轮足转换可飞行的陆空两栖搜救机器人

轮足转换可飞行的陆空两栖搜救机器人

关键词：轮足转换 搜救机器人

简介：

本机器人采用轮足复合转换以及空中旋翼飞行方式，可随时应用于多种复杂环境灾害现场的救援工作中，实时采集并通过无线传输现场环境图像、声音等信息，为救援人员制定救灾方案，及时开展救援工作提供决策信息依据。该机器人可应用于地震、火灾、水灾、有毒气体泄漏、爆炸等灾害现场。具有灵活性好、机动性强的特点，有较好的爬坡和越障能力，能适应现场各种各样的地理环境等多项优点。

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详细介绍：

一、作品设计、发明目的：由于自然灾害和各种突发事故等原因，灾难经常发生。石油化工等基础工业的飞速发展和进步，生产过程中的易燃易爆和剧毒化学制品也在急剧增长，由于设备以及管理等方面的原因，导致化学危险品和放射性物质泄漏以及燃烧、爆炸的事故隐患越来越多。随着工业化、城市化、市场化建设进程加快，高层建筑、地下空间、石油化工等易燃易爆场所大量涌现，火灾发生的机率以及危险性、复杂性、扑救难度都相应的增大，特别是有些地方盲目地搞一些违规建设，致使该区域事故发生比较多，这已成为现实生活中的严重问题。当灾害或事故发生，导致救援人员无法进入事故现场，这对搜救工作的展开造成了极大的困难，如果对现场情况不了解而冒然采取行动，往往会付出惨重代价。为此我们设计和制作了一款经济实用、灵活性好、机动性强，可靠性高、能应付各种灾难环境的轮足转换可飞行的陆空两栖搜救机器人。采用机器人，可以替代救援人员到达救灾现场，尤其是在危险性大或者救援人员不易接近的场合。本作品考虑到各种自然灾害及突发事故中现场环境复杂危险的情况，采用不同形态快速到达现场，将现场情况记录下来并传回，为制定进一步的救援方案提供依据，把损失降到最低程度。本作品主要应用于地震、火灾、水灾、有毒气体泄漏、爆炸等各种灾害与事故现场的勘察搜救。 二、基本思路：本机器人以陆空两用为设计理念，采用轮足复合转换以及空中旋翼飞行等多种形态，可应用于多种复杂环境下突发灾害及事故现场的搜救工作中，实时采集现场环境图像、声音等信息，通过无线传输方式将信息传回，为救援人员制定救灾方案、及时开展救援工作提供决策依据。在以飞行形态执行低空探测搜索任务过程中，如发现特殊或可疑情况，经由控制中心，可将机器人由飞行状态转换为陆地形态，以轮足复合转换方式近距离进行进一步的确认。当陆地非常平整时，为了提高行进速度，采用轮式形态行进；当遇有障碍物时转换成足式形态行进。通过近距离采集并传回更确切的现场情况，帮助工作中心做出更正确的决定，避免救援人员无谓的调动。 三、创新点：1.开发集轮式行走、足式行走、飞行于一体的搜救机器人，各运动方式可独立运行，具备轮足转换机构。2.为适应复杂多变的地形，设计仿生态步法，有效减小重心移动导致不平衡的效应，同时通过控制提高动作频率，从而提高行走效率。3.实现计算机、ARM嵌入式系统、ARDUINO-NANO之间的主从配合，从而对机器人多层次的控制。 注：针对以上关键创新点，我们已经申请了发明型专利和实用新型专利，其中，发明专利名称：一种多形态实时信息传输的救灾机器人，申请号：201310061566.0；实用新型专利名称：多形态实时信息传输的救灾机器人，申请号：201320089465.X。 四、技术关键：机器人由轮足转换机构、飞行装置、实时图像采集传输装置和控制系统组成，实现机器人在复杂恶劣环境下的监控、探测和搜救，并将获得的图像实时传输回计算机界面。1.轮足转换机构设计：结合机器人的实际地面工作环境和飞行机构的载重能力，利用三维仿真技术，选择强度高、密度小、重量轻的材料，设计出转换形式简单可靠的轮足转换机构。2.步法设计：为适应复杂多变的地形，设计仿生态步法，有效减小重心移动导致不平衡的效应，同时通过控制提高动作频率，从而提高行走效率。3.