輪足轉換可飛行的陸空兩棲搜救機器人

輪足轉換可飛行的陸空兩棲搜救機器人

關鍵詞：輪足轉換 搜救機器人

簡介：

本機器人采用輪足復合轉換以及空中旋翼飛行方式，可隨時應用于多種復雜環境災害現場的救援工作中，實時采集并通過無線傳輸現場環境圖像、聲音等信息，為救援人員制定救災方案，及時開展救援工作提供決策信息依據。該機器人可應用于地震、火災、水災、有毒氣體泄漏、爆炸等災害現場。具有靈活性好、機動性強的特點，有較好的爬坡和越障能力，能適應現場各種各樣的地理環境等多項優點。

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詳細介紹：

一、作品設計、發明目的：由于自然災害和各種突發事故等原因，災難經常發生。石油化工等基礎工業的飛速發展和進步，生產過程中的易燃易爆和劇毒化學制品也在急劇增長，由于設備以及管理等方面的原因，導致化學危險品和放射性物質泄漏以及燃燒、爆炸的事故隱患越來越多。隨著工業化、城市化、市場化建設進程加快，高層建筑、地下空間、石油化工等易燃易爆場所大量涌現，火災發生的機率以及危險性、復雜性、撲救難度都相應的增大，特別是有些地方盲目地搞一些違規建設，致使該區域事故發生比較多，這已成為現實生活中的嚴重問題。當災害或事故發生，導致救援人員無法進入事故現場，這對搜救工作的展開造成了極大的困難，如果對現場情況不了解而冒然采取行動，往往會付出慘重代價。為此我們設計和制作了一款經濟實用、靈活性好、機動性強，可靠性高、能應付各種災難環境的輪足轉換可飛行的陸空兩棲搜救機器人。采用機器人，可以替代救援人員到達救災現場，尤其是在危險性大或者救援人員不易接近的場合。本作品考慮到各種自然災害及突發事故中現場環境復雜危險的情況，采用不同形態快速到達現場，將現場情況記錄下來并傳回，為制定進一步的救援方案提供依據，把損失降到最低程度。本作品主要應用于地震、火災、水災、有毒氣體泄漏、爆炸等各種災害與事故現場的勘察搜救。 二、基本思路：本機器人以陸空兩用為設計理念，采用輪足復合轉換以及空中旋翼飛行等多種形態，可應用于多種復雜環境下突發災害及事故現場的搜救工作中，實時采集現場環境圖像、聲音等信息，通過無線傳輸方式將信息傳回，為救援人員制定救災方案、及時開展救援工作提供決策依據。在以飛行形態執行低空探測搜索任務過程中，如發現特殊或可疑情況，經由控制中心，可將機器人由飛行狀態轉換為陸地形態，以輪足復合轉換方式近距離進行進一步的確認。當陸地非常平整時，為了提高行進速度，采用輪式形態行進；當遇有障礙物時轉換成足式形態行進。通過近距離采集并傳回更確切的現場情況，幫助工作中心做出更正確的決定，避免救援人員無謂的調動。 三、創新點：1.開發集輪式行走、足式行走、飛行于一體的搜救機器人，各運動方式可獨立運行，具備輪足轉換機構。2.為適應復雜多變的地形，設計仿生態步法，有效減小重心移動導致不平衡的效應，同時通過控制提高動作頻率，從而提高行走效率。3.實現計算機、ARM嵌入式系統、ARDUINO-NANO之間的主從配合，從而對機器人多層次的控制。 注：針對以上關鍵創新點，我們已經申請了發明型專利和實用新型專利，其中，發明專利名稱：一種多形態實時信息傳輸的救災機器人，申請號：201310061566.0；實用新型專利名稱：多形態實時信息傳輸的救災機器人，申請號：201320089465.X。 四、技術關鍵：機器人由輪足轉換機構、飛行裝置、實時圖像采集傳輸裝置和控制系統組成，實現機器人在復雜惡劣環境下的監控、探測和搜救，并將獲得的圖像實時傳輸回計算機界面。1.輪足轉換機構設計：結合機器人的實際地面工作環境和飛行機構的載重能力，利用三維仿真技術，選擇強度高、密度小、重量輕的材料，設計出轉換形式簡單可靠的輪足轉換機構。2.步法設計：為適應復雜多變的地形，設計仿生態步法，有效減小重心移動導致不平衡的效應，同時通過控制提高動作頻率，從而提高行走效率。3.機器人設備連接與系統管理操作：考慮機器人的實際應用背景，利用遠程網絡數據交互技術，實現通用計算機遠距離監控機器人。