【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 機(jī)器人可以攜帶照相機(jī)和其他感應(yīng)器登上飛機(jī)的樓梯。它是通過(guò)遠(yuǎn)程遙控的，搜救人員可以在親身進(jìn)入受災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)之前利用它評(píng)估災(zāi)情危險(xiǎn)級(jí)數(shù) ，如圖 115。 （ 3） 機(jī)器蛇和小吊車 1995 年 1 月 17 日清晨 5 時(shí) 46 分，日本關(guān)西地區(qū)發(fā)生了 級(jí)地震，史稱阪神大地震。在受災(zāi)最嚴(yán)重的神戶市，共有 5 萬(wàn)余人傷亡，房屋受創(chuàng)而無(wú)家可歸者近 32 萬(wàn)人，損失總額約合 1000 14 億美元。 在這次地震之后，日本政府開(kāi)始探索使用機(jī)器人來(lái)搜救受災(zāi)者的可能性。許多幸存者會(huì)被埋在廢墟當(dāng)中不易發(fā)現(xiàn)，可燃物、燃?xì)夤艿篮吐╇娍赡軐?dǎo)致二次災(zāi)害，甚至是救援者的活動(dòng)也可能導(dǎo)致受災(zāi)者的再次受傷。而傳統(tǒng)使用的地震搜救犬需要大量的培訓(xùn)時(shí)間，其靈敏度也比不上現(xiàn)代電子設(shè)備。相比而言，機(jī)器人會(huì)更有優(yōu)勢(shì)。 從 1996 年開(kāi)始，日本機(jī)械工程師學(xué)會(huì)機(jī) 器人與機(jī)電分會(huì)實(shí)施了一個(gè)五年計(jì)劃，鼓勵(lì)開(kāi)展各類災(zāi)后搜救機(jī)器人的研發(fā)； 2021年，日本文部科學(xué)省也啟動(dòng)了一個(gè)類似的計(jì)劃，力圖在五年之內(nèi)讓搜救機(jī)器人產(chǎn)業(yè)商業(yè)化。 在這些計(jì)劃的支持下，已經(jīng)出現(xiàn)了幾種可以投入使用的災(zāi)后搜救機(jī)器人。在 3月 11 日的日本史上最強(qiáng)地震之后，兩支由機(jī)器人研究人員帶領(lǐng)的救援機(jī)器人隊(duì)伍，便開(kāi)始奔赴受災(zāi)地區(qū)展開(kāi)營(yíng)救工作。 東北大學(xué)信息科學(xué)研究生院的田所諭教授帶領(lǐng)的小組，攜帶著名為 “Snakebot” 的蛇形搜索機(jī)器人。這臺(tái)機(jī)器人的外形像是一個(gè)長(zhǎng)達(dá)八米的試管刷，使用特殊的多馬達(dá)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) ，能夠適應(yīng)大多數(shù)地形，并且可以拐過(guò)狹小的角度。它的作用和結(jié)構(gòu)都與醫(yī)生使用的內(nèi)窺鏡非常相似：頭部有探照光源和攝像頭，能夠?qū)U墟內(nèi)的景象傳遞給控制者，并且由控制者來(lái)決定它的探察方向。 這種機(jī)器人的行動(dòng)速度并不快，每分鐘只能前進(jìn) 3 米左右；但是它的體積優(yōu)勢(shì)明顯。它能攀爬 20 度的斜坡，擠過(guò)狹窄的縫隙，以傳回的圖像幫助救援者設(shè)計(jì)最好的救援方案。它還曾經(jīng)應(yīng)用于佛羅里達(dá)州的一次停車場(chǎng)坍塌事故當(dāng)中，表現(xiàn)令人滿意。 15 另一隊(duì)由千葉工業(yè)大學(xué)未來(lái)機(jī)器人技術(shù)中心副主任小柳榮次率領(lǐng)。小柳榮次是一位搜救機(jī)器人專家，主要從事能夠在 坎坷地形自由行動(dòng)的機(jī)器人技術(shù)研究，曾經(jīng)在 2021 和 2021 年兩次獲得世界機(jī)器人大賽搜救機(jī)器人比賽的冠軍。 這次他和團(tuán)隊(duì)帶來(lái)的是 2021 年 9月剛剛經(jīng)過(guò)測(cè)試的搜救機(jī)器人 Quince，大小大概和一輛嬰兒車相仿。這臺(tái)機(jī)器人可以在一百米內(nèi)遙控，可以攀爬樓梯，還可以給待援救者送去水和食物。 表面看來(lái)， Quince 像是臺(tái)玩具吊車，在車身中央的位置向上伸出一只長(zhǎng)長(zhǎng)的機(jī)械手。