机器人设备连接与系统管理操作：考虑机器人的实际应用背景，利用远程网络数据交互技术，实现通用计算机远距离监控机器人。ARM嵌入式系统和ARDUINO-NANO协调控制机器人多路运动单元，从而对机器人多层次控制。4.图像数据传送和处理技术：机器人CMOS摄像头采集环境图像，交由ARM初步处理，并将图像数据通过无线网络传回到上位机软件，实现对灾区环境的实时监测。 五、主要技术指标：1.最大成像: 1300 x 1028 像素 （130万像素）；2.飞行高度：0-200m；3.续航时间：30min；4.远程控制距离：0-3000m；5.工作寿命：10年；6.工作温度：-20°- +80°C。 六、作品科学先进性说明：随着当今科技的发展，机器人应用普及率越来越高，而搜救机器人是机器人的一个新兴发展领域，属于危险作业机器人的一个分支，具有危险作业机器人的特点。本作品考虑到各种自然灾害、恐怖活动等突发事故中现场环境复杂危险，救援时间紧迫的现状，而设计出一款经济实用的轮足转换可飞行的陆空两栖搜救机器人，以提高受灾人员救援幸存率。本机器人采用轮足复合转换以及空中旋翼飞行方式，可随时应用于多种复杂环境灾害现场的救援工作中，实时采集无线传输现场环境图像、声音等信息，为救援人员制定救灾方案，及时开展救援工作提供决策信息依据。该机器人可应用于地震、火灾、水灾、有毒气体泄漏、爆炸等灾害现场。具有灵活性好、机动性强的特点，有较好的爬坡和越障能力，能适应现场各种各样的地理环境等多项优点。以下是本作品同其他类似功能作品的对比分析说明：目前国内研制的搜救机器人种类主要有轮履、飞行两种模式。轮履式机器人通过在地面行走，利于采集环境详细确切信息，但其监测范围有限，效率不高；而飞行模式机器人拥有空中优势，可以大范围采集灾害现场信息，虽弥补了轮履式机器人的缺陷，却无法采集更为精确详尽的信息数据，不利于救援人员做出有效及时的决策。如此说它们分别有明确的分工，但是还停留在各自工作层面。1.与轮履式搜救机器人的对比分析：该类机器人在地面可通过轮式进行快速移动，而使用履式可减少在杂乱复杂的环境中被卡阻的可能性。该类机器人车体的净空高度较小，只能在地面行走，其监测范围有限，效率低下。而本作品具有空中飞行能力，拥有空中优势，可以大范围采集灾害现场信息。2.与摇杆式履带悬架搜救机器人的对比分析：该类机器人采用对称的W 形履带悬架，通过增加摆臂履带和固定关节角，被动地适应崎岖的非结构地形。该类机器人的越障性能严重受到自身体积尺寸限制，灵活性差，因而应用范围较为局限，一般只应用于煤矿救灾。而本作品可在多种形态下工作，越障性能不受自身体积的限制，机动性强，能有效应用于各种救灾救援活动。3.与飞行搜救机器人的对比分析：该类机器人主要在空中飞行，向操作人员提供目标区域的空中情报。但该类机器人能耗大，持久性低，成本高。而本作品在飞行的基础上融合入了轮足的工作模式，能根据实际情况合理地采用最佳工作模式，从而降低能耗，大大增长工作周期。 七、获奖及鉴定结果：1.2013年5月在 “第十二届‘挑战杯’广东大学生课外学术科技作品竞赛终审竞赛”中获得特等奖 2.在教育部科技查新工作站(G13)中进行国内查新，查新鉴定为在国内文献及数据库检索范围内，未见有与本查新委托项目“多形态实时信息传输的救灾机器人”查新点内容完全相同的文献报道，报告编号：201336000G130003 3.已申请发明专利，申请获得国家知识产权局专利受理，申请号：201310061566.0 4.已申请实用新型专利，申请获得国家知识产权局专利受理，申请号：201320089465.X 八、使用说明：当事故或灾害发生时，为了迅速到达现场，将以飞行形态到达现场上空。在以飞行形态执行低空探测搜救任务过程中，如发现特殊或可疑情况，经由工作中心控制，可以由空中飞行形态转换为陆地形态，以轮足复合转换方式做出进行进一步的确认，如果道路平坦，采用轮式形态，可加快运行速度；遇到障碍轮子无法越过时，转换成足式形态。此时可近距离采集并传回更确切的图像信息，帮助工作中心做出正确的决定，避免救援人员无谓的调动。