海陸空全方位救援搜尋機(jī)器人平臺(tái)研究

江亞龍 殷 建 吳 凱

（銅陵學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，安徽 銅陵 244000）

0 引言

在21世紀(jì)的今天，隨著自然災(zāi)害、恐怖活動(dòng)和各種突然事故發(fā)生的越來越多，在災(zāi)難救援中，救援人員用較短的時(shí)間在廢墟中尋找幸存者的幾率比較小，在這種緊急而危險(xiǎn)的情況下，救援機(jī)器人可以為救援人員提供有效的幫助。因此，將具有自主智能的救援機(jī)器人用于危險(xiǎn)而復(fù)雜的環(huán)境中搜索和營救幸存者是非常實(shí)用的。

搜救機(jī)器人的研究給搜救工作帶來很大的方便，在搜尋救援機(jī)器人的研究方面，近十年來,美國、日本等西方發(fā)達(dá)國家在地震、火災(zāi)等救援機(jī)器人的研究方面做了大量的工作，研究出了各種可用于災(zāi)難現(xiàn)場救援的機(jī)器人。日本大阪大學(xué)研制出蛇形機(jī)器人，能在高低不平的模擬廢墟上前進(jìn)，其頂端帶有1部小型監(jiān)視器，身體部位安裝傳感器，可以在地震后的廢墟里尋找幸存者。美國加州大學(xué)伯克利分校研制出世界第一個(gè)蒼蠅機(jī)器人，通過裝在它腦袋上的微型傳感器與微型攝像機(jī)，可以到倒塌的建筑物廢墟底下或其他災(zāi)難場所尋找幸存者。而國內(nèi)現(xiàn)在針對救援機(jī)器人的研究相對分散，在國內(nèi)，救災(zāi)機(jī)器人的研究剛剛起步，但進(jìn)展很快。國內(nèi)的礦用機(jī)器人發(fā)展主要是在探測機(jī)器人方面。中科院沈陽自動(dòng)化所在2002年研制了一種蛇形機(jī)器人，在監(jiān)控系統(tǒng)的無線控制下可實(shí)現(xiàn)蜿蜒前進(jìn)后退側(cè)移翻滾等多種動(dòng)作，并能通過安裝在蛇頭上的微型攝像頭將現(xiàn)場圖像傳回監(jiān)控系統(tǒng)。2006年6月，中國礦業(yè)大學(xué)的機(jī)器人研究所成功研制了 “CUMT-1”礦井救災(zāi)機(jī)器人，并對救災(zāi)機(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)做了一些有益的嘗試，這是我國第一臺(tái)用于煤礦救援的礦井搜救機(jī)器人。

1 研究內(nèi)容

本設(shè)計(jì)的是一款海陸空全方位防爆搜救機(jī)器人平臺(tái) （如圖1所示），本設(shè)計(jì)平臺(tái)是基于履帶式小車，進(jìn)行完善加工改裝后，配備五自由度機(jī)械手、小型水下機(jī)器人、蛇形機(jī)器人、飛行器等綜合一體全方位搜尋系統(tǒng)，可在各種惡劣復(fù)雜環(huán)境下執(zhí)行搜尋救援任務(wù)，可靠性高，適應(yīng)性強(qiáng)，可用于地震搶險(xiǎn)救災(zāi)，石油化工工廠防爆救援。在陸上使用履帶式小車配合機(jī)械手執(zhí)行搜尋救援作業(yè)，在狹小廢墟中使用蛇形機(jī)器人進(jìn)行搜尋任務(wù)，而在水中則使用小型潛水器進(jìn)行搜尋作業(yè)，使用空中飛行器搜尋解決小車視野范圍小的缺點(diǎn)。整個(gè)搜尋救援系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，可根據(jù)不同任務(wù)需要來選擇相應(yīng)的模塊，本次創(chuàng)新設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于多個(gè)機(jī)器人之間的協(xié)同工作，設(shè)計(jì)一個(gè)多任務(wù)信息融合 處理控制平臺(tái)。

圖1 搜救機(jī)器人平臺(tái)圖

1.1 在地面上實(shí)施任務(wù)的設(shè)備

主要采用小車，因?yàn)槁窙r不明情況復(fù)雜，不同的場所路況不盡相同，因此需要研究尋找到一種能夠適應(yīng)各種復(fù)雜路況各種惡劣環(huán)境的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，現(xiàn)有的救災(zāi)機(jī)器人移動(dòng)機(jī)構(gòu)主要有：無肢運(yùn)動(dòng)(以蛇形機(jī)器人為主)、輪式、腿式、和履帶式等。經(jīng)過多次對比，采用履帶驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。移動(dòng)載體的任務(wù)是執(zhí)行機(jī)器人的移動(dòng)功能，采用關(guān)節(jié)型履帶移動(dòng)車可以更好的實(shí)現(xiàn)在危險(xiǎn)環(huán)境下的救援工作。