它的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)很奇特，可以說(shuō)是腿，也可以說(shuō)是輪子。它的四個(gè)馬達(dá)分別控制四個(gè)主動(dòng)輪，每個(gè)主動(dòng)輪又通過(guò)履帶驅(qū)動(dòng)一只從動(dòng)輪。當(dāng)需要爬坡時(shí)，主動(dòng)輪 和從動(dòng)輪的組合就像是一條短腿，以 “ 舉起 — 放下 ” 的循環(huán)，輕松攀爬前進(jìn)。通過(guò)低底盤的設(shè)計(jì)，這臺(tái)小機(jī)器人竟然可以爬上 82 度的陡峭斜坡。 同樣， Quince 也帶有攝像頭，還能繪制所在環(huán)境的三維地圖。它還有紅外線傳感器和二氧化碳探測(cè)器，能夠感知密閉空間里幸存者的體溫和呼吸 — 這正是搜救機(jī)器人的特征之一。 please contact Q 3053703061 give you more perfect drawings 16 2 搜救機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)分析 搜救機(jī)器人的設(shè)計(jì)要求 搜救機(jī)器人在災(zāi) 后搜救展開(kāi)了新思路，但是也暴露了一些問(wèn)題。綜合考慮機(jī)器人技術(shù)和搜救環(huán)境，未來(lái)的搜救機(jī)器人技術(shù)需求應(yīng)包括以下幾個(gè)方面。 1．機(jī)動(dòng)裝置設(shè)計(jì) 在廢墟搜救中，機(jī)動(dòng)是機(jī)器人首先面臨的問(wèn)題。作為機(jī)器人機(jī)動(dòng)主體的底盤，需要裝載所有的傳感器?？紤]廢墟倒塌的環(huán)境，底盤的設(shè)計(jì)應(yīng)該滿足以下需求。 （ 1）能夠通過(guò)粗糙地形，越過(guò)或繞過(guò)障礙物，能夠高低，能夠通過(guò)狹窄空間。 （ 2）能夠耐熱、防水、防火、防爆、防腐蝕。 （ 3）重量輕，能夠在不發(fā)生滑動(dòng)和再次倒塌的情況下對(duì)空間進(jìn)行快速搜索。 2．傳感器 城市搜救的兩個(gè)明確任務(wù)：一是尋找可能 的幸存者，二是在最初的結(jié)構(gòu)評(píng)估過(guò)程中對(duì)空間進(jìn)行分類。因此，機(jī)器人攜帶的傳感器必須使它們?cè)谝苿?dòng)中探測(cè)受災(zāi)者和收集受災(zāi)者信息。如傳感器的設(shè)計(jì)需要能夠確定受災(zāi)者的生命跡象，并確定幸存者的狀態(tài)，為了判斷出受困者所在的位置和其所在地點(diǎn)的情形，需要綜合 17 GPS、慣性測(cè)量裝置、編譯器、陀螺儀、加速計(jì)、觸摸、移動(dòng)、視覺(jué)和聲學(xué)傳感器獲得的信息等。 3．通信 使用有線通信的機(jī)器人在行動(dòng)中通信系鏈易纏繞，限制了機(jī)器人的移動(dòng)，適合于短距離的搜救行動(dòng)。未來(lái)的發(fā)展是采用無(wú)線通信。在紐約世貿(mào)中心救援中使用的機(jī)器人就是利用無(wú)線以太網(wǎng)（ ）、有線通信方式與指揮中心保持通信聯(lián)絡(luò)。無(wú)線以太網(wǎng)由于帶寬的問(wèn)題，易導(dǎo)致通信中斷，因此，需要加強(qiáng)動(dòng)力、抗干擾能力的設(shè)計(jì)。 4．圖像處理 通過(guò)操縱機(jī)器人能夠獲取現(xiàn)場(chǎng)圖像，用于確定墻壁和柱子計(jì)結(jié)構(gòu)的破壞，管道和儲(chǔ)藏庫(kù)的泄漏和破裂等。同時(shí)機(jī)器人能夠通過(guò)獲得的現(xiàn)場(chǎng)結(jié)構(gòu)信息繪制出新的結(jié)構(gòu)圖，從而向救援人員報(bào)告受災(zāi)后的精確位置及可能的通路。地圖的繪制可以由一個(gè)機(jī)器人完成，也可以與其他機(jī)器人合作來(lái)完成。 5．導(dǎo)航技術(shù) 提高機(jī)器人搜索效率和范圍，開(kāi)展視覺(jué)導(dǎo)航技術(shù)的相關(guān)研究。視覺(jué)在機(jī)器人路徑規(guī)劃、避障；自 動(dòng)爬樓梯過(guò)程中是非常重要的。如 NASA 噴氣動(dòng)力實(shí)驗(yàn)室利用圖像的樓梯邊緣判斷方法，解決了機(jī)器人爬樓梯的自動(dòng)化。 6．