萬方科技學院機械與動力工程系
畢業實習報告
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22秒。礦難頻發，篇篇報道皆觸目驚心。往年的統計資料顯示，礦難中死去的礦工多達萬人，就是在去年，也有7000人死於礦難！
許多事實表明，大部分礦難其實是可以避免的，就拿常見的瓦斯**來說，按我國目前的防治能力和技術水平，只要把防範措施落實到位，瓦斯**事故應該有能力避免。實際經驗表明,超過48 小時後被困在廢墟中的倖存者存活的概率變得越來越低[1 ] 。由於災難現場情況複雜,在救援人員自身安全得不到保證的情況下是很難進入現場開展救援工作的,此外,廢墟中形成的狹小空間使搜救人員甚至搜救犬也無法進入。
災難搜救機械人可以很好地解決上述問題。機械人可以在災難發生後第一時間進入災難現場尋找倖存者,對被困人員提供基本的醫療救助服務,進入救援人員無法進入的現場蒐集有關資訊並反饋給救援指揮中心等。近年來,為了滿足救援工作的需要,國內外很多研究機構開展了大量的研究工作,可在災難現場廢墟中狹小空間內搜尋的各類機械人如可變形多型機械人、蛇形機械人等相繼被開發出來。
本文在介紹國內外災難搜救機械人最新研究成果及近年來災難現場的實際使用情況的基礎上,根據現場使用的經驗教訓提出了災難救援機械人需要解決的一些關鍵技術問題指出了災難救援機械人的發展趨勢。
近十年來,尤其是「911」事件之後,美國、日本等西方發達國家在**、火災等救援機械人的研究方面做了大量的工作,研究出了各種可用於災難現場救援的機械人。以牽引和運動方式的不同搜救機械人主要可分為以下幾類:
2. 1 履帶式搜救機械人
履帶式機械人是為了滿足軍事偵察、拆除危險物等作業的需要,在傳統的輪式移動機械人的基礎上發展起來的。圖1 給出了目前國際上幾家著名機械人公司的典型產品,他們主要是為了滿足軍事需要而開發的,體積普遍偏大,不太適合在倒塌的建築物廢墟中狹小空間內搜尋倖存者
2. 2 可變形(多型) 搜救機械人
為了能進入狹小空間展開搜救工作,要求機械人的體積要盡可能小,但體積小了搜尋視野就會受到限制,為了解決這一矛盾,近年來在傳統牽引式搜救機械人平台基礎上,研製出了形態可變的履帶式多型搜救機械人。圖2 為美國irobot 公司生產的packbot 系列機械人, packbot 機械人有一對鰭形前肢,這對鰭形前肢可以幫助在崎嶇的地面上導航,也可以公升高感知平台以便更好地觀察。圖3 為加拿大inuktun 公司microvgtv 多型搜救機械人,他可以根據搜尋通道的大小及搜尋範圍的遠近靈活地調整形狀和尺寸。
圖1 履帶式搜救機械人
圖2 美國irobot 公司packbot 多型搜救機械人
圖3 加拿大inuktun 公司microvgtv 多型搜救機械人
2. 3 仿生搜救機械人
雖然履帶式可變形多型機械人可根據搜尋空間的大小改變其形狀和尺寸,但受驅動方式的限制,其體積不可能做得很小。為了滿足對更狹小空間搜尋的需要,人們根據生態學原理研製出了各種體積更小的仿生機械人,其中蛇形機械人就是其中很重要的一類。圖4 (a) 為cmu 研製的安裝在移動平台上的蛇形機械人,圖4 (b) 為日本大阪大學研製的蛇形機械人。
我國中國科學院瀋陽自動化研究所,國防科技大學,北京航空航天大學等單位也都相繼研製出了類似的蛇形機械人系統。圖4 (c) 為美國加州大學伯克利分校研製的身高不足3 cm 的蒼蠅搜救機械人。隨著技術的不斷成熟,相信蛇形、蠅形等仿生機械人會在災難搜救工作中發揮越來越大的不可替代的特殊作用。
3. 1 搜救機械人在
「911」事件救援中的應用
2001 年「911」事件發生後,美國國內主要機械人生產公司和研究機構都組織參加了紐約世貿大廈現場的搜救工作,他們是南佛羅里達大學機械人輔助搜尋與救援研究中心,mit 的irobot 公司,美國海軍的spawar 研究中心,以及具有五十多年歷史的foster - miller 公司等。據時代周刊報道[3 ] :在最初的十天當中,救援機械人在搜救犬、人工無法抵達的狹小或危險區域找到十餘具遇難者的遺體,與現場搜救工作人員找到的數量基本相同,但所花的時間卻不到現場救援人員花費時間的一半。
