案调试

搜救机器人的调试是一个系统的工作，首先需要对机器人每一个控制电机的运动角度，运动速度进行调试，还需要对机器人上各个传感器进行调试，在这些基础调试工作做完的前提下，再对机器人功能程序进行调试，主要包括：搜救平台调试、道具调试、越障动作调试、避障动作调试、机器人变形动作调试、边沿控制调试、搜救对象验证调试、最后是整体功能调试。

6 结论

经过反复的调试和不断查漏补缺，最终得到运行稳定和灵敏的可变形搜救机器人实物，运行过程中优先级明确，不卡死不冗乱，特别是搜救到伤员后的多重警示效果是一个创新点，该机器人除了能准确及时发现伤员，而且还能即时更新和反馈伤员当前的大致位置坐标信息。本机器人在信息反馈形式和搜救策略上我们认为还有更大的提升空间，而且搜救现场的环境因素比如光线和温度都会影响到机器人的搜救任务进行，这也是一大突破口，在今后的研究和探索过程中，可以改进搜救策略和感知器件以弥补这些不利因素带来的影响干扰。

参考文献

[1] 王田苗.工业机器人发展思考[J].机器人技术与应用，2004，2：1-4.

[2] 刘金国，王越超，李斌，等.灾难救援机器人研究现状、关键性能及展望[J].机械工程学报，2006，42（l2）1-12.

[3] 张亚萍，马明星.搜救机器人系统的设计与开发[J].中国制造业信息化，2010，39（5）：52-55.

[4] 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.

[5] 熊有伦.机器人技术基础[M].武汉：华中理工大学出版社，1998.

[6] 徐坤.搜救机器人人机协作行为控制研究[D].济南：山东大学，2009.

[7] 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）：350-353.

[8] 姚宪化，梁建宏.创意之星：模块化机器人创新设计与竞赛[M].北京：北京航空航天大学出版社，，2010.

[9] 徐俊辉.“创意之星”机器人套件实验指导书[M].北京：博创科技，2008.

[10] 董爱华.检测与转换技术[M].北京：中国电力出版社，2007.

[11] 张福学.智能机器人传感技术[M].北京：电子工业出版社，1997.

[12] 王靖，李斌，马书根等.模块化可变形机器人控制系统设计与变形方法研究[J].机器人，2006，28（5）：458-460.

[13] 张松，地震坍塌现场人员搜救方法研究[J].中国应急救援，2010，1，41-43.

[14] 董晓坡，王绪本.救援机器人的发展及其在灾害救援中的应用[J].防灾减灾工程学报.2007，27（1）：112-116.

作者简介

贺修好（1992-），男，湖北咸宁人，学士，研究方向：智能控制技术

周威（1992-），男，湖北咸宁人，学士，研究方向：智能控制技术。

方凯（1981-），男，湖北武汉人，讲师，博士生，研究方向：多源信息融合理论与应用。