劉啟宸

課題背景

當前，以“走出城市，走進自然，自由、自主、健康、互助”為特點的登山、拓展等戶外運動已迅速發(fā)展起來，并逐漸成為大量城市人群的休閑生活方式之一?！绑H友”“背包客”成為這個人群的代名詞。但是，山區(qū)、野外的地形環(huán)境狀況復雜，由于“驢友”戶外運動技能不足、自救能力不強、安全意識不夠，以及救援不及時等原因引發(fā)的不幸事件頻繁發(fā)生。當前，此類事故發(fā)生之后的搜救工作一般為人工進行，需要參與的人數(shù)多、時間長、危險性高、效率低，而戶外運動所處的復雜地勢以及地震、山體滑坡等造成的復雜、危險環(huán)境都給營救人員的搜救工作帶來了巨大的困難和危險。在這種情況下，搜救機器人可以為救援人員提供幫助。

搜救機器人具有很強的越障性能和生命探測能力，能準確定位失蹤者的位置并與救援人員進行通訊，在復雜環(huán)境下采用搜救機器人搜索和營救失蹤者，可以大大縮短救援時間，提高搜救效率。因此，將具有自主智能的搜救機器人用于危險、復雜的災難環(huán)境下，幫助搜索和營救幸存者，具有重大意義。

現(xiàn)有的搜救機器人，主要有輪式、履帶式、無肢運動式、腿式、輪腿式等，其越障方式比較單一，機械結構比較簡單，因此我考慮將機器人與汽車懸架相結合，設計出能適應復雜地形的自適應懸架式野外搜救機器人，以此提高搜索救援的效率。

基于自適應懸架的野外搜救機器人的設計

機械結構的設計

為了使機器人適應復雜地形，我設計了自適應懸架系統(tǒng)（圖1）。該懸架為曲柄導軌機構，使車輪高度可以在垂直方向上變化，隨地形進行調節(jié)，6組行星輪全部緊貼路面，不會出現(xiàn)在復雜環(huán)境中行駛時車輪懸空現(xiàn)象，保證了機器人行駛時的驅動力，使其具有自行通過復雜地形的能力。

車輪采用6組行星輪，底盤和行星輪之間通過自適應懸架系統(tǒng)連接。行星輪適合翻越較小障礙物。當遇到障礙物時，最前端的車輪先接觸障礙物，在摩擦力的作用下被鎖死，行星輪的前進力矩變?yōu)榉D力矩，行星輪三角機構產(chǎn)生翻轉，從而翻越障礙物。

采用了鉸接復合式車架（圖2）。鉸接復合式車架分為前后2段，前段帶有2組行星輪，后端帶有1組行星輪，中間采用鉸接方式連接。遇到較高障礙物時，行星輪配合鉸接部分，使車體前段抬起，柔性攀爬障礙物。

機器人帶有紅外探測儀、攝像頭和GPS定位系統(tǒng)，可以進行遠程遙控。

控制系統(tǒng)的設計

該搜救機器人的控制系統(tǒng)主要由電源（鋰電池）、核心控制器（單片機）、驅動器（LM298）、執(zhí)行器（直流電機）和檢測部分組成，檢測部分使用紅外熱釋感應器檢測生命跡象，使用超聲波測量障礙物的距離，通過藍牙實現(xiàn)遠程遙控及機器人的及時信息反饋，GPS可以將機器人所處的精確位置信息傳送回，方便操作人員判斷。整個系統(tǒng)的組成如圖3所示。

實驗裝置的工作原理及性能分析

獨特的三角行星輪驅動系統(tǒng)，在路況良好的情況下，運動子輪平穩(wěn)行駛，遇到小型障礙三角機構自動翻轉輕松翻越障礙；鉸接式車體，當遇到大型障礙時自動及時地調整全車重心，有效防止了車體的傾覆。三角行星輪鏈接式底盤能夠快速適應不斷變化的地面特性，攀越樓梯等復雜障礙，具有極強的機動性、靈活性和地面適應性。

當處于惡劣條件或危險環(huán)境下時，該搜救機器人具有自主導航功能，能自主選擇道路，規(guī)避無法翻越的障礙物。該搜救機器人可結合本身攜帶的紅外傳感器、攝像頭及GPS定位等生命探測裝置，自主搜尋幸存者；它同時支持遙控操作，可以配合搜救人員搜救幸存者使用。

該搜救機器人平臺支持多種功能擴展，可通過加裝不同搜救儀器，配合相應傳感器，實現(xiàn)更多救援功能，如排雷、排爆、危險化學物品監(jiān)測等，并可針對不同災難事故情況，進行靈活改裝。

模擬實驗

在二代樣機（實物照片見圖4）制作完畢后，我進行了多次實驗以驗證機器人能否實現(xiàn)預定功能。通過低障礙物實驗和高障礙物實驗測試行星輪自身和前后鉸接式底盤的越障能力，同時進行單側障礙物實驗測試自適應懸架的單側越障高度。

機器人的基礎運動包括前行、后退、左轉彎、右轉彎等。我們預設了6種運動方式，分別是停車、可避障的前行、后退、左轉彎、右轉彎和強制前行（無避障），可以通過藍牙控制，具體的實驗步驟是：