人機(jī)交互界面 為了方便使用者在救援行動(dòng)中有效的使用機(jī)器人，便捷的人機(jī)交互是非常必須的。一個(gè)有效的用戶界面必須能夠向操作員提供足夠的決策參考信息，用于制定機(jī)器人的下一步行動(dòng)。在這樣的界面下，使用者能夠很容易的獲得機(jī)器人的方向、位置和動(dòng)力， 18 操作眾多的設(shè)備，比如攝像機(jī)、燈光和車載鉗子，準(zhǔn)確的控制機(jī)器人的移動(dòng)，從攝像機(jī)獲得圖像。 7．群體機(jī)器人協(xié)同 在面對(duì)一個(gè)巨大災(zāi)難的時(shí)候，可以考慮由多個(gè)機(jī)器人組成群體 ，通過(guò)系統(tǒng)協(xié)調(diào)來(lái)完成單機(jī)器人無(wú)法或難以完成的工作。群體機(jī)器人系統(tǒng)具有空間分布、功能分布、時(shí)間分布等特點(diǎn)，所以群體機(jī)器人系統(tǒng)比單機(jī)器人系統(tǒng)具有更強(qiáng)的優(yōu)越性，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。 （ 1）群體機(jī)器人系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)單機(jī)器人系統(tǒng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜任務(wù)。 （ 2）設(shè)計(jì)和制造多個(gè)簡(jiǎn)單機(jī)器人比單個(gè)復(fù)雜機(jī)器人更容易、成本更低。 （ 3）使用群體機(jī)器人系統(tǒng)可以大大節(jié)約時(shí)間、提高效率。 （ 4）群體機(jī)器人系統(tǒng)的平行性和冗余性可以提高系統(tǒng)的柔性和彈性。 典型移動(dòng)機(jī)構(gòu)方案分析 機(jī)器人在地面上移動(dòng)的方式通常有三種：輪式、 腿式和 履 帶式。另外還有步進(jìn)移動(dòng)式、蠕動(dòng)式、混合移動(dòng)式、蛇行移動(dòng)式等。 輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)特點(diǎn) 輪式 移動(dòng) 機(jī)構(gòu)在救災(zāi)機(jī)器人中是最為普通的運(yùn)動(dòng)方式，輪式機(jī)器人 移動(dòng) 機(jī)構(gòu)普遍具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)動(dòng)速度快、能源利用率高的、機(jī)動(dòng)性好強(qiáng)的特點(diǎn)，同時(shí)具有自重輕、不損壞路面、作業(yè)循環(huán)時(shí)間短和工作效率高等優(yōu)勢(shì)。控制的角度看，編程簡(jiǎn)單并有較高的可靠性，每個(gè)輪子都可以獨(dú)立驅(qū)動(dòng)。與履帶式移動(dòng)機(jī)器人相比，當(dāng)跨越不平坦地形時(shí)，輪式機(jī)器人有著固有的不足，限制了其運(yùn) 19 動(dòng)能力，其 穩(wěn)定性和對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性完全依賴于環(huán)境本身的狀況，對(duì)于進(jìn)入復(fù)雜的環(huán)境完成既定 任務(wù)存在嚴(yán)重的困難。 輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)按輪的數(shù)量可分為 2輪、 3輪、 4輪、 6輪、 8輪。該結(jié)構(gòu)存在著一定的局限性，只能在相對(duì)平坦、表面較硬的路面上行駛，如遇到軟性地面 (如沼澤、草地、雪地、沙地等 )容易打滑、沉陷，但可根據(jù)具體地面環(huán)境采用一些預(yù)防措施來(lái)緩解該類情況的出現(xiàn)，如采用不同種類的款式輪胎以提高其越野能力，象沙漠車輛、山地車輛等，其各種結(jié)構(gòu) 如圖 21所示 。 圖 21 輪式移動(dòng)裝置示意圖 腿式移動(dòng)機(jī)構(gòu)特點(diǎn) 腿足式移動(dòng)機(jī)構(gòu)分 2腿、 4 腿、 6腿、 8 腿等形式。腿式移動(dòng)機(jī)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)有： （ 1）腿式機(jī)器人的地形適應(yīng)能力強(qiáng)。