救援机器人

煤矿救援机器人研究现状及关键技术1、煤矿救援机器人工作环境煤矿救援机器人工作的环境，往往是结构化地形环境和非结构化地形环境的综合。（1）井下巷道的布局、轨道、水沟、人行道、管道和电缆等的铺设以及各种设备的布置都是根据矿井实际需要，按照国家或行业标准建造，这些都属于结构化地形。（2）井下主要有火灾、水灾、顶板事故、瓦斯事故和煤尘事故五大灾害。瓦斯爆炸是煤矿最严重的灾害事故，爆炸产生的高温高压使附近的气体产生巨大的冲击波，造成井下设施的破坏。冲击波扬起的煤尘参与爆炸，产生更大的破坏力，引发顶板冒落、煤壁片帮以及设备翻倒等事故。这种地形是复杂的非结构化地形。2、国内外研究现状（1）国外研究现状1998年Sandia智能系统机器人研究中心研制了“RATLER机器人”，该机器人采用无线控制，利用自身携带的摄像头,可以识别煤矿的入口，同时传回有用的周围环境信息。图1RATLER机器人卡内基梅隆大学研制了Groundhog四轮驱动机器人，用于检测矿井有害气体浓度和对井下巷道进行三维成像，通过电缆将测得数据传到地面指挥人员。但在首次试验时，机器人进入到距离矿井口30米处，因计算机进水，而被迫中止。图2Groundhog侦查机器人图3为2006年美国东部西弗吉尼亚州阿普舒尔县萨戈（Sago）煤矿发生矿难运用的机器人。2007年8月美国Utah州发生煤矿事故，救援人员派出了UniversityofSouthFlorida研制的图4所示救援机器人，但因机器人中途行进过程中陷入泥潭而受阻。图3美国救援机器人图4南佛罗里达救援机器人GeminiScout是美国职业安全与健康中心资助圣帝亚国家实验室研制的一款矿井救灾机器人，如下图所示。它为履带式双节机器人，长1.2m，宽0.7m，在身体上方有一个高出机体的摄像机桅杆，其上安装了一个能透过烟雾和尘埃的红外摄像头，配置了有毒气体传感器和爆炸气体传感器。由一个灵活的关节连接身体的两节，使它能够通过复杂的地形和狭窄的角落。采用遥控方式，由于无线控制容易受到井下环境的干扰，它同时以光纤通信装置为备用，以保障通信畅通。它能够先于搜救人员进入危险的环境，为救援提前感知现场情况，当它寻找到伤员时，能够引导伤员到安全的环境，提供氧气、水、药品等必需品，它还能改装成能将伤员搬动或拖到安全地点的救援机器人。图5GeminiScout矿井救灾机器人BEAR救护机器人由美国维克那机器人公司研制，是一款类人救援机器人。它采用双腿独立式履带，除自主移动外，还可利用膝盖、臀部或脚改变身体高度，以适应不同的地形条件，如图6所示。图6BEAR机器人东京工业大学的广濑是最早从事救援机器人研究学者之一，由他带头研制的蛇形机器人主要有SOURYU-I、SOURYU-II、SOURYU-III、ACM-R5。SOURYU-III分别连接作为能够姿势变化的活动关节连接三个履带机构构成履带机器人。ACM-R5蛇形机器人为水陆两用机器人利用模块化技术设计，整个本体结构分为多节，每节都在圆柱形物体上安装六枚类似鱼鳍的构件，然后利用履带将各节连接起来。鱼鳍的顶端装有脚轮，但这种脚轮并不产生驱动力，而是通过蛇行方式或扭动身体实现陆地移动。在水中的运动可以通过身体蛇行或螺旋运动来实现。图6SOURYU-III蛇形机器人图7ACM-R5蛇形机器人2006年6月，日本研制出新型搜救机器人—木槿，如图5所示，木槿全身都是特制的履带，四肢能够独立遥控，移动自如，具有较强的越障能力和环境适应能力，并装备了红外热敏摄像头，可以对受困人员或死难者进行定位，将拍摄的图像传送给救援人员。图8日本搜救机器人木槿日本横滨警察署研发设计的爬行者（Crawler）（如图3所示）的承载极限为250lb（1lb=0.4536kg），该机器人的主要作用是依靠“舱体”将被困人员安全运出危险区域。大阪大学研制的足式救援机器人ASTERISK星标蜘蛛机器人，该机器人主要用于信息采集，如下图10所示。