將機器人上電，藍牙模塊指示燈閃爍表示處于“未連接”狀態(tài)。

使用智能手機或平板電腦（安卓系統(tǒng)），打開藍牙，搜索設備，找到HC-06的藍牙裝置，打開客戶端，進行配對連接。

在客戶端中輸入1，可以在客戶端中看到返回“Stop the car！”表示一切正常，機器人處于停車狀態(tài)；輸入2是避障前行，機器人會檢測到距離自己50cm內的障礙物，如果有障礙物存在，會向右轉，直到前面沒有障礙時或者客戶端發(fā)送了新的指令，否則會一直前行；輸入6是強制前行，可以在這個模式下測試機器人的越障能力。

在機器人運動過程中，輸入任何新的指令（包括無效指令）都會使得機器人的當前運動模式停止，這是出于安全和方便操作的考慮。

作品總體技術指標

外形尺寸570mm×280mm×300mm，重量15kg，工作電壓12V，總功率200W，最大行駛速度8km/h，雙輪最大垂直越障高度240mm。單輪最大垂直越障高度120mm，最大側傾角30°，最大正面爬坡度30°，最小轉彎半徑0，續(xù)航持續(xù)時間4h。

實驗結果分析

通過實驗發(fā)現(xiàn)，該機器人具有獨特的三角行星輪驅動系統(tǒng)，在路況良好的情況下，運動子輪平穩(wěn)行駛，遇到小型障礙三角機構能自動翻轉輕松翻越障礙；鉸接式車體，當遇到大型障礙時能自動及時地調整整車重心，有效防止了車體的傾覆。三角輪鉸接式底盤能夠快速適應不斷變化的地面特性，攀越樓梯等復雜障礙，具有極強的機動性、靈活性和地面適應性。

當遇到單側障礙物時，在自適應懸架的作用下，6組行星輪全部緊貼地面，保證了車體的平穩(wěn)和行駛動力，因此可以輕松越過。

結論

完成的主要工作

為了使機器人適應復雜地形，設計了自適應懸架系統(tǒng)。該懸架為曲柄導軌機構，使車輪高度可以在垂直方向上變化，隨地形進行調節(jié)，6組行星輪全部緊貼路面，不會出現(xiàn)在復雜環(huán)境中行駛時車輪懸空現(xiàn)象，保證了機器人行駛時的驅動力。具有在復雜地形中的搜救能力。

車輪采用6組行星輪，底盤和行星輪之間通過自適應懸架系統(tǒng)連接。行星輪適合翻越較小障礙物。當遇到障礙物時，最前端的車輪先接觸障礙物，在摩擦力的作用下被鎖死，行星輪的前進力矩變?yōu)榉D力矩，行星輪三角機構產(chǎn)生翻轉，從而翻越障礙物。

采用了鉸接復合式車架。鉸接復合式車架分為前后2段，前段帶有2組行星輪，后端帶有1組行星輪，中間采用鉸接方式連接。遇到較高障礙物時，行星輪配合鉸接部分，能使車體前段抬起，柔性攀爬障礙物。

機器人帶有紅外探測儀、攝像裝置和GPS定位系統(tǒng)，可以探測到有生命體征的人，可以分辨路障，也可以進行遠程遙控。

進一步完善裝置的設想

深入研究搜救機器人尺寸、重量、速度、垂直越障高度、轉彎半徑、續(xù)航力等參數(shù)對搜救效果的影響，給出搜救機器人的設計準則。

進一步研究更加復雜的地形甚至是真實災難環(huán)境條件對搜救機器人可靠性、搜救效果的影響，設計相應的保護措施。

可以對搜救機器人平臺進行多種擴展，可通過加裝不同搜救儀器（比如增加機械臂等），配合相應傳感器，實現(xiàn)更多救援功能，如，排雷、排爆、危險化學物品監(jiān)測等，并可針對不同災難事故情況，進行靈活改裝。

創(chuàng)新點

本研究設計的自適應懸架系統(tǒng)，采用曲柄導軌機構，可垂直調節(jié)車輪高度，能防止側傾、側翻、單側懸空等現(xiàn)象發(fā)生，使機器人可以在復雜地形中展開搜救工作。

將行星輪與復合式鉸接底盤（分段式底盤）相結合，速度快，靈活性好，越障能力強。

機器人具有自主導航功能。在危險或者復雜環(huán)境下，能自主選擇道路，規(guī)避障礙物；并可結合自身攜帶的GPS、攝像裝置及紅外傳感器等，自主搜尋幸存者；同時支持遙控操作，可以配合搜救人員救助幸存者。

該項目獲得第29屆全國青少年科技創(chuàng)新大賽創(chuàng)新成果競賽項目中學組工程學一等獎。

專家評語

該項目設計了一種新穎的可改變高度的自適應懸架，制作了包括遠程遙控和環(huán)境監(jiān)測模塊的搜救機器人。該機器人運動靈活，適合于在有高度變化的環(huán)境下移動，具有較好的越障功能。系統(tǒng)制作演示效果好。應當進行負載能力研究，考查在存在較大負載情況時自適應懸架的承受能力。還可以開展該機器人越障能力的理論分析。