ARM嵌入式系統和ARDUINO-NANO協調控制機器人多路運動單元，從而對機器人多層次控制。4.圖像數據傳送和處理技術：機器人CMOS攝像頭采集環境圖像，交由ARM初步處理，并將圖像數據通過無線網絡傳回到上位機軟件，實現對災區環境的實時監測。 五、主要技術指標：1.最大成像: 1300 x 1028 像素 （130萬像素）；2.飛行高度：0-200m；3.續航時間：30min；4.遠程控制距離：0-3000m；5.工作壽命：10年；6.工作溫度：-20°- +80°C。 六、作品科學先進性說明：隨著當今科技的發展，機器人應用普及率越來越高，而搜救機器人是機器人的一個新興發展領域，屬于危險作業機器人的一個分支，具有危險作業機器人的特點。本作品考慮到各種自然災害、恐怖活動等突發事故中現場環境復雜危險，救援時間緊迫的現狀，而設計出一款經濟實用的輪足轉換可飛行的陸空兩棲搜救機器人，以提高受災人員救援幸存率。本機器人采用輪足復合轉換以及空中旋翼飛行方式，可隨時應用于多種復雜環境災害現場的救援工作中，實時采集無線傳輸現場環境圖像、聲音等信息，為救援人員制定救災方案，及時開展救援工作提供決策信息依據。該機器人可應用于地震、火災、水災、有毒氣體泄漏、爆炸等災害現場。具有靈活性好、機動性強的特點，有較好的爬坡和越障能力，能適應現場各種各樣的地理環境等多項優點。以下是本作品同其他類似功能作品的對比分析說明：目前國內研制的搜救機器人種類主要有輪履、飛行兩種模式。輪履式機器人通過在地面行走，利于采集環境詳細確切信息，但其監測范圍有限，效率不高；而飛行模式機器人擁有空中優勢，可以大范圍采集災害現場信息，雖彌補了輪履式機器人的缺陷，卻無法采集更為精確詳盡的信息數據，不利于救援人員做出有效及時的決策。如此說它們分別有明確的分工，但是還停留在各自工作層面。1.與輪履式搜救機器人的對比分析：該類機器人在地面可通過輪式進行快速移動，而使用履式可減少在雜亂復雜的環境中被卡阻的可能性。該類機器人車體的凈空高度較小，只能在地面行走，其監測范圍有限，效率低下。而本作品具有空中飛行能力，擁有空中優勢，可以大范圍采集災害現場信息。2.與搖桿式履帶懸架搜救機器人的對比分析：該類機器人采用對稱的W 形履帶懸架，通過增加擺臂履帶和固定關節角，被動地適應崎嶇的非結構地形。該類機器人的越障性能嚴重受到自身體積尺寸限制，靈活性差，因而應用范圍較為局限，一般只應用于煤礦救災。而本作品可在多種形態下工作，越障性能不受自身體積的限制，機動性強，能有效應用于各種救災救援活動。3.與飛行搜救機器人的對比分析：該類機器人主要在空中飛行，向操作人員提供目標區域的空中情報。但該類機器人能耗大，持久性低，成本高。而本作品在飛行的基礎上融合入了輪足的工作模式，能根據實際情況合理地采用最佳工作模式，從而降低能耗，大大增長工作周期。 七、獲獎及鑒定結果：1.2013年5月在 “第十二屆‘挑戰杯’廣東大學生課外學術科技作品競賽終審競賽”中獲得特等獎 2.在教育部科技查新工作站(G13)中進行國內查新，查新鑒定為在國內文獻及數據庫檢索范圍內，未見有與本查新委托項目“多形態實時信息傳輸的救災機器人”查新點內容完全相同的文獻報道，報告編號：201336000G130003 3.已申請發明專利，申請獲得國家知識產權局專利受理，申請號：201310061566.0 4.已申請實用新型專利，申請獲得國家知識產權局專利受理，申請號：201320089465.X 八、使用說明：當事故或災害發生時，為了迅速到達現場，將以飛行形態到達現場上空。在以飛行形態執行低空探測搜救任務過程中，如發現特殊或可疑情況，經由工作中心控制，可以由空中飛行形態轉換為陸地形態，以輪足復合轉換方式做出進行進一步的確認，如果道路平坦，采用輪式形態，可加快運行速度；遇到障礙輪子無法越過時，轉換成足式形態。此時可近距離采集并傳回更確切的圖像信息，幫助工作中心做出正確的決定，避免救援人員無謂的調動。