履带式类蛇形机器人在复杂环境中的设计及应用.pdf

中国新技术新产品2024 NO.1（下）-1-高 新 技 术地震是常见的灾害之一，地震发生后的 48 h 是救援人员对被困人员进行救援的黄金时间。超过这个时间，被困者的生还概率会大大降低。救援人员不仅需要准确地定位被困人员的位置，还必须在短时间内对被困人员进行救助，以挽救他们的生命。然而，在狭小的废墟空间中，救援人员的进入常常受到严重阻碍。由于崩塌的建筑物和家具碎片的堆积1，这些空间变得极为狭窄且错综复杂2，因此充满了巨大的危险性。在这种情况下，大型机械设备在救援过程中很难发挥作用。随着现代机器人技术的迅速发展，一些小型机器人可以代替人类3，采用远程操控或自动的方式深入复杂、危险和不确定的灾害现场中，探测和收集未知的环境信息，搜索和营救被困者。在机器人的研究阶段，不仅要注重提高机器人整体的硬件性能，还要对机器人的软件系统进行升级和优化，以提升整个系统的鲁棒性和适应性。通过采用优化算法、增强数据处理能力等方法，能够使机器人更好地应对复杂多变的环境，保证其在恶劣环境下具有稳定性和可靠性，从而顺利完成救援任务。本文对救援机器人的发展过程进行了深入研究，并对其救援方式进行了分析。为了解决救援过程中存在的问题并满足灾难后的复杂救援环境和需求，设计了一种综合性强的复合性机器人。1 机器人的设计方案1.1 机器人整体结构设计该机器人采用完整的机器人机械系统基本结构以适应各种灾难后的复杂地形，通过装载多种探测装置使机器人能更全面地完成任务，主体机器人应具有一定的承重性能来完成探测装置的搭载。蛇形机器人整体结构如图 1 所示。该机器人因其主体结构确定了由前后端通过 1 根正交连接杆连接而成，在连接杆的两侧安装舵机，与前后行进机构相连接。舵机在运转过程中，使机器人的前端具有六自由度的运转能力，能够完成抬头和上台阶等动作行为。同时舵机外使用 2个副连接杆与后车相连，保证整个装置的稳固性。主底板作为主要的受力面，用于搭载传感器，并作为框架以提高机器人整体的稳定性及美观性。在主底板的下方，安装了肌肉注射装置，具有前后收缩的功能。同时，8 根隐藏式压缩弹簧附着于副主板旁边，与 8 根支撑杆相互作用，共同起到固定作用，使机器人能够适应多种地形。连接杆两侧采用的是型号为 MG995 的舵机，主动轮模块则装备了 4 个 MG513 电机以驱动轮子，其中，头部模块和尾部模块各安装 2 个。这些电机与被动轮相配合，可以实现机器人的灵活进退。此外，前后端各设计 2 个限位轮，并配有 2 个支撑弹簧形成弹性导向机构。当受到力的作用时，支撑弹簧会产生变形量，使其所在部位能够左右移动，从而起到缓冲作用，保证机器人行驶的平稳性和可靠性。救援机器人的行走结构还采用了分离的轮轴设计，使轮轴和轮子可以轻易分开，便于更换和维护。在机器人的设计过程中，需要进行机械结构的设计以及所用材料、静力学、动力学模拟仿真等方面的分析。机械结构设计还须特别考虑机器人的行走机制、抬升机制、整体搭载结构和肌肉注射结构等方面。所设计的机器人具体参数见表 1。1.2 控制系统设计控制系统如图 2 所示。上位机（PC 端）运行蛇形机器人的操作系统，当蛇形机器人启动时，下位机负责读取机器人的状态信息并进行自检。反馈至上位机的数据包括机器人各关节舵机的角度、负载和速度等传感器信息，这些数据会被上传至 PC 端。机器人会启动搜索感应模块，构建三维信息图并规划路径，以搜寻具有人体特征的信息并进行确认。