【导读】本方案制作的救援机器人体小灵活，能够进行实时视频传输通信。通过人手的动作直接控制机器人机械臂的动作，减少了程序的复杂性，再配以现场实时画面，能让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。
救援机器人方案设计背景
每年大量的自然和人为的灾害在全世界范围内造成了很大的人员伤亡和财产损失，特别是我国，能源短缺，促使能源开采方式粗狂，安全事故频发，每年死于安全事故的达到上万人。事故现场环境复杂而多变，救援搜救工作危险又紧迫。很多情况下灾难现场是狭小区域或危险区域，救援人员根本无法进入，且灾难现场情况一般都是未知的，里面很可能发生二次灾害，如果贸然进入，救援人员很可能连自身的安全都难以保障，但是时间就是生命，研究表明，如果幸存者在48小时内得不到有效救援，死亡的可能性会加剧，因此事故发生后迅速准确地了解灾难现场的信息，如瓦斯浓度的高低、灾难现场是否发生火灾、被困或遇难人员的位置以及现场温度、氧气含量、CO等有害气体的含量、现场倒塌状况等，成了救援工作的重中之重。
救援机器人方案特色
1、通过机器人摄像头采集现场环境状况使远端控制者最大可能了解灾难现场的倒塌情况，从而方便迅速地做出相应的判断；
2、通过小车自带的烟雾传感器、温湿度传感器检测环境烟雾及温湿度状况并通过无线将数据传回到控制端，并将其显示在上位机上，使操作者更快捷更直观地了解现场气体的情况；
3、霍尔传感器能测量出机械小车的行驶距离，配合陀螺仪能建立起现场的简单地图，便于控制者随时监测救援机器人的位置；
4、通过脚下控制部件，无线控制机械小车前进、后退和转弯；
5、通过安装在人手上的角度传感器及机械臂上的陀螺仪，达到人手智能控制机械臂的目的。
6、本机器人系统还设计了良好的人机交互界面，可以提高搜救效率、减轻救援人员的工作强度。
救援机器人方案原理
本方案大体可分为三个部分，机器人本体、上位机监控平台与人体控制平台。机器人本体上装有各类传感器以及摄像头等设备，将各类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，从而得到相应的控制命令，再通过无线传输发送给机器人本身，由此实现了救援机器人的远程控制。
救援机器人方案框图
图1 救援机器人方案架构框图
救援机器人方案框图如图1所示，摄像头采集的视频通过无线路由将数据传给上位机显示；MKI109V2-1 采集车载温湿度和烟雾传感器的数据通过无线模块传给控制端的STM32F103-1，并显示在上位机上；控制端MKI109V2-2 采集脚下MKI124V2 的数据通过蓝牙传给STM32F103-1，再通过蓝牙传给车载STM32F103-2 控制机械车的运行。
图2 电源模块原理图
图3 Zigbee 模块原理图
图4 总体图及ST eMotion 套件的应用
ST eMotion 套件的应用方式：
①实现控制端数据采集并把数据通过无线模块发送出去。
②检测小车行驶方向和前进距离。
③检测环境参数，并实时通过无线传输给操作者。
救援机器人运行控制
机器人的运行是由脚下的控制装置控制的，控制平台示意如图5 所示。平台可以无障碍的沿任意方向转动，以机器人的位置为参考，总体分为八个方向：左前方、前方、右前方、左方、左后方、后方、右后方、右方，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。外四个方向控制前轮爬坡。
图5 脚下控制平台示意图
救援机器人机械臂的设计与控制
本项目组设计的机械臂，硬件是由舵机、U 型支架和机械爪子组成，有5 个自由度，模仿人手臂的5 个自由度，由舵机模仿人手臂各个关节，转动360 角度，各个自由度间用U 型支架连接。舵机由单片机的PWM 控制，PWM 的占空比由3 轴陀螺仪控制。自制机械臂如下
图6 所示。
图6 自制机械臂
软件各模块的设计
（1）控制平台也是由一块STM32F103 和一块ST eMotion 套件控制，其软件流程图如图7所示。ST eMotion 套件采集脚下控制台的传感器数据并通过蓝牙传到控制台。STM32F103一方面蓝牙接送来自脚下控制台的传感器数据，通过无线传给机器人控制端，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。
图7 控制平台软件流程图
（2）机器人本体是由一块STM32F103 和一块ST eMotion 套件控制，其软件流程图如图8 所示。STM32F103 接送来自控制台的控制信号控制机械臂及2 自由度云台，ST eMotion套件采集各种传感器的数据，并通过无线将数据传给控制台，显示在上位机界面上。
图8 机器人本体软件流程图
测试与验证
人体控制平台部分：
人体控制平台现已能够通过陀螺仪、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。
位机监测平台部分：
上位机监测平台经测试所有功能均已达到要求，其主体大体可分为三个部分。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，输入用户名以及密码后便可通过此窗口对摄像头所照区域进行实时显示，并可以随时对其相应参数进行修改；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，进而使操作人员能够更加直观的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，其主要作用是实时地显示机器人所在环境的各类环境参数。整体测试效果如图9所示。
图9 上位机监测平台整体测试效果
：
机器人本体部分现已实现如下功能：
①通过自制脚踏板现已能够完全控制机器人的行走，并能根据地势进行相应的姿势调整，从而越过对应的障碍物。
②经测试，机器人与其他部分的通信装置（如wifi、zigbee等）均已能可靠工作
③各类传感器（如陀螺仪、加速度传感器等）均已调试成功，并能够通过无线发送给上位机。
④摄像头现已能够通过wifi连接到网络上，以便于监控平台的在线监测。
⑤现已能够通过控制者的动作对机器人的机械臂进行精准的控制。
总结
本方案最大创新点就是通过安装在人手上的智能传感器达到人手及手臂的动作精确控制救援机器人机械臂的目的，打破了传统机械控制原理，用人手的动作直接控制车载机械臂的动作，不再需要繁琐的控制操作并且能达到精确控制的目的，并把视频传输、机械臂智能控制和上位机监控大胆的组合到一起，为救援探测开辟了一条新的道路。此外，本机器人还可以用于航天，去探测未知领域，自带机械臂能采样部分物品，供科学家研究。