二、作品的技術特點和優勢 ：1.本機器人采用輪足復合轉換以及空中旋翼飛行方式，可應用于多種復雜環境災害現場的勘察搜救工作中，適用范圍廣。2.能實時采集并無線傳輸現場環境圖像、聲音等信息，為救援人員制定救災方案，及時開展救援工作提供決策信息依據。3.該機器人具有靈活性好、適應性強的特點，有較好的爬坡和越障能力，能適應現場各種各樣的地理環境等多項優點。　　 九、作品適用范圍及推廣前景：總的來說，該機器人主要用于各種災難、事故現場中的現場偵察和搜救，便于做出正確的決策。也可用于交通、大型活動等的巡航。它能大大減少不必要的人力消耗，以及保障人生安全，所以它是未來極具推廣性的實用型產品。世界上每年發生的地質災害以及各類事故不計其數，使用輪足轉換可飛行的陸空兩棲搜救機器人能大大減少不必要的人力消耗，以及保障人生安全，及時快速了解災害及事故現場的實際情況，最大限度地減少損失。可以看出，本作品具有非常廣闊的推廣應用前景。 十、市場分析和經濟效益預測：該機器人能實時采集諸如現場圖像畫面，障礙物等信息。通過無線傳輸模塊，能在上位機顯示出現場的準確環境信息，并可監控機器人的運行狀態，另外還可通過上位機遠程遙控機器人執行動作。近幾年，全球災難頻發，給人民群眾的生命和財產帶來了嚴重的損失。在某些救災場合，救援人員如果在未知災難現場的動態就強行進入進行搶險工作的話，很有可能面臨嚴峻的危險考驗。本項目旨在發明一款能替代救援人員進入災難現場進行環境信息采集、具備一定自主性的半智能型搜救機器人。該機器人攜帶眾多能感知環境參數的傳感器，能實時采集諸如氣體含量，現場圖像畫面，障礙物等信息。通過無線傳輸模塊，能在上位機上顯示出現場的準確環境信息，并可監控機器人的運行狀態，另外還可通過上位機遠程遙控機器人執行動作。可以看出，本作品在搶險救災時將起到非常重要的作用，可以大大降低危險性，提高搶險救災的成功率，可大大減小經濟損失和人員傷亡，其經濟效益不言而喻。 十一、當前國內外同類課題研究水平概述：經教育部科技查新工作站(G13)查新結果顯示，在國內文獻及數據庫檢索范圍內，國內未見有與 “多形態實時信息傳輸的救災機器人”查新點內容完全相同的文獻報道，詳細資料請看附件的科技查新報告。根據網上的初步搜索資料了解，目前對于輪足轉換機器人，以及飛行機器人的單獨研究開發都有相關的技術知識文獻可以查詢學習，但是對于結合兩者的多功能、多用途、應用面極廣的輪足轉換可飛行機器人的研發仍然處于少數，所以本次申報的項目還是極具挑戰性、實用性的作品。1.國外研究現狀：在國外，搜救機器人發展迅速，技術日益成熟，并進入實用化階段，日本、美國、英國等已開始裝備使用。在災難現場中，搜救機器人應能迅速找到幸存者的位置。日本大阪大學研制出蛇形機器人，能在高低不平的模擬廢墟上前進，其頂端帶有一部小型監視器,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iRobot公司研制了PackBot系列機器人，能適應崎嶇不平的地形環境和爬樓梯，主要執行偵察任務、尋找幸存者、勘探化學品泄漏等任務。InuKtun公司研制了機器人MicroVGTV，機身可變位，采用電纜控制，含有直視的彩色攝像頭，并帶有微型話筒和揚聲器，可用于與壓在廢墟中的幸存者通話，適用于在小的孔洞和空間中執行任務。除了前面的中小型搜救機器人，微型搜救機器人也正在研究中，美國加州大學伯克利分校研制出世界第一個蒼蠅機器人，通過裝在它腦袋上的微型傳感器與微型攝像機，可以到倒塌的建筑物廢墟底下或其他災難場所尋找幸存者。2.國內研究現狀：在國內，搜救機器人的研究剛剛起步，但進展很快。中科院沈陽自動化所在2002年研制了一種蛇形機器人，由16個單自由度關節模塊和蛇頭、蛇尾組成，在監控系統的無線控制下可實現蜿蜒前進、后退、側移、翻滾等多種動作，并能通過安裝在蛇頭上的微型攝像頭將現場圖像傳回監控系統。國防科技大學在2001年也研制了一種蛇形機器人。中國礦業大學在“211工程”的支持下，已開始研制煤礦搜救機器人。