腿式機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡由一系列離散點(diǎn)組成，崎嶇地形可以給這些離散點(diǎn)提供支撐，使機(jī)器人平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)；而輪式和履帶式機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)是連續(xù)規(guī)跡，有些起伏較大的地形則不支持這種連續(xù)運(yùn)動(dòng)軌跡，進(jìn)而限制了該類機(jī)器人活動(dòng)范圍。 （ 2）腿式機(jī)器人的腿部具有多個(gè)自由度，運(yùn)動(dòng)更具有靈活性，通過(guò)調(diào)節(jié)腿的長(zhǎng)度可以控制機(jī)器人重心位置，因此不易翻倒，穩(wěn) 20 定性更高； （ 3）腿式機(jī)器人的身體與地面分離，這種機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)在于機(jī)器人身 體可以平穩(wěn)地運(yùn)動(dòng)而不必考慮地面的租糙程度和腿的放位置， 8腿移動(dòng)機(jī)器人如圖 22所示，特點(diǎn)是穩(wěn)定性好，越野能力強(qiáng)。 腿式移動(dòng)機(jī)構(gòu)缺點(diǎn)有： （ 1）該類機(jī)器人的移動(dòng)速度慢，機(jī)動(dòng)性較差．因此機(jī)器人的負(fù)載不能太重； （ 2）腿式機(jī)器入對(duì)地面適應(yīng)性和運(yùn)動(dòng)靈活性需要進(jìn)一步提高； （ 3）腿式機(jī)器人控制系統(tǒng)較為復(fù)雜，控制方法還有待完善； （ 4）該機(jī)構(gòu)未進(jìn)入實(shí)用化階段。 圖 22 腿式行走機(jī)器人 履帶式移動(dòng)機(jī)構(gòu)特點(diǎn) 履帶式移動(dòng)機(jī)構(gòu)分為 l條履帶、 2條履帶 (履帶可車體左右布置或者車體前后布置 )、 3條履帶、 4條履帶， 6條履帶， 履帶式 移動(dòng)機(jī)構(gòu)與地面較大的接觸面積，因此在較大的區(qū)域內(nèi)分布機(jī)器人的重量，較大的接觸區(qū)域使機(jī)器人具有較好的驅(qū)動(dòng)牽引力， 機(jī)動(dòng)性能好、越野性能強(qiáng)，缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、重量大、摩擦阻力大，機(jī)械效率低，在自身重量比較大的情況下會(huì)對(duì)路面產(chǎn)生一定的破壞。履帶式移動(dòng)機(jī)構(gòu)比較輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)有以下幾個(gè)特點(diǎn)： （ 1）撐面積大、接地比壓小、滾動(dòng)阻尼小、通過(guò)性比較好； 21 （ 2）越野機(jī)動(dòng)往能好，爬坡越溝等性能均優(yōu)于輪式結(jié)構(gòu)； （ 3）履帶支撐面上有履齒不打滑，牽引附著性能好； （ 4）結(jié)構(gòu)較復(fù)雜重量大，運(yùn)動(dòng)慣性大，減 震功能差，零件易損壞。 圖 23為一部分履帶式 移動(dòng) 機(jī)構(gòu)的簡(jiǎn)圖 圖 23 履帶式移動(dòng)裝置示意圖 履帶式實(shí)際是一種自己為自己鋪路的輪式車輛。它是將環(huán)狀循環(huán)軌道履帶卷繞在若干滾輪外，使車輪不直接與地面接觸。履帶式的的優(yōu)點(diǎn)是著地面積比車輪式大，所以著地壓強(qiáng)??；另外與路面黏著力強(qiáng)，能吸收較小的凸凹不平，適于松軟不平的地面。因此，履帶式廣泛用在各類建筑機(jī)械及軍用車輛上。 并且履帶式結(jié)構(gòu)是通過(guò)兩條履帶差速實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎。不但可以實(shí)現(xiàn)超小半徑轉(zhuǎn)彎，還可以實(shí)現(xiàn)原地轉(zhuǎn)彎。靈活性極佳。 