【正文】 臺(tái)階的過(guò)程，將其攀爬連續(xù)臺(tái)階的過(guò)程根據(jù)其幾何構(gòu)形特征的尺寸簡(jiǎn)化為攀爬斜坡或依次攀爬臺(tái)階的情況．因此，只需著重分析機(jī)器人攀爬臺(tái)階、斜坡以及跨越溝道的越障運(yùn)動(dòng)機(jī)理．為了便于研究履帶機(jī)器人的越障機(jī)理，首先對(duì)固定雙履帶機(jī)器人的越障機(jī)理進(jìn)行研究． 機(jī)器人跨越臺(tái)階 （ 1）越障機(jī)理分析 當(dāng)機(jī)器人在爬越臺(tái)階時(shí)，機(jī)器人履帶底線與地面之間的夾角將隨時(shí)間而逐漸增加，其重 心越過(guò)臺(tái)階的支撐點(diǎn)時(shí)，機(jī)器人就跨過(guò)了臺(tái)階完成爬越動(dòng)作。 越障分析 機(jī)器人的大小要能使其越過(guò)一些一些經(jīng)常出現(xiàn)在煤礦廢墟里的各種障礙，我們需要計(jì)算機(jī)器人所能跨越的高度，溝壑以及在一些斜坡上的運(yùn)動(dòng)情況。前導(dǎo)輪安裝在一個(gè)短軸上，而短軸也是通過(guò)六角螺母嵌到翼板上的。采用花鍵的原因是安裝方便。 25 為了使擺臂轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)能夠支撐起車體，車體前方的輸出軸是由擺臂電機(jī)經(jīng)減速器輸出的。 （ 2） 360度轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，能夠支撐起車體。其下層大體形狀如下圖 26 圖 26 機(jī)器人箱體結(jié)構(gòu) 擺臂結(jié)構(gòu) 擺臂的作用是是機(jī)器人在越障時(shí)起輔助作用， 使機(jī)器人受力情況改變，更加靈活的適應(yīng)崎嶇的環(huán)境。機(jī)器人主體使用后輪驅(qū)動(dòng)，差速轉(zhuǎn)向，移動(dòng)動(dòng)力由齒輪帶動(dòng)履帶，使主體移動(dòng)。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)部件提供安裝的固定支架，并且能保護(hù)機(jī)器人內(nèi)部的部件，防止出現(xiàn)意外使其損壞。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)。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。 轉(zhuǎn)向 。 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。 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。 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)。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。因此，履帶式廣泛用在各類建筑機(jī)械及軍用車輛上。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。 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。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。 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。 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?？刂频慕嵌瓤?，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)。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。 （ 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。 （ 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。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。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。 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。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。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。 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。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)。 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)。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。 （ 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。 （ 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。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。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。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。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。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。 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。 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。 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)。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。 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。 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。相比而言，機(jī)器人會(huì)更有優(yōu)勢(shì)。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。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。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。 Talon 配備了各種最先進(jìn)的感應(yīng)器，可以檢測(cè)出化學(xué)戰(zhàn)劑、放射線和許多其他的潛在危險(xiǎn) ，如圖 114。這款回轉(zhuǎn)穩(wěn)定的機(jī)器人很容易進(jìn)行轉(zhuǎn)圈，便于控制，此外它還配備了一個(gè)穩(wěn)定的照相機(jī)平臺(tái)，可用于搜救人員等方面 ，如圖 113。 它是由 First Response Robotics 公司 生產(chǎn)，配備了一個(gè)Kevlar 機(jī)體的、防水的無(wú)線夜視照相機(jī)，只需 3 分鐘就可以走出運(yùn)輸箱并開(kāi)始工作。這款四輪驅(qū)動(dòng)的電子平臺(tái)可以自動(dòng)運(yùn)作或者遠(yuǎn)程遙控 ，如圖 111。它配備了一只鉸接桿和化學(xué)制品、氣體和 /或放射性物質(zhì)感應(yīng)器。 11 圖 110 teleMax 機(jī)器人 圖 110 是正在進(jìn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)協(xié)會(huì)響應(yīng)評(píng)價(jià)的 teleMax機(jī)器人。 圖 19 中顯示的是 Mesa Robotics 公司生產(chǎn)的 Matilda 機(jī)器人在受災(zāi)城市中的操作帳篷內(nèi)等候病人。 該中心是在 1997 年開(kāi)放的，由大學(xué)的得克薩斯工程擴(kuò)展服務(wù)（ Texas Engineering Extension Service）負(fù)責(zé)運(yùn)作，它主要被用來(lái)培訓(xùn)得克薩斯州應(yīng)急反應(yīng)部隊(duì)以及來(lái)自全球各地的消防隊(duì)員和救援隊(duì)員。 10 圖 19 Mesa Robotics 公司生產(chǎn)的 Matilda 機(jī)器人 名為 Eyeball、 Dragon Runner、 ToughBot、 Marv、 Matilda 和 Talon的機(jī)器人在上周勇敢地參與了得克薩斯州 Aamp。 圖 18 搜救機(jī)器人用于礦難救援 （ 2） 搜救機(jī)器人亮相得克薩斯 可檢測(cè)出眾多潛在危險(xiǎn) 一批勇敢的機(jī)器人在上周參與了得克薩斯州受災(zāi)城市培訓(xùn)中心的模擬救援工作。為了從水平方向?qū)虑闆r進(jìn)行探測(cè) ,美國(guó)勞工部礦 業(yè)安全與衛(wèi)生局通過(guò)深孔向井下派出了一個(gè)救援機(jī)器人 ,如圖 18所示。事故發(fā)生后 ,救援人員使用 GPS 測(cè)定被困礦工的方位 ,然后從地面上鉆了 3 個(gè)深孔 ,以便給井下輸送氧氣 ,同時(shí)期望對(duì)井下的狀況進(jìn)行檢測(cè)。如蛇形機(jī)器人 近年來(lái) , 特別是 2021 年以來(lái) ,以蛇形機(jī)器人為代表的仿生機(jī)器人正在成 為新的研究熱點(diǎn) ,且已經(jīng)取得不少突破性研究成果 。 可變形的機(jī)器人靈活性好，越障能力因可變形而有所提升，體積可小可大，適用范圍更廣。隨著技術(shù)的不斷成熟和發(fā)展以及救援工 作的需要 ,組建機(jī)器人救援隊(duì)實(shí)現(xiàn)在復(fù)雜的非結(jié)構(gòu)化未知環(huán)境中進(jìn)行快速搜索將會(huì)成為可能。 