這次救援行動被稱為美國歷史上救援機械人的第一次實戰演練,使用了當時已經商業化但主要是為軍事偵察、危險物拆除而設計的履帶式移動機械人。雖然取得了一定的成績,但災難現場實際使用情況表明,目前所研製的搜救機械人仍然存在不少需要解決的關鍵技術問題。主要表現在機械人的移動性、通訊問題、智慧型影象處理軟體以及人機互動能力等方面。
機械人體積偏大,無法進入狹小空間進行搜救;廢墟上的高溫使機械人履帶軟化而無法正常行進[2 ] ;統計表明,無線通訊方式的機械人有大約25 %左右的時間由於通訊問題而無法正常工作;影象智慧型識別能力不足,救援人員絕大部分時間(超過80 %) 都在用於對機械人發回影象的分析、辨別上[4 ] ;人機互動能力差,機械人操縱困難等。
3. 2 搜救機械人在西維吉尼亞礦難救援中的應用
2006 年年初,美國西維吉尼亞sago 煤礦發生礦難,造成12 名礦工死亡。事故發生後,救援人員使用gps 測定被困礦工的方位,然後從地面上鑽了3 個深孔,以便給井下輸送氧氣,同時期望對井下的狀況進行檢測。救援人員分別放入空氣探測儀和攝像頭,但均無功而返。
為了從水平方向對井下情況進行探測,美國勞工部礦業安全與衛生局通過深孔向井下派出了乙個救援機械人,但最終因機械人中途行進過程中陷入泥潭而受阻。
災難搜救機械人是乙個新興的研究領域,其使用環境的特殊性對機械人硬體和軟體兩方面都提出了更高的要求,目前在該領域仍存在很多需要不斷探索的技術難題。
4. 1 硬體
4. 1. 1 移動性/ 機械機構
移動性是搜救機械人完成搜救工作的決定因素,「911」事件後紐約世貿大廈現場的搜救工作以及西維吉尼亞sago 煤礦的礦難救援工作都很好地證明了這一點。機械人移動平台應該能夠在惡劣廢墟環境中靈活地穿梭於狹小的空間之中,能夠翻越障礙,爬樓梯,穿越泥濘的道路等,且機械人的移動不應對周圍不穩定結構產生影響,以免發生二次坍塌或**等。此外,機械人還應該具備適應惡劣環境的能力,具有防水、耐高溫等能力。
早期為軍用目的而設計的輪履式機械人由於體積偏大而不太適合搜救工作。目前,各種履帶式多型可變形小型機械人已經研製出來, 並已商業化。近年來, 特別是2000 年以來,以蛇形機械人為代表的仿生機械人正在成為新的研究熱點,且已經取得不少突破性研究成果。
4. 1. 2 感測檢測裝置
搜救機械人的主要工作就是通過感測器實現自身的導航、環境資訊的獲取以及倖存人員的搜尋。由於災難現場環境的複雜性及不確定性,傳統在室內結構化環境中已較成熟的導航演算法無法滿足救援工作的要求,傳統的聲納、雷射測距儀等在充滿煙霧和灰塵的環境中也很難取得理想的效果。目前搜救機械人主要採用人工控制方式來實現機械人的導航。
災難現場環境資訊是確定最佳救援
方案,確保救援人員自身安全的關鍵,常見的環境引數主要有有害氣體含量、空氣質素、是否有火災發生等。被困人員的搜尋是搜救機械人的最主要任務。目前通常通過對**影象的監測來識別是否有被困人員,但由於被困人員身上被灰塵所覆蓋,使其被隱藏於周圍的環境中,傳統的彩色影象分割和區域檢測方法通常會失效。
移動物件檢測及紋理識別等也是常用的檢測方法。近來熱成像照相技術在倖存者檢測方面取得了不錯的研究成果。發現被困人員後需要迅速判斷其是否還活著,生命體徵檢測裝置的研製近年來成為了研究的熱點。
南佛羅里達大學murphy 教授領導的機械人團隊已開發出了多個非介入式生命體徵檢測感測器[10 ] ,用於判斷被困人員的生存狀況。
4. 1. 3 人機通訊方式
目前機械人與操作者之間常用的通訊方式有無線和電纜兩種方式。電纜方式可以通過線纜方便地為機械人提供能量,穩定可靠地實現機械人和操作者之間的資訊傳送,且當機械人遇阻時通過拖拽使機械人重新投入工作。但電纜方式也存在一定的問題,隨著機械人搜尋範圍的深入,線纜很容易發生纏繞而影響機械人的移動性。
研製收放靈活的電纜捲繞裝置是解決目前有線通訊方式機械人通訊問題的關鍵。
