井下搜救机器人移动机构研究与发展趋势

井下搜救机器人移动机构研究与发展趋势田海波2015.06.2020/4/20第2页井下搜救机器人移动机构研究与发展趋势1.研究背景我国是世界产煤大国，由于作业设备与工艺相对落后，管理水平欠缺等原因，各类矿难频繁发生，死亡人数居世界首位。除机械化程度低、煤层地质结构复杂、高瓦斯矿井多等原因之外，救援水平落后也是一个重要因素。事故发生后，无法迅速准确地得到灾难现场的信息,如瓦斯浓度、是否发生火灾、被困或遇难人员的位置以及现场温度、氧气含量、CO等有害气体的含量、现场倒塌状况等,从而延误了救援工作的开展。井下搜救机器人用于替代或部分替代救援人员进入现场完成环境探测和搜索救援任务，该研究具有重大的现实意义。2020/4/20第3页井下搜救机器人移动机构研究与发展趋势1.研究背景井下搜救机器人的研究内容广泛，包括移动机构研究自主控制技术探测技术信息融合技术导航定位技术仿生智能技术等。事故发生后，顺利地进入井下灾区是机器人救灾的首要任务，因此，移动机构的研究是井下搜救机器人研究的首要任务。2020/4/20第4页井下搜救机器人移动机构研究与发展趋势1.研究背景煤矿井下地形环境总体分析结构化地形环境和非结构化的地形环境的结合。井下巷道的布局、轨道、水沟等是按照国家或行业标准建造的。但这些特定地形会随着煤矿的服务年限的增加，发生一定变化。井下存在着火灾、水灾、顶板事故、瓦斯事故和煤尘事故等五大灾害。除水灾外，其它的几种灾害往往相互引发。瓦斯爆炸是煤矿最严重的灾害事故，号称第一大“杀手”。这种地形是复杂的、未知的非结构化地形，会给搜救机器人的移动构成相当大的威胁和困难。2020/4/20第5页井下搜救机器人移动机构研究与发展趋势1.研究背景井下环境对搜救机器人移动机构的要求：（1）.整体稳定性好，不易倾翻，行走平稳，还要有一定的自动复位功能；（2）.具有一定的自我防护能力，有良好的防爆、耐热、防水和防尘等性能；（3）.在非结构化的井下环境和台阶、楼梯等结构化环境中都有良好的通过能力；（4）.机动性好，可以在狭窄的空间转向；（5）.平坦路面上运动时，高速、低能耗；（6）.轻而小，各处连接简单可靠，便于制造维修。2020/4/20第6页井下搜救机器人移动机构研究与发展趋势1.研究背景井下环境对搜救机器人移动机构的要求上述要求中，机构可靠性、稳定性、避障能力、越障能力以及防爆设计是矿井救灾机器人研制过程中需要解决的重点问题。2020/4/20第7页井下搜救机器人移动机构研究与发展趋势2.研究现状20世纪80年代，搜救机器人从国外开始起步。搜救机器人的第一次实际救灾行动：2001年911事件发生后，美国机器人辅助救援中心(CRASAR)和其他一些单位的救援机器人参加了救援行动。此后，许多国家开始从国家安全战略的角度研制出各种防爆、救援机器人用于灾难的防护和救援。矿井搜救机器人作为一个重要分支也得到了重视。按移动机构的特点，矿井搜救机器人可分为以下几类：轮式、腿式、履带式和复合式等多种类型。2020/4/20第8页井下搜救机器人移动机构研究与发展趋势2.研究现状2.1履带式搜救机器人特点：越障能力强美军的“魔爪”（Talon）采用双履带式移动系统，重量较轻，可以实现单兵携带。2020/4/20第9页井下搜救机器人移动机构研究与发展趋势2.研究现状2.1履带式搜救机器人美国Remotec公司的V2煤矿救援机器人，50英寸高，1200英磅重，履带式，用防爆电机驱动；安装有导航和监控摄像机、灯、气体传感器和一个机械臂，使用光纤通讯传送矿井环境信息，可在5000英尺以外的安全位置远程遥控。2020/4/20第10页井下搜救机器人移动机构研究与发展趋势2.