二、作品的技术特点和优势 ：1.本机器人采用轮足复合转换以及空中旋翼飞行方式，可应用于多种复杂环境灾害现场的勘察搜救工作中，适用范围广。2.能实时采集并无线传输现场环境图像、声音等信息，为救援人员制定救灾方案，及时开展救援工作提供决策信息依据。3.该机器人具有灵活性好、适应性强的特点，有较好的爬坡和越障能力，能适应现场各种各样的地理环境等多项优点。　　 九、作品适用范围及推广前景：总的来说，该机器人主要用于各种灾难、事故现场中的现场侦察和搜救，便于做出正确的决策。也可用于交通、大型活动等的巡航。它能大大减少不必要的人力消耗，以及保障人生安全，所以它是未来极具推广性的实用型产品。世界上每年发生的地质灾害以及各类事故不计其数，使用轮足转换可飞行的陆空两栖搜救机器人能大大减少不必要的人力消耗，以及保障人生安全，及时快速了解灾害及事故现场的实际情况，最大限度地减少损失。可以看出，本作品具有非常广阔的推广应用前景。 十、市场分析和经济效益预测：该机器人能实时采集诸如现场图像画面，障碍物等信息。通过无线传输模块，能在上位机显示出现场的准确环境信息，并可监控机器人的运行状态，另外还可通过上位机远程遥控机器人执行动作。近几年，全球灾难频发，给人民群众的生命和财产带来了严重的损失。在某些救灾场合，救援人员如果在未知灾难现场的动态就强行进入进行抢险工作的话，很有可能面临严峻的危险考验。本项目旨在发明一款能替代救援人员进入灾难现场进行环境信息采集、具备一定自主性的半智能型搜救机器人。该机器人携带众多能感知环境参数的传感器，能实时采集诸如气体含量，现场图像画面，障碍物等信息。通过无线传输模块，能在上位机上显示出现场的准确环境信息，并可监控机器人的运行状态，另外还可通过上位机远程遥控机器人执行动作。可以看出，本作品在抢险救灾时将起到非常重要的作用，可以大大降低危险性，提高抢险救灾的成功率，可大大减小经济损失和人员伤亡，其经济效益不言而喻。 十一、当前国内外同类课题研究水平概述：经教育部科技查新工作站(G13)查新结果显示，在国内文献及数据库检索范围内，国内未见有与 “多形态实时信息传输的救灾机器人”查新点内容完全相同的文献报道，详细资料请看附件的科技查新报告。根据网上的初步搜索资料了解，目前对于轮足转换机器人，以及飞行机器人的单独研究开发都有相关的技术知识文献可以查询学习，但是对于结合两者的多功能、多用途、应用面极广的轮足转换可飞行机器人的研发仍然处于少数，所以本次申报的项目还是极具挑战性、实用性的作品。1.国外研究现状：在国外，搜救机器人发展迅速，技术日益成熟，并进入实用化阶段，日本、美国、英国等已开始装备使用。在灾难现场中，搜救机器人应能迅速找到幸存者的位置。日本大阪大学研制出蛇形机器人，能在高低不平的模拟废墟上前进，其顶端带有一部小型监视器,身体部位安装传感器，可以在地震后的废墟里寻找幸存者。美国iRobot公司研制了PackBot系列机器人，能适应崎岖不平的地形环境和爬楼梯，主要执行侦察任务、寻找幸存者、勘探化学品泄漏等任务。InuKtun公司研制了机器人MicroVGTV，机身可变位，采用电缆控制，含有直视的彩色摄像头，并带有微型话筒和扬声器，可用于与压在废墟中的幸存者通话，适用于在小的孔洞和空间中执行任务。除了前面的中小型搜救机器人，微型搜救机器人也正在研究中，美国加州大学伯克利分校研制出世界第一个苍蝇机器人，通过装在它脑袋上的微型传感器与微型摄像机，可以到倒塌的建筑物废墟底下或其他灾难场所寻找幸存者。2.国内研究现状：在国内，搜救机器人的研究刚刚起步，但进展很快。中科院沈阳自动化所在2002年研制了一种蛇形机器人，由16个单自由度关节模块和蛇头、蛇尾组成，在监控系统的无线控制下可实现蜿蜒前进、后退、侧移、翻滚等多种动作，并能通过安装在蛇头上的微型摄像头将现场图像传回监控系统。国防科技大学在2001年也研制了一种蛇形机器人。中国矿业大学在“211工程”的支持下，已开始研制煤矿搜救机器人。

