基本信息
- 项目名称：
- 多功能灾难现场搜救机器人
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 本作品是针对矿难、地震等搜救的专用机器人，采用轮腿结构作为行走机构，轮腿半径的可变化设计可进一步提高机器人的越障能力，整体结构的仿生设计使机器人能够更稳定的适应复杂地形。搭载温度、气体等模块化传感器，通过无线通讯可实时传回灾难现场信息并通过人机界面显示。人体红外检测传感器与摄像头组合工作，辅以三自由度平台，可精确搜索到被困人员。独特的欠驱动营养液输送机构可针对特殊情况对被困人员进行营养供给。
- 详细介绍：
- 本作品是针对矿难、地震等搜救的专用机器人，具有越障能力强、功能多、体积小、能耗低等特点，可快速锁定被困人员所处区域，及时掌握被困人员的生存状态以及现场环境状况，并可对被困人员进行营养补给。 机器人由“行走部分”“功能部分”以及“控制及通讯部分”组成。机器人采用轮腿结构作为行走机构，轮腿半径的可变化设计可进一步提高机器人的越障能力，整体结构的仿生设计使机器人能够自主稳定适应复杂地形，仿生触须的设计可使机器人对外界环境有初步的自主判断。 机器人具备“环境探测”“人员搜索”“辅助救援”功能。温度、可燃气体浓度等传感器可实时监测灾难现场环境情况。人体红外检测传感器与摄像头组合工作，配以升降、回转、仰俯三自由度平台，有效地扩大传感器与摄像头的工作范围，可快速精确搜索到被困人员。独特的欠驱动营养液输送装置可针对特殊环境对被困人员进行营养补给。机器人采用2.4G频率无线遥控操作以及数据通讯，抗干扰能力强，信息通讯质量好。同时人机界面的设计方便操作人员及时掌握灾难现场信息，减少操作人员的疲劳程度。 该机器人同时也是个搭载平台，借助于机器人优越的越障性能，可以为机器人搭载一定体积的其它救援或反恐防暴设备。针对不同应用场合，对机器人功能进行模块化调整，从而实现一个移动平台多种应用场合的用途。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 目的： 针对矿难、地震等灾难发生时的恶劣现场环境，设计一款越障以及适应复杂地形能力强、功能全面的搜救机器人来提高救援效率。 基本思路： 将该机器人划分为行走部分、功能部分、控制及通讯部分。行走部分要求具有良好的地面适应能力和越障性能，功能部分要求具备“环境探测”“人员搜索”“辅助救援”功能，控制及通讯部分要求数据能够无线传输，完成各种功能。依据各部分不同要求进行优化设计。 创新点： （1）不同结构轮腿的组合使用、轮腿半径可变化设计以及车体的仿生设计。 （2）人体红外热释电传感器与摄像头组合工作，配以三自由度平台，可快速锁定被困人员所处位置。 （3）独特的欠驱动营养液输送装置，可针对特殊情况进行营养液补给。 （4）2.4G无线通讯与人机界面方便操作人员掌握现场信息以及对机器人遥控操作。 技术关键： （1）伸缩轮腿结构及传动设计，转向机构设计。 （2）欠驱动营养液输送机构及传动设计。 （3）2.4G无线通讯模块的程序编写与调试。 主要技术指标： 轮腿半径为：9～12 cm 车身长宽高：60 cm× 28 cm×18 cm 营养液输送臂工作范围：23～41cm 摄像头云台：高度为2.5～41.3cm，水平转角±180°，仰俯角度±60° 车体重量：≤3.2 kg 平地行走速度约为：1.44 km/h 爬坡角度为：≤35° 攀爬台阶最大高度为：20 cm
科学性、先进性