設計、發明的目的和基本思路、創新點、技術關鍵和主要技術指標

一、作品設計、發明目的：當災害或事故發生，導致救援人員無法進入事故現場。如果對現場情況不了解而冒然采取行動，往往會付出慘重代價。為此我們設計和制作了一款經濟實用、靈活性好、機動性強，可靠性高、能應付各種災難環境的輪足轉換可飛行的陸空兩棲搜救機器人，替代救援人員到達救災現場。 二、基本思路：本機器人以陸空兩用為設計理念，采用輪足復合轉換以及空中旋翼飛行等多種形態，可應用于多種復雜環境下突發災害及事故現場的勘察搜救工作中，實時采集現場環境圖像、聲音等信息，通過無線傳輸方式將信息傳回，為救援人員制定救災方案、及時開展救援工作提供決策依據。 三、創新點：1.開發集輪式行走，足式行走，飛行于一體的搜救機器人，各運動方式可獨立運行，具備輪足轉換機構。2.為適應復雜多變的地形，設計仿生態步法，有效減小重心移動導致不平衡的效應，同時通過控制提高動作頻率，從而提高行走效率。3.實現計算機、ARM嵌入式系統、ARDUINO-NANO之間的主從配合，從而對機器人多層次的控制。 四、技術關鍵：1.輪足轉換機構設計2.步法設計3.機器人設備連接與系統管理操作4.圖像數據傳送和處理技術 五、主要技術指標1.最大成像: 1300 x 1028 像素；2.飛行高度：0-200m；3.續航時間：30min；4.遠程控制距離：0-3000m；5.工作壽命：10年；6.工作溫度：-20°- +80°C。

科學性、先進性

　　　隨著當今科技的發展，機器人應用普及率越來越高，而搜救機器人是機器人的一個新興發展領域，屬于危險作業機器人的一個分支，具有危險作業機器人的特點。本作品考慮到各種自然災害、恐怖活動等突發事故中現場環境復雜危險，救援時間緊迫的現狀，而設計出一款經濟實用的輪足轉換可飛行的陸空兩棲搜救機器人，以提高受災人員救援幸存率。 　　　本機器人采用輪足復合轉換以及空中旋翼飛行方式，可隨時應用于多種復雜環境災害現場的救援工作中，實時采集無線傳輸現場環境圖像、聲音等信息，為救援人員制定救災方案，及時開展救援工作提供決策信息依據。該機器人可應用于地震、火災、水災、有毒氣體泄漏、爆炸等災害現場。具有靈活性好、機動性強的特點，有較好的爬坡和越障能力，能適應現場各種各樣的地理環境等多項優點。

同類課題研究水平概述

根據網上的初步搜索資料了解，目前對于輪足轉換機器人，以及飛行機器人的單獨研究開發都有相關的技術知識文獻可以查詢學習，但是對于結合兩者的多功能、多用途、應用面極廣的輪足轉換可飛行機器人的研發仍然處于少數，所以本次申報的項目還是極具挑戰性、實用性的作品。1.國外研究現狀:在國外，搜救機器人發展迅速，技術日益成熟，并進入實用化階段，日本、美國、英國等已開始裝備使用。在災難現場中，搜救機器人應能迅速找到幸存者的位置。日本大阪大學研制出蛇形機器人，能在高低不平的模擬廢墟上前進，其頂端帶有一部小型監視器,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iRobot公司研制了PackBot系列機器人，能適應崎嶇不平的地形環境和爬樓梯，主要執行偵察任務、尋找幸存者、勘探化學品泄漏等任務。InuKtun公司研制了機器人MicroVGTV，機身可變位，采用電纜控制，含有直視的彩色攝像頭，并帶有微型話筒和揚聲器，可用于與壓在廢墟中的幸存者通話，適用于在小的孔洞和空間中執行任務。除了前面的中小型搜救機器人，微型搜救機器人也正在研究中，美國加州大學伯克利分校研制出世界第一個蒼蠅機器人，通過裝在它腦袋上的微型傳感器與微型攝像機，可以到倒塌的建筑物廢墟底下或其他災難場所尋找幸存者。2.國內研究現狀：在國內，搜救機器人的研究剛剛起步，但進展很快。中科院沈陽自動化所在2002年研制了一種蛇形機器人，由16個單自由度關節模塊和蛇頭、蛇尾組成，在監控系統的無線控制下可實現蜿蜒前進、后退、側移、翻滾等多種動作，并能通過安裝在蛇頭上的微型攝像頭將現場圖像傳回監控系統。國防科技大學在2001年也研制了一種蛇形機器人。中國礦業大學在“211工程”的支持下，已開始研制煤礦搜救機器人。