搜救机器人

青少年科技创新大赛中学生项目地震被困人员搜救器学生：李振坤蒋明彤指导教师：崔娜佘念利刘秀艳学校：河北省唐山市第一中学2008年12月摘要摘要地震发生后，面对很容易发生二次倒塌的建筑物，救援人员无法深入废墟内及时对受困人员进行搜索和施救。为此，设计一种体形细长的搜救器，它可在复杂表面上前后爬行、转弯和越障，在狭小缝隙间穿行，装有摄像机等传感器进入废墟下探测和定位受伤者，还可以为伤者送去必要的药品和食物。该搜救器采用类似高速列车动车组的模块化结构形式，头尾结构相同，每个中间单元均有电源和驱动器，各单元相对独立并可在现场自由拆装，可根据需要灵活配置；由弹簧、卡爪和电磁铁构成的驱动器结构简单，可实现前进、后退、转弯、越障等动作；采用蠕动前进方式，便于通过狭小通道；可张合的头锥，既可保护摄像机，又可进行一些功能操作；提出的球面水银定向器实现了爬坡、翻转时搜救器定向；各动作全部均采用电磁铁驱动，通过控制电磁铁线圈电流控制动作程度，能量利用率高，简单易行。与现有设备相比，该搜救器功能强、结构简单、工作周期长，适用于复杂地面环境，可大大提高搜救速度，减少抗震救灾过程中的人员伤亡。关键词：地震，搜救，救援，废墟，机器人目录目录引言…………………………………………………………………………………11项目研究背景…………………………………………………………………21.1国内外救援装置研究现状………………………………………………21.2地震搜救装置关键技术…………………………………………………41.3项目研究内容及意义……………………………………………………52搜救器结构设计……………………………………………………………62.1基本设计方案……………………………………………………………62.2结构设计………………………………………………………………72.3三维造型设计……………………………………...………………………113结论……………………………………………………………………………12致谢…………………………………………………………………………………13参考文献……………………………………………………………………………14引言-1-引言举世震惊的汶川5.12强烈地震发生后，全国人民都积极投入到抗震救灾活动中。作为三十多年前经历过同样灾难的唐山人民对汶川地震尤为关注，一些人立即奔赴灾区，很多人忙着为灾区捐款捐物。那些日子里，走到唐山的任何一个角落你都会听到人们在谈论着有关地震的事情。我们也时刻关注着救灾的进展情况，每天放学回家第一件事就是赶紧打开电视机观看救灾现场的报道，当看到有人被埋在废墟下呻吟呼救，而外面的人却一时无法将他们救出时，我们心里十分焦急，总在想：里面的人肯定受了重伤，也一定很饿，如果有个小型搜救器能迅速钻到废墟里，探明受伤人位置和情况，给他们送去急需的药品和饮食该有多好啊。随着时间一天天过去，废墟下的呼救声逐渐消失了，有人冒着余震的危险用生命探测器在废墟上检测下面是否还有人活着，我们又在想：如果有个搜救器带着这种生命探测器深入到废墟和危楼里会不会发现里面更多活着等待急救的人呢？有一天，看到两名救援人员在危楼中搜救时被余震倒塌的楼房掩埋的画面时，我们萌生了更加强烈的愿望：一定要设计一个搜救器，替代人深入到危险的地方对受灾人实施救助。我们把这个愿望告诉了家长和老师，他们都非常赞同并全力支持我们。从那以后，我们利用课余时间从图书馆及互联网上查阅了大量相关资料，一直在努力设计一种能够在瓦砾上运动，在狭小缝隙间穿行的小型搜救器，尤其根据我们已经掌握的知识对它的结构和运动机理进行研究。项目研究背景-2-1项目研究背景1.1国内外救援装置研究现状近年来多发的自然灾害如地震、火灾、洪水，严重威胁着人类的安全，引起了人们广泛关注。将机器人技术、营救行动技术、灾难学等多学科知识有机融合，研制与开发用于搜寻和营救的灾难救援装置，是机器人学研究中一个富有挑战性的新领域。