结合机器人的运动状态和下位机的反馈数据，上位机会综合履带式类蛇形机器人在复杂环境中的设计及应用李少奇康雪晶郑龙武徐雪蓉杨墨函（北京科技大学天津学院，天津 300000）摘 要：为了解决灾难现场环境的复杂性导致的普通搜救机器人功能单一、无法高效完成搜救任务的问题，本文根据履带传动原理的多适应性以及蛇形结构的灵活性，设计了一款拥有前端伸缩注射装置的履带式蛇形结构机器人，该机器人由两段履带式行走机构组成，可以适应多种地形，例如狭窄空间、楼梯环境等。机器人头部安装了注射装置，该装置具有耦合锥齿轮调整位姿的功能。当启动时，注射装置能够灵活调整位姿，从而解决精度和稳定性问题。关键词：履带式；救援机器人；履带底盘；蛇形机器人中图分类号：TP24文献标志码：A图 1 蛇形机器人整体结构中国新技术新产品2024 NO.1（下）-2-高 新 技 术计算出机器人需要达到的目标姿势，并将相关信息传输给下位机。随后，下位机控制机器人运动，使其能够到达被困者所在的环境，并传输实时画面。根据画面的判断结果，确定是否需要紧急救助被困者。1.3 注射装置设计为了达到救援的目的，机器人需要搭载注射装置，本文从控制系统、机械装置、替换装置以及安全防护装置这 4 个方面来设计：1）控制系统。注射装置应配备能够进行精确控制的独立电子系统。这样做可以与机器人的主系统分离，降低误差率，提高容错率，并精确调节和把控药物的注射速度。2）机械装置。注射装置的拆分部分采用伸缩设计。具体来说，注射装置被拆分为驱动伸缩部分和限位部分。一次性针管被嵌套至限位部分，而针管后的伸缩部分则负责推动针管进行注射操作。3）替换装置。在执行完注射操作后，注射装置应能够自动退出一次性针管，并通过齿轮旋转机制自动装载新的一次性针管，以便进行下一次的注射操作。4）安全防护装置。考虑到使用特制的注射针筒可能会增加被困者感染的风险，而且重复使用一次性针头不仅可能导致针头变钝或损坏（这会增加注射的疼痛感），还是违法的行为。因此，选择将一次性针头嵌入机械装载装置中，以取代特制的注射器针筒。注射装置的设计是一个复杂的问题，需要考虑空间约束、避障、速度和精度等因素。如果规划不合理，注射装置可能就会碰撞到障碍物或无法顺利完成任务。因此，在驱动伸缩部分中设计了耦合锥齿轮位姿调整装置，使注射装置在启动阶段能够灵活调整位姿。这种拥有六自由度的注射装置可以很好地解决精度和稳定性问题。2 机器人运动方式及越障分析2.1 行进方式选择截至 2023 年 12 月，应急救援机器人主要采用以下 4 种移动方式：轮式、履带式、腿式以及蛇形。这 4 种方式各有优势：1）轮式移动方式通常被救援机器人所采用，因为它具有结构简单和灵活性强的特点，所以适用于多种地形环境。然而，它对软件算法和传感器的依赖程度较高，且在越障能力、稳定性和能耗方面存在一定的限制。2）履带式移动方式使机器人具备良好的越障能力，能够在各种复杂地形（如废墟、楼梯、泥泞道路等）上展现出很强的适应能力。但它的机械结构相对复杂，导致运动灵活性有所降低。3）腿式移动方式使机器人具备克服复杂地形和障碍物的能力，在各种救援场景（包括瓦砾、坑洞和楼梯）中都能够有效移动。由于腿式移动具有复杂性，因此机器人需要更多的维护和技术支持来保持其正常运行状态。4）蛇形移动方式则是一种较为特殊的行进方式。采用蛇形移动的机器人通常以蠕动或转动的方式行进。这种行进方式速度较慢且负载能力较低，无法携带多种应急设备进行救援工作，因此其适用范围相对较小。最新研制的履带式蛇形结构机器人将履带式和蛇形的优势相结合，使其不仅适用于地震后城市废墟等区域的救援工作，还能够攀爬楼梯以广泛、全面地探测周围环境并进行有效救援，同时连接处采用舵机机构设计也为其带来了更稳定的性能表现。这些特点都有利于机器人在复杂环境中进行全面探测与救援。2.2 机器人跨越台阶2.2.1 越障原理分析当机器人在城市废墟攀爬楼梯时，机器人的履带底线与地面之间的夹角会随着机器人的行进逐渐变大，当机器人的重心越过台阶的支撑点时，攀爬楼梯的过程就已经进行到一半。