四足侦察用机器人设计
四足侦察用机器人设计
摘要
机器人是机构学、运动学、控制理论等学科发展水平的综合体现，在当前的国内外机器人技术都是研究的热点。
现在是信息化战争的时代，在作战领域里，机器人技术也有着广泛的应用和可发掘性。在战争中，往往需要对一些隐蔽地点进行侦察，在以往，这种任务也往往伴随着极高的风险，时刻危及着侦察人员的生命安全。而在信息化的战争中，我们可以利用机器人技术来帮助我们进行这些高危的侦察工作。本文中将会利用四足仿生步行技术和现代微机的传感控制技术，设计出一种用于战争侦察的机器人，通过独特的设计使其能够适应广泛的地形，并提高其灵活性，提高其任务成功率和广泛应用性。
关键词：信息化战争，四足仿生步行技术，传感控制技术
0 引言
在机器人的各种应用中，战争这个应用层是当前各个国家最重视和投资最大的。历史上，高新技术大多首先出现在战场上，机器人也不例外。早在二次大战期间，德国人就研制出并使用了扫雷及反坦克用的遥控爆破车，美国则研制出了遥控飞行器，这些都是最早的机器人武器。随着计算机技术、大规模集成电路、人工智能、传感器技术以及工业机器人的飞速发展，军用机器人的研制也倍受重视。二战以后，现代军用机器人的研究首先从美国开始，他们研制出了各种地面军用机器人，无人潜水器，无人机，近年来又把机器人考察车送上了火星。【1】
知己知彼，百战不殆。战争中情报的搜集，对战局往往有着决定性的影响。美国第一代侦察机器人是在海军陆战队的支持下，由海洋系统中心研制的。它由M113装甲人员运输车改装而成，体积较大。为了在城市作战中隐蔽性更好，海军陆战队正在研制第二代小型侦察机器人Sarge，它于1998年初首次露面，1999年5月进行了演示。该车是在一辆雅马哈125四轮全地形车上，装上不同的摄像机和夜视装置构成的。【2】
Sarge侦察机器人
目前的侦察机器人，基本上都是和Sarge一样类型的机器人，这种机器人在侦察任务中的灵活性是有不足的，不能及时调整运动状态以适应情况，并且在地形的适应性上也不够广泛。本论文中提出一种新型的四足设计的侦察机器人，实现行走、急跑、转弯等各种步态行为，并能在各种地面环境下进行步态的智能调整，自动适应各种地面环境，大大提高任务效率。
1 侦察机器人总设计方案
该侦察机器人由四个机械足、视觉传感系统、中央处理系统组成。图1为该机器人身体部分的总体构造图。行走时，机器人通过四足的抬高和迈进、后退等动作来实现向前、后运动和转向运动。通过视觉传感系统，机器人可以对前方的情况进行判断，并进行侦察。而中央处理系统则是该机器人的核心，控制四肢运动、处理感应信息和记录侦察数据都是由中央处理系统负责。关系如图2。
机械足系统
机械足的设计一般有两种，一种是单电机，另一种是双电机。单电机机械足是通过电机的转动带动齿轮臂的转动，进而带动其他关节的运动的。但是这样设计运动比较单一，而且在运动的协调性上不易控制。因此我选择了双电机设计，如图3。
双电机设计是通过上下两个电机的独立转动带动肢体关节转动，这样在机器人行走的过程中就可以比较协调，而且机械足的自由度也将增加。双电机控制可以令足部轻松进行抬高、迈进、后退等动作，通过中央处理系统中的程序控制，可以协调机械足的运行动作，保持3足着地，剩下的1足向前或向后运动，用相同的周期按顺序进行，便可以实现前进和后退的动作。而转向运动，则只需将四足运动的时序和方向改变，就能够实现。
足底感应器是焦电型红外线感应器，在自然界，高于绝对温度时物体都将产生红外光谱，不同温度的物体，其释放的红外能量的波长是不一样的，红外线感应器能够探知地面的材质，将数据传输到中央处理系统， 通过中央处理系统控制自动调整机械足的地形适应性。
视觉传感系统
视觉传感系统由红外传感器、摄像头、音频接收器和信号发射器组成。红外传感器有以下几个功能：（1）搜索和跟踪系统，用于搜索和跟踪红外目标，确定其空间位置并对它的运动进行跟踪；（2）热成像系统，可产生整个目标红外辐射的分布图像；（3）红外测距。通过红外系统发射出的红外光束，机器人能够搜索到侦察目标，并通过热成像系统得到目标的辐射分布图像。红外测距也是通过红外光束的反射，CCD检测器检测出前方障碍物的距离，将信息发送到中央处理系统，达到控制机械足运动绕开障碍物的目的。摄像头和音频接收器是侦察装置，对侦察目标进行实时监控，并通过信号发射器传送到基地的接收器处，打倒实时侦察目的。
中央处理系统
中央处理系统的主要部件是CPU，是机器人的中枢，负责读取指令，对指令译码并执行指令的核心部件。从足底感应器和视觉传感系统搜集到的环境信息最终都会被传输到CPU，通过运算逻辑部件进行分析运算，并由控制部件输出相应的控制指令让机械足和视觉传感系统作出反应。
对CPU发出指令的是人工智能系统。人工智能是对人的思维的信息过程的模拟，能够进行一些简单的推理，通过我们预设的程序能够自行得出一些相应的问题解决方案，并以指令的形式对CPU进行控制。关系如图4。
控制系统程序设计
侦察机器人的程序，我认为可以用汇编语言来设计。汇编语言是面向机器的程序设计语言，它有以下特点: 1.面向机器的低级语言，通常是为特定的计算机或系列计算机专门设计的。 2.保持了机器语言的优点，具有直接和简捷的特点。 3.可有效地访问、控制计算机的各种硬件设备，如存储器、CPU等。 4.目标代码简短，占用内存少，执行速度快，是高效的程序设计语言。 5.经常与高级语言配合使用，应用十分广泛。【3】
由于汇编语言的特性，它比较适合于开发机器人的专门程序，并且执行速度快，有利于机器人的快速反应，因此我觉得汇编语言可以作为侦察机器人的程序设计语言。
结论
本论文设计了一种侦察用的机器人，其最鲜明的特点是采取了四足的仿生设计，使得机器人的灵活性和适应性大大提高，这种机器人于现代信息化战争中必定会有着至关重要的作用。这种机器人目前还没有成功应用的实例，但是随着人类科学的高速发展，我相信在不久的将来我们将会在情报战中一睹其风采。
论文中引用了部分专业技术知识和专家见解，结合了本人专业相关知识进行设计。由于水平有限，可能会有许多错误设计和专业知识混淆，望老师批评指正。
参考文献：
【1】《军用机器人：分清敌我是关键》
中国科普网http://www.kepu.net.cn/gb/technology/robot/army/arm101.html
【2】《机器侦察兵》
中国科普网http://www.kepu.net.cn/gb/technology/robot/army/arm204.html
【3】汇编语言－百度百科http://baike.baidu.com/view/49.html
图1 http://www.mhedu.sh.cn/~mrobot/products/zm/footrobo. html
红外传感器－百度百科http://baike.baidu.com/view/251985.html
马培荪,陆顺寿,何奇伟《四足步行机器人的运动和结构设计》－《机械设计与研究》1991年04期
袁军，黄心汉，陈锦江. 《基于多传感器的智能机器人信息融合、控制结构和应用》[J]机器人, 1994,(05)
邱瑛,富大伟,王惠森,李维. 《移动机器人模糊控制系统避障研究》[J]河北工业大学学报,
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