图9Crawler救援机器人图10ASTERISK星标蜘蛛机器人RSV矿井探测机器人是由Camborne大学设计制作，主要用于煤矿井下调查，全名为遥控调查机器人，装备激光扫描工具、无信通信模块，增加了井下探测范围。图10为南加利福尼亚大学的CONRO多态搜救机器人。图10RSV矿井探测机器人图11CONRO多态搜救机器人（2）国内研究现状中国矿业大学救灾机器人研究所研制了CUMT-I型矿井救灾机器人，是第一台用于煤矿救灾的机器人。如图10所示，该机器人采用履带式行走机构，配置低照度摄像头，能够在烟雾和粉尘环境下获取井下视频信息，同时装备水、药品、工具等救灾物资，能帮助被困者展开自救。KRZ-I矿用井下机器人装置，由哈尔滨工业大学机器人研究所为唐山开诚电器有限公司研制，如图11所示。该机器人的行走机构为中部履带加前后摆臂三节式履带行走机构，由前摆履带、后摆履带、主驱动履带组成，摆臂摆腿收拢时长度约为1.1m，展开时约1.5m，配置CH4、CO、H2S等有毒气体传感器和湿度、温度传感器，质量接近200千克，工作时间2小时。能爬越斜坡、翻过单级台阶400mm、越沟宽度600mm、涉水深度300mm。采用无线遥控和光纤通信两种遥控方式，井下机器人控制系统能对各个关节摆动、行走、转向等进行控制，井上控制盒上有两个控制摇杆和若干控制按钮以对井下机器人发出控制指令。通过无线传输的方式实现井下实时视频信息、语言、传感器读数等参数的传送。图12CUMT-I煤矿救灾机器人图13KRZ-I矿用井下机器人装置2009年6月，河北省唐山市成功研制了矿用抢险探测机器人（如图12所示），该矿用抢险探测机器人具有防爆、越障、涉水、自定位、采集识别和传输各种数据的功能，能进入事故现场采集影像、数据信息，为及时抢险救人提供重要依据和参考。图14唐山的煤矿探测机器人沈阳自动化研究所研究了一种链式结构变形机器人，如图14。该机器人采用新型链式结构避免干涉，通过连接臂和偏置关节实现了结构的组合和变形。模块的信仰和偏转关节分别置于模块两侧，模块间通过连接臂来进行连接，通过模块与连接臂间相对位置的变化实现变形。图15沈阳自动化研究的链式机器人河南科技大学设计了一种新型的可穿戴式煤矿救援机器人，提出了基于脚部压力信息的传感系统设计方案，通过脚底4个压力传感器，采集人体在不同步态阶段脚底压力信息，为可穿戴式煤矿救援机器人控制系统提供相应数据。冯新刚设计了一种基于ARM竖井救援机器人。竖井救援机器人外形结构如图17所示，系统由PC井上控制器、井上和井下ZigBee无线通讯部分、ARM井下控制中心、井壁固定控制部分、水平定位控制部分、机械臂、手控制部分、抱臂控制部分、井下环境探测控制部分等组成。ARM控制中心实现井下环境监控；控制救援机器人到达预定位置后通过井壁固定装置纵横向伸展与井壁撑紧对自身的固定；通过水平定位装置控制两支机械手水平定位到落井人员的肩部；通过机械臂控制机械手沿垂直方向靠近落井人员的肩部；通过控制3自由度机械手精确挟持住落井人员的双肩；通过控制抱臂装置抱紧落井人员的腰部，固定其身体；最后把落井人员救出。图16可穿戴式煤矿救援机器人图17ARM竖井救援机器人天津理工大学李浩等研究了一种轮履复合救援机器人。该机器人采用了轮履复合变体轮，一种由驱动主轮、可变形履带、伸展机构及传动机构等组成的新型轮系。在较好的路况下，变体轮以轮式状态行进以保证救援机器人具有较高的速度；在复杂地形下，变体轮可由内部伸展机构展开成三角履带以达到高通过性的要求。图18轮履复合变体轮原理图如图19所示的狭小缝隙搜索机器人，同样采用履带式设计，但是不同于废墟表面机器人的是，它的体积更小，而且可以根据缝隙的大小，进行变形，以便更好的通过缝隙。具体变形方式为4种，分别是三角型、并排型、直线型和D字型。其中直线型可将3条履带并为一线，此时机器人宽度仅为20cm，可以钻入救援队员无法进入的细小缝隙，减少搜索救援的死角，同时可以通过搭载相关的图像或者其他传感模块，将废墟结构的内部信息传给外面操控的救援人员。