研究现状2.1履带式搜救机器人加拿大InuKtun公司的机器人MicroVGTV，采用三角履带，可以根据搜索通道的大小及搜寻范围的远近灵活地调整形状和尺寸，电缆控制，含有直视的彩色摄像头，并带有微型话筒和扬声器，可用于和废墟中的幸存者通话。2020/4/20第11页井下搜救机器人移动机构研究与发展趋势2.研究现状2.1履带式搜救机器人美国南佛罗里达大学的Simbot矿井搜索机器人，小巧灵活，携带数字低照度摄像机和基本气体监视组件，进入矿井后，可以发现受害矿工，并探测氧气、甲烷气体含量，生成矿井地图。2020/4/20第12页井下搜救机器人移动机构研究与发展趋势2.研究现状2.1履带式搜救机器人中国矿业大学可靠性与救灾机器人研究所的国内首台煤矿搜救机器人CUMT-Ⅰ。采用自主避障和遥控引导相结合的行走控制方式，装备有低照度摄像机、气体传感器和温度计等设备，具有无线网络通讯功能。2020/4/20第13页井下搜救机器人移动机构研究与发展趋势2.研究现状2.1履带式搜救机器人鞍山凯信公司与中科院沈阳自动化研究所共同研制的煤矿井下探测机器人，在它的前后有两个红外线摄像头,可以把井下影像传到地面。2020/4/20第14页井下搜救机器人移动机构研究与发展趋势2.研究现状2.2轮式搜救机器人美国智能系统和机器人中心的RATLER矿井探索机器人。四轮，左右分体式车身。其原型设计是满足野外全地形运动的车辆，没有按照矿井环境来设计运动系统，底盘较低，越障性能一般，另外转向不灵活，不太适合于巷道等狭窄空间，且没有任何自主避障方面的设计。2020/4/20第15页井下搜救机器人移动机构研究与发展趋势2.研究现状2.2轮式搜救机器人卡内基梅隆大学的矿井探测机器人Groundhog，四轮转向、液压驱动，可实现零半径转弯，最高速度可达l0km/h。自主性和移动性都非常强，但它是为探测正常矿井地形而设计的试验平台，携带有很多仪器，体积巨大，不适合用作煤矿搜救。2020/4/20第16页井下搜救机器人移动机构研究与发展趋势2.研究现状2.3腿式搜救机器人东京工业大学教授广濑茂男研制的一款腿式救援机器人。他设计了一种可“变形”的机械腿，能够在需要的时候变成轮子，让机器人依靠滑轮向前移动。2020/4/20第17页井下搜救机器人移动机构研究与发展趋势2.研究现状2.3腿式搜救机器人美国卡内基·梅隆大学的DanteII型八足机器人，是一个能远程探险的行走机器人。1994年勘探位于阿拉斯加的斯伯火山，显示了在极限地带作业的明显优势，成为人类第一个“成功”的陆地探测机器人，但移动速度缓慢，耗能巨大。2020/4/20第18页井下搜救机器人移动机构研究与发展趋势2.研究现状2.4复合式机器人履带式：优点是具有良好的越障性能，适合在崎岖的地面行驶；缺点是结构复杂，重量大，摩擦阻力大，机械效率低，转向困难，机动性差。腿式：最灵活的运动机构；但行走速度较慢，能量损耗也很大，且控制复杂。轮式：结构简单、控制方便、速度高、运动灵活和能耗低，可以降低成本和车重，但越障能力较差，不适于在事故发生后的井下行驶。在近年的机器人结构研究中，研究人员将这三种运动形式交叉结合，开发了多种复合式移动机器人。2020/4/20第19页井下搜救机器人移动机构研究与发展趋势2.研究现状美国iRobot公司生产的Packbot系列机器人，两条主履带和两条摆臂履带的履带腿形式。在两条摆臂履带的协助下能爬楼梯和攀越45°的斜坡，可以执行勘查勘探、救护幸存者等任务，曾用于伊拉克战场。2.4复合式机器人2020/4/20第20页井下搜救机器人移动机构研究与发展趋势2.