無線通訊方式的穩定性較難保證,即使在穿透效能最佳的頻段,也會由於頻寬及各種干擾的影響使得通訊無法正常進行。「911」事件的救援工作證明,無線方式的機械人大約有25 %以上的時間無法正常通訊。穩定可靠的通訊方式是當前救援機械人領域需要很好解決的關鍵問題之一。
4. 2 軟體
4. 2. 1 人機互動和使用者介面在災難現場,搜救機械人的操作者精神高度緊張且需要長時間連續高負荷工作,因此良好的人機互動系統是提高搜救效率、減輕救援人員工作強度的保證。
人機互動是通過良好的使用者介面來實現的,因此,該介面必須為操作者提供豐富的資訊,從而使操作者能夠做出最佳判斷來對機械人進行控制,通過該人機介面,操作者能很容易地判斷機械人的位置、狀態等,能夠靈活地對機械人本身以及其所攜帶的有關裝置如攝像頭、照明裝置等進行控制。為了設計出友好的人機互動介面,設計人員必須對搜救過程中救援人員對機械人的使用情況進行充分的了解。南佛羅里達大學murphy 教授領導的機械人團隊在此方面已做了大量的調研工作。
4. 2. 2 感測器融合
由於救援現場環境的複雜性,對傳統的室內結構化環境下感測器資料的處理演算法不能滿足搜救工作的需要。如通過**影象對倖存者的檢測,由於灰塵、煙霧等的影響使得識別變得非常困難,通過檢測到聲音的方向辨別倖存者的方位,也由於現場噪音的影響而變得很困難。因此,為了完成搜尋並發現倖存者,必須通過多種感測器資料的融合,研究更加有效的識別演算法。
4. 2. 3 機械人搜救隊
由於災難現場環境的複雜性,需要各種不同的搜救機械人參與救援工作,如mcu 研製的通過具有較強越障能力的輪式機械人攜帶蛇行機械人來完成救援工作的機械人。為了縮減搜尋遍歷時間,組建機械人搜救隊是行之有效的辦法,各機械人之間相互協調來快速完成搜尋工作。目前有不少研究機構在開展多機械人未知環境探索演算法的研究工作,並已經有基於結構化未知環境搜尋的系統問世[12 ] ,但要真正用於實際救援環境還有很多任務作要做。
4. 2. 4 傳統移動機械人技術的侷限性
移動機械人在室內結構化環境下的導航、定位、路徑規劃、地圖建立以及未知環境探索等技術經過長期的研究已經基本成熟,但要用於災難現場的非結構化複雜未知環境的探索還需要進行更深入的研究。目前搜救機械人的控制方式主要以手工操作為主,不追求機械人的完全自治。但為了提高救援水平,縮短搜尋時間,完全自主的搜救機械人,尤其是自主機械人搜救隊將是發展的方向。
隨著現代科學技術的發展，特別是電子資訊科技的突飛猛進，機械人作為人類的新型生產工
具，在減輕勞動強度，提高生產率，改變人的生產模式，把人從危險、惡劣、繁重的工作環境中解放出來等方面，顯示出了極大的優越性。機械人在地面的移動方式有多種：車輪式、履帶式、輪履結合式和步行式等。
步行移動方式模仿人類或動物的行走機理，用腿腳走路，對環境的適應性好，智慧型程度相對也較高。但是步行移動方式的結構和控制比較複雜，相對於比賽用機械人來說速度慢，所以一般不選用。下面對車輪式、履帶式和輪履結合式三種移動方式做一些說明。
機械人設計方案
一 設計要求 設計一具有獨立前進 轉彎 後退 避障 救人等功能的救援機械人。二 設計任務 1.電子控制組 設計好控制電路及原理圖，各類感測器電路及穩壓電源，並製作成獨立模組，按程式要求進行除錯 超聲波 雷達和紅外線感測器的感應距離 2.機械設計組 設計機械人各部分結構 包括機械手 身軀 底盤 以及各...
機械人設計為何要用步進電機
步進電機低速大扭矩裝置，使傳輸更短這意味著更高的可靠性，更高的效率，更小間隙和更低的成本。正是這一特點，使得步進理想的機械人，因為大多數機械人運動是短距離要求高加速度達到低點的迴圈週期。功率 重量比高於直流電動機低。山社電機認為大多數機械人運動是不是長距離高速 因此高功率 但通常包括短距離的停止和啟...
四連桿履帶式搜救機械人設計 實習報告
畢業設計實習報告 系別 班級 姓名 學號 目錄1 搜救機械人簡介 1.1搜救機械人概述 1.2搜救機械人的用途和發展概況 1.3搜救機械人的分類 1.4搜救機械人的關鍵技術 1.5搜救機械人不同型別的移動分析 2 畢業設計題目 四連桿履帶式搜救機械人 2.1 設計指導思想 2.2 四連桿履帶式搜救機...