2.2.2 越障过程分析履带式蛇形结构机器人爬越台阶的过程如图3所示。机器人利用舵机进行物理抬升，同时在后端行进机构的驱动下，将前端搭靠在楼梯的支撑点上，机器人继续向前移动，图 2 控制系统设计记录数据开始初始化警报无障碍物设备正常有障碍物行进模块避障定位系统规划路线模块搜索感应模块周围环境探测模块数据整合模块检测其他目标肌肉注射模块判断系统目标无受伤目标受伤自检中国新技术新产品2024 NO.1（下）-3-高 新 技 术当重心越过楼梯的边缘时，后端的行进部分将作为主推动力推动机器人向前进，在自身重力的影响下，车体下移，机器人成功下台阶。分析图 3 的运动过程可以得出结论：当机器人在阶段二时，前端重心的位置处于临界状态。只有当机器人的前端重心越过楼梯台阶的边缘时，才能成功越过障碍。可以具体分析最大越障高度，如图 4 所示。由图 4 的几何关系得到结论，如公式（1）公式（3）所示。x=Lcos=(h-R)cot+R/sin （1）式中：x 为水平投影长度；L 为前端到履带质心的距离；为前端抬升角度；h 为台阶高度；R 为机器人前轮半径。h=Lsin-R/cos+R （2）hd=Lcos-Rsin/cos2=0（3）利用公式（3）计算，代入公式（2）可以计算机器人跨越障碍的最大高度 hmax。2.3 机器人越障分析当履带式蛇形结构机器人遇到道路有凹坑时，在行进的过程中，整体重心会持续向前移动，越过凹坑的边缘。受重力作用，机器人前端会产生前倾现象，导致运动轨迹不稳定。根据机器人质心变化的规律可以推断，机器人的前端重心会落在一个半径为 r 的圆内。当定义平地凹坑的宽度为 L1时，通过几何分析可以确定机器人最大越障宽度也为 L1（如图 5所示）。机器人越过凹坑的宽度 L1，如公式（4）所示。L1=L+r （4）式中：r 为半径。根据机器人质心变化的规律，推断机器人的前端重心会落在半径为 r 的圆内。通过几何分析和公式（4）可以确定机器人最大越障宽度为 Lmax1。2.4 机器人斜坡运行分析机器人在斜坡上运动的过程中，其受力情况如图 6 所示。当机器人匀速行驶或静止时，其驱动力如公式（5）所示。F=Gsin （5）式中：F 为沿坡面分力；G 为质量；为坡度。最大静摩擦力系数为，最大静摩擦力如公式（6）所示。Fmax=Gcos （6）式中：Fmax为最大静摩擦力。当 FFmax时，机器人能平稳行驶。当 FFmax时，机器表1 救援机器人具体技术需求机器人总质量（含负载）/kg机器人长度/m机器人最大运行速度/（ms-1）机器人最大爬坡角度/（）机器人攀爬楼梯高度/mm机器人单次救援时间/h机器人供电方式机器人传感器180.840.37 33175 4 锂电池电机角度和速度传感器图 3 机器人爬越台阶过程 （a）阶段一 （b）阶段二 （c）阶段三 （d）阶段四 （e）阶段五注：L1为平地凹坑的宽度。图 5 跨越凹坑示意图hL1注：h为台阶高度；为前端抬升角度；L为前端到履带质心的距离。图 4 机器人前端上台阶临界状态示意图 hL中国新技术新产品2024 NO.1（下）-4-高 新 技 术物体检测与跟踪技术在计算机视觉领域中占据着举足轻重的地位。吴皓等1研究了基于视觉同步定位与地图构建（Simultaneous Localization and Mapping，SLAM）的物体实例识别与语义地图构建方法。程蔚等2利用复合动态模型和证据融合架构，提出了基于多传感器的移动物体检测与跟踪方法。唐聪等3创新了基于深度学习的视觉跟踪方法，结合了深度检测模型（SSD）和多尺度目标搜索结果。张琪等4提出了简单有效的鱼群轨迹追踪算法，通过多模块设计实现了对复杂运动模式的鱼群轨迹准确提取。