智能搶險救災履帶式機器人 - 下載本文

等方面取得了可喜的成就。部分科研成果,如工業裝配、焊接、噴涂,搬運、探傷、水下作業、過程測量機器人已進入實用階段,某些控制、傳動元器件的產品技術已接近國際先進水平。對災難救援而言,在消防機器人研究方面已經取得了顯著的成績。2002年6月,由公安部上海消防研究所、上海交通大學和上海消防局三家單位共同承擔的國家863項目“履帶式、輪式消防滅火機器人”研制成功并順利通過國家驗收。在863計劃資助下,中國科學院沈陽自動化研究所開展了多項危險作業和極限作業機器人研究,開發了蛇形機器人樣機,旨在用于非結構環境中探測和災難救援作業。由沈陽自動化所和廣州衛富公司承擔的“危險作業機器人”課題,成功研制出能完成反恐、防暴等綜合任務的“危險作業機器人”產品樣機;沈陽自動化研究所最近研制出的基于復合機構的非結構環境移動機器人,它能夠在高低不平、障礙物和樓梯等復雜多變的環境中使用,適用于探測、排查、搬運、消防和銷毀等危險作業。2005年9月l2日,“中日救援及安全機器人技術研究中心”在沈陽揭牌成立,該中心由中國科學院沈陽自動化研究所與日本國際災難救援系統研究院合作成立,旨在實現強強聯合,推動機器人技術在災難救援中的應用。2009年5月,中科院沈陽自動化所機器人學國家重點實驗室與中國地震應急搜救中心聯合研制的40kg級旋翼飛行機器人公開亮相,該機器人成功完成自主起飛、空中懸停、航跡點跟蹤飛行、超低空信息獲取、自主降落等科目,實現了對地震廢墟區域的快速信息獲取與實時影像回傳。2009年12月沈陽新松機器人公司研制出了國內首臺具有生命探測功能的井下探測救援機器人。該機器人上的拾音器可以撿拾呼救聲音,紅外熱成像儀可以探測到人體,機器人還可以配載食品、水、急救包等物品。

在國家的大力扶持以及各院校和相關企業的共同努力下,目前國內對救災機器人的研究開發不斷產生新成果,為我國的搶險救災事業貢獻著重要的力量。

1.2.2 國外研究概況

近年來,特別是“9.11”事件以后,世界上許多國家開始從國家安全戰略的角度研制出各種反恐防爆機器人、災難救援機器人等危險作業機器人用于災難的防護和救援。目前已有很多種不同功能的消防機器人用于救災現場。災難救援機器人技術正從理論和試驗研究向實際應用發展。在2005年6月份日本神戶召開的IEEE安全、防衛、救援國際研討會(IEEE SSRR’05)上,會議的主旨定為:“在今后的減災和救援中,機器人作為一種有效的手段,將成為社會基礎設施中不可缺少的部分”。

日本作為一個多核能、多地震國家,在救援機器人方面開展了相對全面的工作。自1995年阪神地震發生后10多年間,日本在災難救援防護方面已經形成了完備的

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國家體系。特別是從2002年開始,日本文化科學部確立了“大都市大震災減災特別計劃”的研究計劃,以大幅度減小人、物的災害損失為目的,研究地展防災對策的理論科學和基本技術,進一步開發在地震中使用的救援機器人。該計劃采納了共多項建議,項目為期10年。參加者包括大學、公司和國立研究所,研發內容包括用于觀察災難環境的機器人系統、傳感技術、人類接口技術和系統集成。川崎市為該項目建立了公用試驗場地,并建立了國際救援系統研究所。

日本東京工業大學的廣瀨是最早從事救援機器人研究的學者之一,他所領導的廣瀨研究室,從仿生的角度和基于超機械系統的思想先后研制了“ACM”, “GENBU”與“SORYU”等多系列救援機器人樣機。日本東京工業大學的 KAMEGAWA等提出一種新的救援機器人平臺,該機器人由多節履帶車連接而成,能夠進入狹窄的空間,相鄰單元之間由主動自由度關節連接或隨動自由度關節連接,所以具有很好的越障能力和地面適應能力。在日本京都大學,OSUKA等研制出一種四節四面履帶救援機器人“MOIRA”,該機器人采用電動機同時驅動四周履帶,使得它在廢墟中有很好的穿梭能力和抗傾翻能力。日本獨立行政法人消防研究所天野久德等,研制出的四周履帶結構能夠舒張的變形機器人CUBIC一R”,在收縮狀態下可以變成一個立方體形狀,在伸張情況下可以變成多種模式。日本電氣通信大學松野文俊研究室研制出的信息搜集用機器人“MA一1”。岡山大學大學院自然學研究科永谷圭司等研制出的不平整地面移動救援機器人“RESDOG”,它底部的履帶支撐為多個從動三角形輥架,具有較好的靈活性以適應地形。日本神戶大學高森年等UMRS研制的服田獻眼系列機器人,旨在將機器人用于廢墟瓦礫中的探察作業。

在日本,一些大公司也介入了救援機器人的研究和開發,他們通常采用與研究所或和大學進行合作的形式進行研究,一方面企業為研究所提供必要的研究資金和試驗場地,同時企業還為研究成果的產品化提供通往市場的橋梁。