由于地震后存在易二次倒塌建筑物的现场，施救人员无法深入进行侦察或施救，人们急于探知灾难现场的内部险情，但又无法接近或进入灾难现场。此时，救援机器人的参与可以有效地提高救援的效率和减少施救人员的伤亡，它们不但能够帮助工作人员执行救援工作，而且能够代替工作人员执行搜救任务，在灾难救援中起着越来越重要的作用。近年来，特别是“9．11”事件以后，世界上许多国家开始从国家安全战略的角度研制出各种反恐防爆机器人、灾难救援机器人等危险作业机器人用于灾难的防护和救援。同时，由于救援机器人有着潜在的应用背景和市场，一些公司也介入了救援机器人的研究与开发。此外，国际RobCup机器人竞赛也增加了救援比赛的专项RobCupRescue，为救援理论和技术提供仿真研究的试验平台。目前，灾难救援机器人技术正从理论和试验研究向实际应用发展。日本作为一个多地震国家，在救援机器人方面开展了相对全面的工作。日本东京工业大学的广濑是最早从事救援机器人研究的学者之一，他所领导的广濑研究室，从仿生的角度和基于超机械系统的思想先后研制了“ACM”，“GENBU”与“SORYU”等多系列救援机器人样机。考虑到灾害现场的援助作业最重要的是确定受灾害者的位置，必须依靠能够在像瓦砾那样狭小的场所移动的机器人来探察，为此他们研制了SOURYU.I和SOURYU.II。日本东京工业大学的KAMEGAWA等提出一种新的救援机器人平台，该机器人由多节履带车连接而成，能够进入狭窄的空间，相邻单元间由主动关节连接，具有较好的越障能力和地面适应能力。日本京都大学OSUKA等研制出一种死结四面履带救援机器人“MOIRA”，采用电动机同时驱动四周履带，使得它在废墟中有很好的穿梭能力和抗倾翻能力。在美国，多个高校的研究中心、国家研究机构和公司也同时进行了救援机器人的研究。南佛罗里达大学灾难救援机器人研究中心MURPHY等研制出安装有项目研究背景-3-医学传感器的救援机器人Bujold，底部采用可变形履带驱动具有较高的运动和探测能力，同时机器人能够在灾难现场获取幸存者的生理信息和环境信息，并将其传送到外界。加利福尼亚工业大学HELMICK等研制的多传感器救援机器人，机构结构简单易控，具有快速爬楼梯的能力。南加利福尼亚大学SHEN等研制的一种模块化可重构的救援机器人CONRO，它可以根据灾难现场环境的需要重组成蛇形、六足形及环行等多种构形。美国航空航天局HAITH’等研制一种具有三维运动的蛇形机器人Snakebot，它在非结构环境具有较强的运动能力。PARC研究中心YIM等设计的一种模块化可重构的机器人PolyBot，因机器人的模块具有互换性而具有很强的变形能力，机器人不同的构形可以适应于不同的地形。“9.11”事件的灾难现场救援被认为是灾难救援机器人的第一次实际应用。在纽约世界贸易中心遭到恐怖袭击发生后几小时，美国“机器人辅助搜救中心”立即组织了一支由机器人专家和生产厂家技术人员构成的队伍，携带可供使用的机器人赶赴世贸中心废墟现场，向救援行动提供技术支持。其中Inuktun公司的MicroVGTV、MicroTraces和MiniTraces三种机器人它们体积小，质量轻，在废墟堆上用的最多。Foster-Miller公司的Talon和Urbot也被用于建筑物的内部检测。在国内，中国科学院沈阳自动化研究所研究的蛇形机器人样机旨在用于非结构环境中探测和灾难救援作业。该蛇形机器人可以根据地面状况采用蜿蜒、伸缩、侧移和翻滚等多种运动步态，在监控系统的无线控制下，具有一定的三维运动能力，并可通过安装在蛇头上的微型摄像头将现场图像传回监控系统。该单位还研制了一种履带式灾难救援可变形模块机器人样机，具有直线、三角和并排等多种形态，通过多种形态和步态来适应环境和任务的需要。上海交通大学研制了一种仿蛇机器人样机，该机构由一系列刚性连杆连接而成的自由多刚体系统，由步进电机控制两刚性连杆之间的夹角，使连杆作平面运动，连杆两边装有滚动轴承作车轮，滚动轴承只改变纵向和横向摩擦系数之比。