- 现有的搜救机器人多为轮式、履带式以及蛇形式。轮式虽然移动速度快，但越障能力有限；履带式能够提供较大牵引力，但能耗较高，适应复杂地形能力有限；蛇形式在某些特殊场合机动性能优越，但运动平稳性差，承载能力弱，结构和控制都较复杂。 该作品行走部分采用轮腿结构，不同结构轮腿的组合使用以及车体的仿生设计使机器人具备较强的越障能力，轮腿半径的可变化设计进一步提高机器人越障能力。 在人员搜索方面，传统的搜索类机器人仅依靠摄像头进行人员搜索，操作人员容易疲劳。该机器人采用人体红外热释电传感器与摄像头组合工作，配以升降、回转、仰俯三自由度平台，有效地扩大传感器与摄像头工作范围，可快速精确搜索到被困人员。在救援方面，从被困人员在矿难、地震等灾难发生后如何继续存活下去这一思路出发，设计出独特的欠驱动营养液输送机构，打破传统机器人虽然可以携带食物但必须由被困人员亲自取用的情况。针对灾难现场一些特殊情况，该欠驱动营养液输送机构可以将输送臂伸长，从而对被困人员进行营养供给。
获奖情况及鉴定结果
- 我省2011年“挑战杯”大学生课外学术科技作品竞赛一等奖
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
- 面议
作品可展示的形式
- 现场演示、样品、录像、图片
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 使用说明：使用遥控器控制机器人运动，通过人机界面观测机器人的运动状态，同时机器人将现场各种反馈信息实时传递回界面供操作人员参考。 技术特点及优势：轮腿结构以及伸缩轮腿设计使机器人具备良好的移动性能及越障能力；人体红外热释电传感器与摄像头配合工作可迅速锁定被困人员所处区域，三自由度平台为其提供了开阔的工作范围；独特的欠驱动营养液输送机构针对被困人员所处特殊状态，为其直接提供营养物质以延续生命；使用2.4G无线频率进行数据传输，有效地提高了抗干扰能力，保证信息质量。 适应范围及推广前景效益预测：该机器人可应用于矿难、地震等突发灾难现场进行环境探测、人员搜索、辅助救援。该机器人同时也是个移动越障平台，针对不同应用场合，对功能进行模块化调整，从而实现一个移动平台多种应用场合的用途。生命无价，搜救人员以及被困人员的人身安全同等重要。及时掌握灾难现场环境状况可以有效保障搜救人员的人生安全，成功搜索到被困人员并给予营养补给，可以有效延续被困人员生命，为其提供生存信心。
同类课题研究水平概述
- 国内外矿难频繁发生，急需能够用于矿难现场的专用搜救装备。国外，以Irobot公司的Packbot以及“路测”机器人为例，两者均为履带式机器人，不是专为矿难场合设计，因此其适应轨道、狭窄空间以及复杂地形能力非常有限，尤其是“路测”机器人体积庞大，不适合针对矿难情况进行营救。2010年11月22日，“路测”机器人在新西兰派克河煤矿爆炸事故中仅行进550米就失去了工作能力。Packbot机器人虽然体积小巧，但其功能十分单一，控制也较为复杂。而且履带式机器人能耗较高，不利于矿难救援。国内以沈阳新松机器人自动化有限公司和山东省科学院自动化研究所的井下探测救援机器人为例，这是国内首款专门针对井下救援设计的机器人，在功能上也相对全面，但其底盘较低，移动平台适应复杂地形能力一般。 针对矿井内轨道、狭窄空间等地形较为复杂，传统的轮式机器人越障能力差，腿式机器人控制复杂，蠕动式针对特定场合适应能力强，但其承载能力差的特点，该类机器人均不能较好适应矿井内复杂地形。借鉴Rhex与Whegs单轮腿与三轮腿结构，我们设计出全新的不同轮腿结构组合使用方案，经过测试其适应轨道、废墟等复杂地形能力强，而且机器人体积小巧，整体机械效率高，能耗较低，综合性能已经超过国外Rhex与Whegs机器人。该机器人针对矿难现场可能出现的恶劣环境配备温度、浓度、人体检测传感器和三自由度摄像头平台，并且能为被困人员提供营养物质，可以在灾难发生后的最短时间内被投入现场，并迅速接近目标，搜集温度、有害气体浓度等信息，确定被困人员位置，并进行一些辅助救援工作。