美國是較早進行機器人研究的國家之一,在機器人救援方面也是應用較早的國家。在9.11事件之后,開始日益重視搶險救災機器人。Inuktun公司的Micro Traces體積小,質量輕,十分適用于救援作業;Foster-Miller公司的Talon、SOLEM和Urbot具有很好的傳感和承載能力,且速度快。SOLEM被用于廢墟堆中的作業,Talon和Urbot被用于建筑物的內部檢測。在美國,多個高校的研究中心、國家研究機構和公司也同時進行了救援機器人的研究。南佛羅里達大學災難救援機器人研究中心MURPHY等研制出安裝有醫學傳感器的救援機器人Bujold底部采用可變形履帶驅動具有較高的運動和探測能力,同時機器人能夠在災難現場獲取幸存者的生理信息

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和環境信息,并將其傳送到外界。加利福尼亞工業大學HELMICK等研制出的多傳感器救援機器人,該種機構結構簡單易控,具有快速爬樓梯的能力。南加利福尼亞大學SHEN 等研制出的一種模塊化可重構的救援機器人CONRO,它可以根據災難現場環境的需要重組成蛇形、六足形及環行等多種構形。

災難救援機器人的研究同樣得到其他國家的重視。意大利羅馬大學系統科學與工程學院人工智能實驗室啟動了“救援工程”。加拿大國防部從國防安全的角度制定了救援機器人研究計劃,英國、伊朗等國也涌現了許多救援機器人研究者和救援機器人比賽的參與者,他們從機構、傳感、控制和仿真等多個角度對救援機器人進行研究。

1. 3 本文主要研究內容

本設計主要研究具有高通過能力的能搭載多種設備的智能機器人平臺,通過搭載各種救援設備實現復雜環境下的搶險救災工作。

一、本論文設計的機器人具有的特點:

(1) 機器人采用雙車體結構,通過一個能實現二維相對運動的連接裝置連接起來,對于復雜路況具有較高的通過能力。

(2) 機器人車體采用模塊化設計,方便維修和拆裝。行走機構由四個相同的履帶塊驅動,每一個履帶塊均由三個履帶輪、兩個驅動電機、一個變形電機、一條履帶以及其他零件組成。

(3) 采用了可變形履帶設計。機器人通過履帶的不同構形,以適應不同的運動和作業環境。

二、論文主要研究內容:

(1) 分析國內外典型的機器人行走機構; (2) 本文設計的智能機器人行走機構設計方案 ●機器人運動原理分析; ●機器人運動狀態分析; ●機器人性能指標分析; (3) 機器人行走控制系統設計 ●總體方案設計; ●機器人傳動系統設計; ●機器人驅動功率分析。

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(4) 介紹智能移動機器人關鍵技術 ●多傳感器信息融合技術; ●智能控制技術; ●無線技術;

●智能;移動機器人技術在本設計中的具體應用。 (5) 搶險救災機器人功能分析 ●機器人在搶險救災中的應用分析;●機器人搭載的搶險救災設備分析;●救援設備在本設計中的應用。

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2.智能履帶式機器人的行走結構設計方案

2.1典型行走機構分析

機器人按移動方式分主要有輪式、履帶式、腿足式三種,另外還有步進移動式、蠕動式、混合移動式、蛇行移動式等。 1輪式行走機構

輪式移動機構按輪的數量可分為2輪、3輪、4輪、6輪、8輪。其結構組成簡單、重量輕、摩擦阻力小,機械效率高,該結構存在著一定的局限性,只能在相對平坦、表面較硬的路面上行駛,如遇到軟性地面(如沼澤、草地、雪地、沙地等)容易打滑、沉陷,但可根據具體地面環境采用一些預防措施來緩解該類情況的出現,如采用不同種類的款式輪胎以提高其越野能力,象沙漠車輛、山地車輛等。

2履帶式行走機構

履帶式移動機器人能夠很好地適應地面的變化,因此對履帶式移動機器人的研究得以蓬勃發展。

(1) 履帶式移動機器人具有以下特點:

①支撐面積大,接地比壓小,適合于松軟或泥濘場地作業,下陷度小,滾動阻力小,越野機動性能好。

②轉向半徑極小,可以實現原地轉向。

③履帶支撐面上有履齒,不易打滑,牽引附著性能好,有利于發揮較大的牽引力。

④具有良好的自復位和越障能力,帶有履帶臂的機器人還可以像腿式機器人一樣實現行走。

(2) 履帶式行走機構分析

從20世紀80年代起,國外就對小型履帶式機器人展開了系統的研究,比較有影響的一下幾種:美國的Packbot機器人(如圖1-1)、URBOT、NUGV和talon機器人。此外,英國研制的Supper wheelbarrow排爆機器人、加拿大謝布魯克大學研制的AZIMUT機器人、日本的Helios VII機器人都屬于履帶式機器人。我國對履帶式機器人的研究也取得了一定的成果,如沈陽自動化研究所研制的CLIMBER機器人、北京理工大學研制的四履腿機器人、北京航空航天大學研制的可重構履腿機器人等。綜合分析國內外所研究的履帶式移動機器人,大致可以分為:單節雙履帶式、

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