韩宇等5基于嵌入式树莓派（Raspberry Pi，RPi）和 OpenCV（跨平台计算机视觉库），实现了运动检测与跟踪系统小型化、高效化且对光照条件变化具有一定的自适应调节能力。孙同同等6研究了机器人中基于视觉检测与跟踪技术的应用。赵晓军等7设计了基于现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array，FPGA）的图像识别与跟踪系统，采用模型匹配和边缘特征相结合的跟踪算法。郑丹等8针对视频监控中运基于深度学习的实时物体检测与跟踪梁红波（广州英码信息科技有限公司，广东 广州 510663）摘 要：本文旨在研究多模态显著性检测方法，以提高在计算机视觉领域中物体检测与跟踪任务的性能。研究问题聚焦于如何融合多种传感器数据，以提高物体检测和跟踪的准确性和质量。采用基于深度学习的目标检测与跟踪方法，能够更准确地识别和定位感兴趣的物体，并连续追踪其运动轨迹。研究方法涉及条件生成对抗网络（Conditional Generative Adversarial Networks，CGAN）和动态权重自适应融合技术，以优化目标的检测性能。本文在多个多模态数据集上进行了性能测试，包括 RGB-Thermal、RGB-Depth 和 RGB-Total。结果表明，与完整模型相比，移除对抗损失函数和模态权重的模型具有更高的召回率，尤其是在高阈值条件下。本研究验证了多模态显著性检测方法在不同数据集上的有效性，并指出在特定数据集上可能需要调整模型参数或损失函数的设计，以获得最佳效果。本研究不仅能够应用于自动驾驶、智能监控和人机交互等实际场景中，还为多模态数据融合在目标检测与跟踪领域提供了参考。关键词：深度学习；目标检测；目标跟踪中图分类号：TP391文献标志码：A人受重力的影响将沿斜面下滑。已知履带式蛇形结构机器人在上坡地面最大静摩擦系数，那么机器人爬越的最大坡度如公式（7）所示。max=tan-1 （7）式中：max为最大坡度。当爬坡时克服摩擦力所需的最大加速度如公式（8）所示。amax=(cos+sin)g （8）式中：g 为重力加速度。通过上述计算可知机器人的爬坡角度最大为 33；攀爬楼梯高度为 17.5 cm。2.5 机器人本体材料选择该机器人主体机架采用铝合金材料，其具有优异的轻量化和强度特性，同时结构紧凑，适应地下管廊狭窄的环境。在设计过程中遵循轻量化原则设计机架。Q235 钢和6005 铝合金的特性参数对比见表 2。从表 2 中可以看出，铝合金密度较低且强度较高，因此首选铝合金作为机架材料。综上所述，主体机架采用 6005 铝合金以满足机器人在恶劣环境中的使用需求。表 2 主体结构材料性能参数表材料泊松比 密度/（gcm-3）屈服强度/MPa拉伸强度/MPaQ2350.257.852353706005合金0.332.702302603 结论在对现有的探测机器人进行整体结构研究的基础上，本研究团队提出了一种履带式蛇形结构机器人的总体设计方案。该机器人的研发旨在减少灾难发生后因未能及时救援而导致的伤亡情况。在结构设计上采用模块化组装方式，整体结构紧凑且各部位装置可以灵活可配置，使机器人能够更好地完成救援任务。参考文献1 王妍，王谦，钟秀梅，等.门源 M_s6.9地震中大梁隧道地震动响应分析 J.地震工程学报，2023（6）：1315-1323.2 高娜，王海鹰.两次海地7.3级地震应急救援对比分析 J.地震科学进展，2023，53（11）：530-535.3 侯鑫新，曾志远，吴志强.一种多功能地震救援机器人产品设计 J.电子产品世界，2023，30（9）：13-16.注：G为重力；为上坡角度。图 6 机器人上坡受力示意图G