移動(dòng)性是救援機(jī)器人開(kāi)展搜救工作的基礎(chǔ)和前提 ,災(zāi)難現(xiàn)場(chǎng)的復(fù)雜性對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)能力提出了很高的要求 ,目前可根據(jù)搜救現(xiàn)場(chǎng)空間大小而改變形狀和大小的可變形多態(tài)機(jī)器人 ,根據(jù)仿生學(xué)原理具有更強(qiáng)移動(dòng)搜索能力、體積更小的仿生機(jī)器人成為研究熱點(diǎn)。有些障礙物對(duì) 8 于人類不算什么，但是對(duì)于目前的機(jī)器人卻是個(gè)高不可攀的大山。由于技術(shù)發(fā)展的限制，很多機(jī)器人只能在一個(gè)方面使用，沒(méi)有幾種多功能的搜救機(jī)器人，但是很多機(jī)器人又有相同的地方。 圖 17 煤礦搜救機(jī)器人 (樣機(jī) ) 以上是目前世界上的搜救機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀。 同時(shí)，機(jī)器人還能攜帶急救藥品、生命維持液、食品和千斤頂、撬棍等自救工具以協(xié)助被困人員實(shí)施自救和逃生。 由葛世榮教授領(lǐng)導(dǎo)的科研小組正在研制使用中繼站式無(wú)線通訊方式，成功后將可實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人 公里范圍內(nèi)的無(wú)線控制。 圖 16 空中搜索探測(cè)機(jī)器人、廢墟表面搜救機(jī)器人 國(guó)內(nèi)首臺(tái)煤礦搜救機(jī)器人 (樣機(jī) )在江蘇徐州誕生，該機(jī)器人由中國(guó)礦業(yè)大學(xué)可靠性與救災(zāi)機(jī)器人研究所研制。 在 地震發(fā)生后，針對(duì)亂石之中被埋在撫恤下的生命很難發(fā)現(xiàn)，“如果有能穿越亂石的機(jī)器人，也 許就可以發(fā)現(xiàn)廢墟下的生命跡象從而救出更多的人！“謝敬濤等 5 位重慶交大的 5位同學(xué)經(jīng)過(guò)商量后便有這個(gè)想法，發(fā)明一個(gè)越障能力強(qiáng)的機(jī)器人 蛇形機(jī)器人（圖 15） . 6 圖 15 重慶交大的 能翻越障礙的機(jī)器人 由 中科院 沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所 機(jī)器人 學(xué)國(guó)家 重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研制的空中搜索探測(cè)機(jī)器人、廢墟表面搜救機(jī)器人 (如圖 16),在位于北京西郊鳳凰嶺的國(guó)家地震緊急救援訓(xùn)練基地完成了綜合調(diào)試演練，并達(dá)到了預(yù)期性能指標(biāo)。隨著技術(shù)的不斷成熟，相信蛇形、蠅 形等仿生機(jī)器人會(huì)在災(zāi)難搜救工作中發(fā)揮越來(lái)越大的不可替代的特殊作用。圖 4（ b）為日本大阪大學(xué)研制的蛇形機(jī)器人。為了滿足對(duì)更狹小空間搜索的需要，人們根據(jù)生態(tài)學(xué)原理研制了各種體積更小的仿生機(jī)器人，其中蛇形機(jī)器人就是其中很重要的一類。圖 13 為加拿大 inuktun 公司 MicroVGTV 多態(tài)搜 4 救機(jī)器人，他可以根據(jù)搜索通道的大小及搜尋范圍的遠(yuǎn)近靈活地調(diào)整形狀和尺寸。 （ a）FosterMiller 公司（ b） Inuktun 公司的 （ c） SPAWAR 的 的 SOLEM 機(jī)器人 Minitrac 機(jī)器人 urbot 機(jī)器人 圖 11 機(jī)器人公司給出的典型產(chǎn)品 （ 2）可變性（多態(tài)）搜救機(jī)器人 為了能進(jìn)入狹小空間展開(kāi)搜救工作，要求機(jī)器人的體積要盡可能小，但體積小了搜索視野就會(huì)受到限制，為了解決這已矛盾，近年來(lái)在傳統(tǒng)牽引式多態(tài)搜救機(jī)器人。 （ 1）履帶式機(jī)搜救機(jī)器人 履帶式機(jī)器人是為了滿足軍事偵察、拆除危險(xiǎn)物等作業(yè)的需要，在傳統(tǒng)的輪式移動(dòng)機(jī)器人的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。 （ 2）課題研究的科學(xué)意義 搜救機(jī)器人的研發(fā)，在 很大程度上彌補(bǔ)了我們?cè)谒丫阮I(lǐng)域的不足，為后期更好的擴(kuò)展，奠定了基礎(chǔ)。機(jī)器人由于其天生的多自由度，多冗余自由度，可以在狹小的空間內(nèi)穿梭，可以滿足在復(fù)雜環(huán)境中搜救、偵查、排除爆炸物等反恐任務(wù)。搜救機(jī)器人的研究可以彌補(bǔ)我們這方面的不足，對(duì)社會(huì)產(chǎn)生大的經(jīng)濟(jì)效益。人類本體的搜救能力越來(lái)越顯得拘束，人類在智慧上超出動(dòng)物很多，但在特定環(huán)境的適應(yīng)上就要比動(dòng)物差很多。 課題研究的背景及意義 課題研究的背景 機(jī)器人是人類智慧的