在此項(xiàng)目中，機(jī)械手臂擔(dān)任很重要的角色。絕大多數(shù)的救援操作都需要機(jī)械手臂來完成，可以用來清理小車前方的障礙物，夾取可供研究的樣品，在排爆用途中，代替人工操作，可以遠(yuǎn)程遙控運(yùn)輸，清除爆炸物品，減少排爆人員的危險(xiǎn)。機(jī)械手可以取下或收回小車上的模塊，比如小型潛水器等，機(jī)械手的關(guān)節(jié)由多個(gè)伺服電機(jī)組成，可以執(zhí)行各種復(fù)雜的動(dòng)作，動(dòng)作精確，機(jī)械手模塊采用液壓控制系統(tǒng)，使得機(jī)械手在某些場合可以輸出更大的作用力，比如，在地震搶險(xiǎn)救災(zāi)中，可以搬運(yùn)沉重的物資，清理道路等。但是無論越障能力再強(qiáng)，也有機(jī)器人自身大小無法克服的障礙，因此是機(jī)器人選擇適當(dāng)?shù)穆窂揭彩呛苤匾?。為了使機(jī)器人能夠感知路面情況，從而選擇有利行走的線路，達(dá)到目標(biāo)位置。我們?yōu)榇嗽O(shè)計(jì)了攝像機(jī)構(gòu)，通過攝像對路面情況的反應(yīng)，在救災(zāi)人員的遙控下，選擇最佳的行走路線。為了更多的發(fā)揮攝像機(jī)的功能，我們基于監(jiān)控技術(shù)中的云臺(tái)理念，使攝像機(jī)能夠監(jiān)控到各個(gè)方向的信息。全方位云臺(tái)內(nèi)部有兩個(gè)舵機(jī)，分別負(fù)責(zé)云臺(tái)的上下和左右各方向的轉(zhuǎn)動(dòng)。將攝像頭放在云臺(tái)上，就可以控制攝像頭的上下，左右的選擇，大大提升了攝像頭的功能

1.2 小型水下機(jī)器人的設(shè)計(jì)

采用小型潛水器，該小型潛水器使用一根纜線與小車相連，通過纜線給小型潛水器提供動(dòng)力能源以及與小車平臺(tái)間的通訊等。小型潛水器的前端裝有防水微型攝像頭，此攝像頭具有很高的像素，可以清楚地拍攝到水中的畫面，旁邊并裝有高亮度的LED燈，增加視野，具有很強(qiáng)的防水性、抗壓性，小型潛水器可以將拍攝的畫面及時(shí)傳送給小車平臺(tái)，小車平臺(tái)再將信號傳輸給上位機(jī)。當(dāng)需要使用潛水器時(shí)，可用車載機(jī)械手將潛水器送入水中，或者將潛水器從水中收回。小型潛水器由PC上位機(jī)控制，它將信號無線傳輸給小車，小車通過纜線將控制信號傳輸給小型潛水器，從而進(jìn)行控制，小型潛水器兩邊裝有魚鰭，魚鰭上裝有伺服電機(jī)，從而控制魚鰭的角度，進(jìn)而控制潛水器下潛與上升，潛水器的左右轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)通過安裝在尾部的舵板進(jìn)行控制，在小型潛水器上安裝有聲吶系統(tǒng)，可以探測四周的情況，及時(shí)了解周圍環(huán)境，從而進(jìn)行壁障，以免發(fā)生碰撞，從而保證機(jī)器的安全。

1.3 空中飛行機(jī)器人

在救援人員無法進(jìn)入的某些地方，機(jī)器人能通過在空中尋找生還人員，通過攝像頭捕捉畫面，并通過無線傳輸?shù)骄仍笓]部門。這樣救援人員就能確定幸存者的具體位置，并能通過拍攝的畫面確定營救方案。

2 總結(jié)

本文以海陸空搜救機(jī)器人系統(tǒng)之小車作為研究的對象，通過將小車與水下機(jī)器人、飛行器、蛇形機(jī)器人之間的相互配合，相互協(xié)同，極大地拓展了搜救機(jī)器人的適應(yīng)環(huán)境的能力及執(zhí)行任務(wù)的復(fù)雜性與可靠性。本系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)陸上、空中、水下作業(yè)，系統(tǒng)采用的履帶式結(jié)構(gòu)，可以在復(fù)雜路況中移動(dòng)，適應(yīng)性強(qiáng)，平臺(tái)上的蛇形機(jī)器人，可以在小車無法到達(dá)的狹小的間里工作，如地震后的廢墟，各種深井等，平臺(tái)上的小型潛水器可以在水下進(jìn)行作業(yè)，如探測，攝像，掃描等，平臺(tái)上的四軸飛行器可以隨時(shí)工作，為系統(tǒng)提供更廣泛的視野，抵達(dá)小車無法到達(dá)的上空。本系統(tǒng)用途廣泛，可為各種復(fù)雜的搜救工作提供強(qiáng)有力的支援，減小搶險(xiǎn)消防員的危險(xiǎn)與工作強(qiáng)度，且效率更高，為救災(zāi)防爆工作提供了強(qiáng)有力的保障等。

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