研究现状2.4复合式机器人中国矿业大学的煤矿搜救机器人CUMT-IIA和CUMT-IIB2020/4/20第21页井下搜救机器人移动机构研究与发展趋势2.研究现状日本千叶工业大学的搜救机器人“木槿”采用了2条主履带和前后2对独立摆动的摆臂履带的履带腿形式，且两主履带较宽，将机器人主体部分包裹，形成全身履带机器人。2.4复合式机器人2020/4/20第22页井下搜救机器人移动机构研究与发展趋势2.研究现状美国维克那机器人公司的BEAR救护机器人。两腿均采用独立式履带，能够进行一系列移动，同时也可利用膝盖、臀部或者脚改变身体高度，以适应不同的地形。2.4复合式机器人2020/4/20第23页井下搜救机器人移动机构研究与发展趋势2.研究现状韩国科学技术研究院的ROBHAZ-DT3曾装备驻伊拉克部队，是一种三角履带与方形履带铰接的机器人，两履带可在一定角度范围内相对转动，可以攀登45度的斜坡，时速可达12千米。2.4复合式机器人2020/4/20第24页井下搜救机器人移动机构研究与发展趋势2.研究现状中国矿业大学的摇杆式对称W形的固定履带移动系统。该机器人不但具有摇杆式机器人被动地适应复杂的非结构环境的良好的自适应能力，又具有履带式机器人良好的越障性能。2.4复合式机器人2020/4/20第25页井下搜救机器人移动机构研究与发展趋势2.研究现状日本大阪大学的蛇形机器人，顶端带有一部小型监视器，让营救人员了解受灾区域的内部情况。身体部位安装传感器，可以在废墟里寻找幸存者。能够在狭小的角度转弯，攀爬20°的斜坡，挤过狭窄的缝隙。2.5仿生搜救机器人2020/4/20第26页井下搜救机器人移动机构研究与发展趋势2.研究现状美国加州大学伯克利分校的机器苍蝇，通过装在它脑袋上的微型传感器与微型摄像机，可以在废墟下或其他灾难场所寻找幸存者。其身高不到30mm，翼展25mm，重量100mg，可在100m上空飞行。2.5仿生搜救机器人2020/4/20第27页井下搜救机器人移动机构研究与发展趋势2.研究现状2.5仿生搜救机器人精工爱普生的全球最轻微型飞行机器人μFR-Ⅱ2020/4/20第28页井下搜救机器人移动机构研究与发展趋势2.研究现状2.5仿生搜救机器人2020/4/20第29页井下搜救机器人移动机构研究与发展趋势3.发展趋势(1)移动系统向复合式发展。与单一移动系统相比，复合式移动系统具有越障能力强、机动性好的优点，更能满足机器人对适应地形的需求。2020/4/20第30页井下搜救机器人移动机构研究与发展趋势3.发展趋势(2)构型上移动系统向被动结构发展。被动式移动系统可以降低能源需求，能够自动适应地形的起伏变化，还可以简化控制系统。2020/4/20第31页井下搜救机器人移动机构研究与发展趋势3.发展趋势(2)构型上移动系统向被动结构发展。被动式移动系统可以降低能源需求，能够自动适应地形的起伏变化，还可以简化控制系统。2020/4/20第32页井下搜救机器人移动机构研究与发展趋势3.发展趋势(3)移动系统向小型化、轻量化发展。体积小、质量轻的机器人不仅能耗较低，而且机动性好，对非结构化的未知地形适应能力强。(4)移动系统（包括驱动装置和防爆装置）的模块化和集成化，使机器人的安装和检修方便易行。(5)仿生学的研究为移动系统运动机理和控制的创新提供了有力支撑。2020/4/20第33页井下搜救机器人移动机构研究与发展趋势4.总结研发井下搜救机器人的移动系统，须从以下角度进行创新：(1)结合现代机构理论和现代设计方法的设计理念和设计技术的创新；(2)适应井下复杂环境的整体运动机构的设计创新；(3)机构的模块化和集成化设计创新；(4)机构整体（包括驱动装置）防爆能力的设计创新。2020/4/20第34页井下搜救机器人移动机构研究与发展趋势