设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标

一、作品设计、发明目的：当灾害或事故发生，导致救援人员无法进入事故现场。如果对现场情况不了解而冒然采取行动，往往会付出惨重代价。为此我们设计和制作了一款经济实用、灵活性好、机动性强，可靠性高、能应付各种灾难环境的轮足转换可飞行的陆空两栖搜救机器人，替代救援人员到达救灾现场。 二、基本思路：本机器人以陆空两用为设计理念，采用轮足复合转换以及空中旋翼飞行等多种形态，可应用于多种复杂环境下突发灾害及事故现场的勘察搜救工作中，实时采集现场环境图像、声音等信息，通过无线传输方式将信息传回，为救援人员制定救灾方案、及时开展救援工作提供决策依据。 三、创新点：1.开发集轮式行走，足式行走，飞行于一体的搜救机器人，各运动方式可独立运行，具备轮足转换机构。2.为适应复杂多变的地形，设计仿生态步法，有效减小重心移动导致不平衡的效应，同时通过控制提高动作频率，从而提高行走效率。3.实现计算机、ARM嵌入式系统、ARDUINO-NANO之间的主从配合，从而对机器人多层次的控制。 四、技术关键：1.轮足转换机构设计2.步法设计3.机器人设备连接与系统管理操作4.图像数据传送和处理技术 五、主要技术指标1.最大成像: 1300 x 1028 像素；2.飞行高度：0-200m；3.续航时间：30min；4.远程控制距离：0-3000m；5.工作寿命：10年；6.工作温度：-20°- +80°C。

科学性、先进性

　　　随着当今科技的发展，机器人应用普及率越来越高，而搜救机器人是机器人的一个新兴发展领域，属于危险作业机器人的一个分支，具有危险作业机器人的特点。本作品考虑到各种自然灾害、恐怖活动等突发事故中现场环境复杂危险，救援时间紧迫的现状，而设计出一款经济实用的轮足转换可飞行的陆空两栖搜救机器人，以提高受灾人员救援幸存率。 　　　本机器人采用轮足复合转换以及空中旋翼飞行方式，可随时应用于多种复杂环境灾害现场的救援工作中，实时采集无线传输现场环境图像、声音等信息，为救援人员制定救灾方案，及时开展救援工作提供决策信息依据。该机器人可应用于地震、火灾、水灾、有毒气体泄漏、爆炸等灾害现场。具有灵活性好、机动性强的特点，有较好的爬坡和越障能力，能适应现场各种各样的地理环境等多项优点。

同类课题研究水平概述

根据网上的初步搜索资料了解，目前对于轮足转换机器人，以及飞行机器人的单独研究开发都有相关的技术知识文献可以查询学习，但是对于结合两者的多功能、多用途、应用面极广的轮足转换可飞行机器人的研发仍然处于少数，所以本次申报的项目还是极具挑战性、实用性的作品。1.国外研究现状:在国外，搜救机器人发展迅速，技术日益成熟，并进入实用化阶段，日本、美国、英国等已开始装备使用。在灾难现场中，搜救机器人应能迅速找到幸存者的位置。日本大阪大学研制出蛇形机器人，能在高低不平的模拟废墟上前进，其顶端带有一部小型监视器,身体部位安装传感器，可以在地震后的废墟里寻找幸存者。美国iRobot公司研制了PackBot系列机器人，能适应崎岖不平的地形环境和爬楼梯，主要执行侦察任务、寻找幸存者、勘探化学品泄漏等任务。InuKtun公司研制了机器人MicroVGTV，机身可变位，采用电缆控制，含有直视的彩色摄像头，并带有微型话筒和扬声器，可用于与压在废墟中的幸存者通话，适用于在小的孔洞和空间中执行任务。除了前面的中小型搜救机器人，微型搜救机器人也正在研究中，美国加州大学伯克利分校研制出世界第一个苍蝇机器人，通过装在它脑袋上的微型传感器与微型摄像机，可以到倒塌的建筑物废墟底下或其他灾难场所寻找幸存者。2.国内研究现状：在国内，搜救机器人的研究刚刚起步，但进展很快。中科院沈阳自动化所在2002年研制了一种蛇形机器人，由16个单自由度关节模块和蛇头、蛇尾组成，在监控系统的无线控制下可实现蜿蜒前进、后退、侧移、翻滚等多种动作，并能通过安装在蛇头上的微型摄像头将现场图像传回监控系统。国防科技大学在2001年也研制了一种蛇形机器人。中国矿业大学在“211工程”的支持下，已开始研制煤矿搜救机器人。