图19狭小缝隙搜索机器人3、研究要点根据煤矿井下环境，搜救机器人应满足以下要求：（1）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、机动能力和运动稳定性；（2）移动系统对传感、控制系统依赖性小，可以实现局部自主；（3）具有较强的数据采集能力和实时通讯能力，及时采集数据并把它们传递到地面系统；（4）在复杂环境中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；（5）在平坦路面上运动时，具有较高的运动速度和较低的能耗；（6）质量轻、体积小，各部分连接简单、可靠，便于制造和维修。研究要点主要包括如下内容：3.1机械结构（1）机器人移动平台现有的机器人移动平台包括：1）轮式移动机器人由于轮式移动机构翻越沟壑、连续台阶的性能不佳，这几年发展了一些动态连接车体与车轮的新型悬架，以改善轮式移动机构的特性，提高轮式移动机构的越障性能，如以下几种典型的轮式移动机构悬架。A、6轮摇臂—转向架式悬架图20六轮摇臂—转向架式悬架B、6×6独立铰链式悬架图216*6独立铰链式悬架机构简图C、复合变结构轮腿式悬架复合变结构轮腿式移动机器人具有4组复合轮腿式驱动机构，整体对称。腿式机构分大腿和小腿，机体与大腿用髋关节连接，大腿与小腿用膝关节连接，每个关节均有关节驱动电机。同时在关节处还设有髋关节驱动轮、膝关节驱动轮和小腿未端的被动万向轮，驱动轮独立驱动。在平坦地面时，抬高膝关节驱动轮，仅使用髋关节驱动轮行驶，以简化控制，提高驱动效率；复杂地形条件下采用四腿迈步的方式实现行走；而在较高台阶、沟壑、楼梯等非结构地形条件下则采用轮腿复合模式运动，通过腿的抬高或支撑和驱动轮的共同作用，实现越障。图22复合变结构轮腿式悬架D、轮腿结构合一式图23RHex小型移动机器人2）履带式移动机器人履带式移动机器人可分为不同类型，根据履带的节数，可分为单节双履带移动机器人、双节四履带移动机器人、多节多履带式移动机器人；根据履带结构是否可变，可分为固定履带结构移动机器人、可变形履带移动机器人；根据移动机构组成的种类，可分为纯履带移动机器人、复合形履带式移动机器人。A、单节双履带移动机器人图18所示机器人采用单节双履带移动机构，为提高越障性能，采用三角形履带结构，使移动机器人前部履带面与地面成45左右倾角，提高机器人通过台阶等障碍地形的能力。采用差动转向，即使两侧履带速度不同，在狭小空间中可实现原地转向。由于采用单节履带结构，所以越障性能受到限制，较适合在楼宇、过道、机场等城市环境下使用。图24单节双履带移动机器人B、多节轮履复合式移动机器人使用轮履复合式移动机构，中间为轮式移动机构，两端增加两节履带臂，在平整路面上可充分发挥轮式移动机构高速、低功耗的优点，在复杂地形条件下又充分利用履带臂提高机器人的通过性能，如图1-15所示。这种移动机构通过履带臂的伸展运动，可以灵活调整体积和大小，伸展开时可以通过较大尺寸的障碍，收缩状态则可通过较小空间，实现的功能和多节履带式移动机构相类似。图25多节轮履复合式移动机器人C、底盘抬高型履带底盘抬高型履带如图所示，它通过履带结构的设计，增大移动机器人底盘与地面之间的距离，防止路面凸起的石块与底盘发生干涉，提高移动机器人通过复杂地形的能力。这种改进设计可以克服传统履带式移动机构复杂地形通过性差的特点，但同时也会抬高车体质心，降低机器人稳定性。图26底盘抬高型履带D、可变形履带可变形履带式移动机器人可以变化履带的结构与形状，通过变形，一方面可以提高移动机器人底盘，另一方面还可以改变机器人运动和越障特性，如图所示的移动机器人，当履带变形成“一”字型时，便于通过阶梯、沟壑等路况，当变形成平行四边形状时，底盘提高，便于通过凹凸不平的路面。图27可变形履带3）腿式移动机器人（2）执行机构执行机构是指机器人到达指定地点后，用来完成一定操作和执行任务的工作机构，如排爆机器人抓取危险物品的抓取臂、救援机器人用来抱举伤员或将伤员拖拽到安全地点的抱举臂、星球探测机器人用来