海陸空全方位救援搜尋機器人平臺研究

江亞龍 殷 建 吳 凱

（銅陵學院機械工程學院，安徽 銅陵 244000）

0 引言

在21世紀的今天，隨著自然災害、恐怖活動和各種突然事故發生的越來越多，在災難救援中，救援人員用較短的時間在廢墟中尋找幸存者的幾率比較小，在這種緊急而危險的情況下，救援機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器人用于危險而復雜的環境中搜索和營救幸存者是非常實用的。

搜救機器人的研究給搜救工作帶來很大的方便，在搜尋救援機器人的研究方面，近十年來,美國、日本等西方發達國家在地震、火災等救援機器人的研究方面做了大量的工作，研究出了各種可用于災難現場救援的機器人。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1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。而國內現在針對救援機器人的研究相對分散，在國內，救災機器人的研究剛剛起步，但進展很快。國內的礦用機器人發展主要是在探測機器人方面。中科院沈陽自動化所在2002年研制了一種蛇形機器人，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。2006年6月，中國礦業大學的機器人研究所成功研制了 “CUMT-1”礦井救災機器人，并對救災機器人的機構設計做了一些有益的嘗試，這是我國第一臺用于煤礦救援的礦井搜救機器人。

1 研究內容

本設計的是一款海陸空全方位防爆搜救機器人平臺 （如圖1所示），本設計平臺是基于履帶式小車，進行完善加工改裝后，配備五自由度機械手、小型水下機器人、蛇形機器人、飛行器等綜合一體全方位搜尋系統，可在各種惡劣復雜環境下執行搜尋救援任務，可靠性高，適應性強，可用于地震搶險救災，石油化工工廠防爆救援。在陸上使用履帶式小車配合機械手執行搜尋救援作業，在狹小廢墟中使用蛇形機器人進行搜尋任務，而在水中則使用小型潛水器進行搜尋作業，使用空中飛行器搜尋解決小車視野范圍小的缺點。整個搜尋救援系統采用模塊化設計，可根據不同任務需要來選擇相應的模塊，本次創新設計的重點在于多個機器人之間的協同工作，設計一個多任務信息融合 處理控制平臺。

圖1 搜救機器人平臺圖

1.1 在地面上實施任務的設備

主要采用小車，因為路況不明情況復雜，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各種復雜路況各種惡劣環境的驅動系統，現有的救災機器人移動機構主要有：無肢運動(以蛇形機器人為主)、輪式、腿式、和履帶式等。經過多次對比，采用履帶驅動系統。移動載體的任務是執行機器人的移動功能，采用關節型履帶移動車可以更好的實現在危險環境下的救援工作。

在此項目中，機械手臂擔任很重要的角色。絕大多數的救援操作都需要機械手臂來完成，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，可以遠程遙控運輸，清除爆炸物品，減少排爆人員的危險。機械手可以取下或收回小車上的模塊，比如小型潛水器等，機械手的關節由多個伺服電機組成，可以執行各種復雜的動作，動作精確，機械手模塊采用液壓控制系統，使得機械手在某些場合可以輸出更大的作用力，比如，在地震搶險救災中，可以搬運沉重的物資，清理道路等。但是無論越障能力再強，也有機器人自身大小無法克服的障礙，因此是機器人選擇適當的路徑也是很重要的。為了使機器人能夠感知路面情況，從而選擇有利行走的線路，達到目標位置。我們為此設計了攝像機構，通過攝像對路面情況的反應，在救災人員的遙控下，選擇最佳的行走路線。為了更多的發揮攝像機的功能，我們基于監控技術中的云臺理念，使攝像機能夠監控到各個方向的信息。全方位云臺內部有兩個舵機，分別負責云臺的上下和左右各方向的轉動。將攝像頭放在云臺上，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 小型水下機器人的設計

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力能源以及與小車平臺間的通訊等。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，具有很強的防水性、抗壓性，小型潛水器可以將拍攝的畫面及時傳送給小車平臺，小車平臺再將信號傳輸給上位機。當需要使用潛水器時，可用車載機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，從而進行控制，小型潛水器兩邊裝有魚鰭，魚鰭上裝有伺服電機，從而控制魚鰭的角度，進而控制潛水器下潛與上升，潛水器的左右轉向運動通過安裝在尾部的舵板進行控制，在小型潛水器上安裝有聲吶系統，可以探測四周的情況，及時了解周圍環境，從而進行壁障，以免發生碰撞，從而保證機器的安全。

1.3 空中飛行機器人

在救援人員無法進入的某些地方，機器人能通過在空中尋找生還人員，通過攝像頭捕捉畫面，并通過無線傳輸到救援指揮部門。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

本文以海陸空搜救機器人系統之小車作為研究的對象，通過將小車與水下機器人、飛行器、蛇形機器人之間的相互配合，相互協同，極大地拓展了搜救機器人的適應環境的能力及執行任務的復雜性與可靠性。本系統可以實現陸上、空中、水下作業，系統采用的履帶式結構，可以在復雜路況中移動，適應性強，平臺上的蛇形機器人，可以在小車無法到達的狹小的間里工作，如地震后的廢墟，各種深井等，平臺上的小型潛水器可以在水下進行作業，如探測，攝像，掃描等，平臺上的四軸飛行器可以隨時工作，為系統提供更廣泛的視野，抵達小車無法到達的上空。本系統用途廣泛，可為各種復雜的搜救工作提供強有力的支援，減小搶險消防員的危險與工作強度，且效率更高，為救災防爆工作提供了強有力的保障等。

［1］王勇,朱華,王永勝,程剛,李允旺.煤礦救災機器人研究現狀及需要重點解決的技術問題[J].煤礦機械，2007（04）.

［2］王忠民,劉軍,竇智,杜占靈.礦難救援機器人的研究應用現狀與開發[J].煤礦機械，2007（11）.

［3］楊朝虹,張海珠.機器人技術的應用與發展[C]//先進制造技術論壇暨第五屆制造業自動化與信息化技術交流會論文集.2006.

［4］宋國棟.移動機器人組合導航系統設計與應用的研究[D].南京理工大學，2006.

［5］呂漫麗.基于多傳感器信息融合的移動機器人避障研究[D].東北電力大學，2008.

［6］咸寶金.基于專家系統的數據融合技術及在機器人避障中的應用[D].北方工業大學，2008.