履、腿式移動(dòng)機(jī)構(gòu)特點(diǎn) 履腿復(fù)合移 動(dòng)機(jī)構(gòu)綜合了履帶式和腿式兩種移動(dòng)機(jī)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，在地面適應(yīng)性能、越障性能方面有良好表現(xiàn)。履帶移動(dòng)機(jī)構(gòu)地面適應(yīng)性能好，在復(fù)雜的野外環(huán)境中能通過(guò)各種崎嶇路面，它的活動(dòng)范圍廣，性能可靠，使用壽命長(zhǎng)，輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)無(wú)法與其比擬，適合作為機(jī)器人的推進(jìn)系統(tǒng)；傳統(tǒng)履帶移動(dòng)機(jī)構(gòu)往往是兩 22 條履帶與車身相對(duì)固定，很大程度上限制了機(jī)器人地形適應(yīng)能力(此時(shí)機(jī)器人履帶高度和長(zhǎng)度直接決定了機(jī)器人越障、跨溝等性能 )，為了解決該問(wèn)題履式移動(dòng)系統(tǒng)中引入了關(guān)節(jié)履帶機(jī)構(gòu)，兩條履帶不再相對(duì)車體固定而是能繞車身轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣能大大提高機(jī)器人的環(huán)境適應(yīng)能力，但履 、腿復(fù)合機(jī)構(gòu)本身存在著一定的不足如結(jié)構(gòu)復(fù)雜、運(yùn)動(dòng)控制困難等。 輪、履、腿式移動(dòng)機(jī)構(gòu)性能比較 車輪式，履帶式、腿足式移動(dòng)系統(tǒng)性能比較見(jiàn)表 21 所示。 表 21 典型移動(dòng)機(jī)構(gòu)的性能對(duì)比 本研究采用的行走機(jī)構(gòu) 履帶式機(jī)器人具有良好的越障能力和地面適應(yīng)性，已得到廣泛的應(yīng)用．典型的 履帶式機(jī)器人可分為固定履帶式機(jī)器人和擺臂履帶式機(jī)器人．?dāng)[臂履帶式機(jī)器人根據(jù)擺臂的數(shù)量可分為四履帶雙擺臂機(jī)器人和六履帶四擺臂機(jī)器人 . 本文提出來(lái)的便攜式履帶機(jī)器人移動(dòng)系統(tǒng)采用的是履帶式的結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)了機(jī)器人越障、爬坡性能并提高了環(huán)境適應(yīng)能力。 主要結(jié)構(gòu)如下圖所示 移動(dòng)方式 輪式 履帶式 腿式 移動(dòng)速度 快 較快 慢 越障能力 差 一般 好 復(fù)雜程度 簡(jiǎn)單 一般 復(fù)雜 能耗量 小 較小 大 控制難易 易 一般 復(fù)雜 23 圖 24 履帶式機(jī)器人結(jié)構(gòu)組成 驅(qū)動(dòng)電機(jī)及組件 總體 設(shè)計(jì) 方案如 圖 24 所示。采用后 輪驅(qū)動(dòng) ，差速 轉(zhuǎn)向 ，可實(shí)現(xiàn) 原地 360176。 轉(zhuǎn)向 。 擺臂電動(dòng) 機(jī) 驅(qū)動(dòng)擺臂 可在 360176。范 圍內(nèi) 旋 轉(zhuǎn) ，提高機(jī)器人跨越 溝槽 和爬越臺(tái)階的越障的能力和翻 轉(zhuǎn) 后自復(fù)位的功能。 根據(jù)井下環(huán)境對(duì)機(jī)器人的要求，主要設(shè)計(jì)性能參數(shù)如下 ：L1=600mm,L2=350mm,R=80mm,r=35mm,B(車體寬度 )=500mm。車體質(zhì)量為 50kg,擺臂質(zhì)量不超過(guò) 5kg,機(jī)器人做直線運(yùn)動(dòng)最大速度等于1m/s,自備電源運(yùn)行時(shí)間大于等于 4小時(shí)。最大越障高度 H=300mm，跨越最大溝壑寬度 C=500mm。如 25 圖： 圖 25 機(jī)器人尺寸大小 24 搜救機(jī)器人的移動(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)和擺臂結(jié)構(gòu) 移動(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu) 機(jī)器人的平臺(tái)結(jié)構(gòu)支持起 整個(gè)機(jī)器人的框架，為機(jī)器人安裝的各個(gè)部