国防科技大学年研制的一种蛇形机器人能像蛇一样扭动身躯，在地上或草丛中蜿蜒运动，可前进、后退、拐弯和加速。头部是机器人的控制中心，安装有视频监视器。我国是世界上灾难发生最为严重的少数国家之一，具有灾害种类多、发生频率高和分布地域广等特点。近年来，地震、矿难灾难事故在我国多次发生，给公众安全和国民经济带来极大的破坏作用，引起了相关领域专家和学者们的注意。项目研究背景-4-现有的灾难救援机器人的研究工作主要是救援单机器人平台基础技术的研究和实现。随着灾难救援机器人研究逐步从试验研究转入到实际应用，结合灾难救援机器人的应用环境和作业功能的需要，救援机器人的研究正朝多种技术融合化和多智能体网络化两个主要方向发展。1.2地震搜救装置关键技术综合世界各国对救援机器人技术研究和实际应用，用作地震搜救的装置关键性能在于运动能力，感知能力，通讯能力和作业能力等几个方面。地震搜救环境对装置的运动能力要求较高，装置的移动方式十分重要。现有的移动机器人有轮式、履带式和腿式等移动方式。地震废墟里空间狭小，受环境空间的限制，搜救装置机器人物理结构必须要小；但是它又必须要越过位于机器人路径上的障碍物，它的重心不能太高，在越障碍物时又不能失去牵引力；另一方面，行进过程或翻越障碍物过程中，可能出现翻滚现象，它必须具有自调整能力。实践证明，蛇形机构是满足上述要求的有效机构之一。该机构具有结构重复，冗余度大的特点，它还具有一定的故障容错能力。而履带、轮、腿复合的复合移动机构适用于环境存在松软的灰土地面、泥泞路面及坎坷不平的废墟地面等多种地面地形。搜救机器人的感知能力主要体现在：对机器人的控制、对环境的检测和对遇难者的发现三个方面。机器人的控制方面，为了让机器人正常工作，必须对机器人的位置、姿态、速度和系统内部状态等进行检测，系统可以采用传统机器人的CCD摄像机、激光测距仪、超声测距仪、接触和接近传感器、红外线传感器和雷达定位传感器等。在环境检测方面，环境检测对搜救的正常工作、提高工作效率、节省能源和防止意外事故都是非常重要的。在感知系统中，视频信息对救援机器人而言十分关键，因为救援过程中它们可以用于机器人的导航和对现场的情况通过视频进行观察。视频摄像机可以用来进行遥操作机器人和发现遇难者，因为它们能够为操作人员提供视觉信息。此外，还有数字温度摄像机、穿透雷达、微波雷达、激光探测仪等先进技术，但系统的成本和能量消耗较大。搜救机器人的通信主要在于：操作人员与机器人之间的通信、操作人员与遇难者之间的通信。所有的通信通常采用无线的方式。目前操作人员与机器人之间的通信均采用人机交互的形式。机器人既是一个工具，又是一个作业执行的代替项目研究背景-5-者，施救人员通过与机器人通信知道即将发生的一切，以便采取相应措施。操作人员和机器人之间的通信主要包括操作人员对机器人的控制和机器人采集信息的有效传输，主要考虑控制指令的准确性和信号处理的完备性两个方面的因素。操作人员和遇难者之间的通信主要有声音和图像的传递，声音双向传输设备为话筒和麦克。通过语音之间的交互联系，幸存者不仅可以知道救援队伍的到来，同时还可以指导救援工作的进行和进一步发现其他的遇难者。救援机器人的作业能力是指机器人方便于操作人员的使用和机器人本身具有一定的作业功能两个方面。一方面机器人本身必须可控和便于控制，要求机器人质量轻，方便携带。机器人的作业功能主要包括勘探、搜寻和救助三个方面。其中勘探功能帮助操作人员确定险情的位置，利用机器人进行采样、记录数据，记录下所有有关建筑物的三维地理信息和物理信息，由救援指挥官或相关的工作人员来确定工作区对工作人员来讲是否安全，最小化救援队伍的危险性；搜寻功能用于一些人不能够接近的洞穴进行搜寻和辨识遇难者；救助功能中机器人提供一系列的服务，包括必要设备的携带、遇难者急需物质的供应、与工作人员和被困的遇难者保持联系等，必要时还需要完成对接近受害人过程的路径进行规划，对受害人进行自主的或遥测的急救，保护生命体使之在营救过程中不受落下的碎片等任何可能的伤害，运