基于多足吸附式機器人的應用前景分析

馬娜娜 陳鑫 熊君尹 張靖廉

摘 要：本文的“多足吸附式機器人”增設了多種傳感器模塊、紅外測距、AI全景攝像頭等功能，提高了機器人在復雜地形上的工作效率，有助于AI技術應用和大數據分析的發展。本文從發展現狀、結構功能應用兩方面展開論述，并對“多足吸附式機器人”的應用前景做出了分析。

關鍵詞：救援;勘探;多足機器人

1.引言

“多足吸附式機器人”在傳統搜救機器人的結構基礎上，將履帶式和輪式改用多足式設計，提高了在復雜地形的工作效率;在技術設計上，增加了AI全景攝像頭遠程圖像傳輸和視覺網絡系統導航功能，提高了“多足吸附式機器人”的信息采集和路徑規劃能力。目前，“多足吸附式機器人”在災區救援和資源勘探應用廣泛，有著極大的發展前景。

2.在救援、勘測方面的發展現狀分析

2.1災區和礦難救援發展現狀

我國是世界上自然災害種類最多的國家，其中地震是一種破壞力極大的自然災害，會引起泥石流、山體滑坡、水災等一系列次生災害，嚴重威脅著人們的生命和財產安全。

傳統救援方式中，在地面交通完全癱瘓物資運輸車又不能正常行進的情況下，只能依靠救援隊伍徒步背著物資趕往災區，費時又費力，救援過程中憑人力也不容易發現廢墟下的傷者，有時為了防止災后瘟疫，救援人員通常需要手動噴霧進行消毒，很容易將自己感染。而“多足吸附式機器人”能替代救援人員進入危險區域，通過多傳感器的信息交融分析環境危險性以及確定受難人員位置，并自動生成位置信息傳輸給救援人員，方便救援人員進行救援。

2.2無人區和地質礦產資源勘探的發展現狀

目前，我國還沒有完全了解地質資源的狀況，缺乏對地質資源的種類、地質條件等方面的了解，缺乏相關的勘探開發數據。以我國對頁巖氣資源的勘探開發為例，我國對頁巖的含氣量、含氣性還不夠了解，并且資源勘探開發的關鍵性技術還不夠先進，在技術方面還有待提高。對于存在的問題，目前主流的方式有物探、鉆探、刻槽等技術手段[1]，更加先進的技術有輪式勘探機器人和履帶式勘探機器人。本團隊設計的“多足吸附式機器人”能為人類提供地理和資源信息，方便人類進一步勘探。

3.結構優勢

3.1多足吸附式機器人的整體結構

如圖1所示，在機器人的本體機構設計上，本團隊采用舵機控制板直接控制18個舵機，“多足吸附式機器人”的每條腿上有三個舵機，這種結構的優點是可以實現更加自由的移動，有較強的地形適應能力和運動穩定性。

3.2爬壁功能

“多足吸附式機器人”結構小巧，能夠靈活的在地形復雜和空間狹小的災區行走。如圖2所示，在足上我們采用“爬壁”的方式，能自主識別壁面材質，進行吸附方式的自主切換，幫助人們全方位的探測，采用了磁吸附和負壓吸附相結合的復合吸附方式進行設計[2]，完成復雜壁面作業，在運動過程中，“多足吸附式機器人”通過腿部的彈簧減震，在路面不平整時能及時調整位姿，越過路面障礙。

3.3多種傳感器

礦下的環境復雜，里面可能含有很多有害氣體，為了保障救援人員以及被困人員的生命安全，我們在“多足吸附式機器人”正前方安裝了檢測有害氣體的化學傳感器[3]，通過超聲波傳感器測距，實現自動避障[4]。紅外檢測技術具有無接觸，檢測結果可視化、測溫范圍廣、檢測速度快等諸多應用優勢[5]。它能代替人們進入危險區，進行有害氣體的檢測以及地形分析，感測周圍環境，獲得當前位置信息與周邊環境信息，并能第一時間將井下信息傳遞給工作人員。將此技術應用在“多足吸附式機器人”中巡查礦井機器的安全性，大大節省了人們的時間。

3.4機械夾手和全景攝像頭

在勘探資源的過程中，如圖3所示，我們運用了一個小型的機械夾手裝置在機器人的前端，在需要取樣時，它可以夾取樣品，極大的方便了人們的工作。

如圖4所示，利用全景攝像頭對周圍環境進行實時拍攝，完成取景、成景動作，將照片或視頻信息遠程傳輸至電腦（手機），實現遠程監控?；谝曈X網絡系統的導航功能通過采集導航區域的實時圖像信息，并將其傳輸至智能處理系統，生成動態地圖，從而規劃機器人“可通行路徑”，實現視覺導航。

4.前景分析

4.1多足吸附式機器人在救援方面的應用前景分析

4.1.1災區救援

救援機器人可以替代或輔助人工在災害現場實施救援，尤其是在人、犬或其他探測設備無法到達的狹小空間 （例如直徑小于1米的孔洞），或可能對救援人員帶來傷害的危險環境 （如?；翻h境、核輻射環境等） 發揮重要作用。例如地震搜救機器人在國內主要應用在參與蘆山7.0級地震救援行動。在現場勘查、人員探測等方面發揮了重大作用。災后廢墟環境有很多特別狹小的孔洞，普通履帶式廢墟搜救機器人難以進入，足式機器人是模仿人或四足、多足動物行為模式而研發的仿生機器人， 具有較強的越障能力。為了克服墻壁、臺階等環境給救援帶來的困難，我們的“多足吸附式機器人”能夠通過高密度的聚合物或特殊機構吸附在墻壁上爬行，完成相應的救援工作。

4.1.2礦難救援

煤礦下環境復雜，若事故發生后，需第一時間開展救援工作，傳統的救援方案會第一時間安排救援人員入礦開展救援，在礦下環境未知的情況下，可能會受到可能會面臨冒落、高溫、粉塵、瓦斯爆炸、有害氣體積聚等威脅，對救援人員及受難人員的生命安全造成威脅[6]。我們利用“多足吸附式機器人”對事故礦井環境勘測，通過WiFi無線網絡與地面人員進行通信，利用現場控制器高效處理傳感器感知信號，了解礦井下復雜情況，精確定位受困礦工位置，靈活完成避障動作，監測井下煙霧、瓦斯、CO和O2等濃度，與地面救援中心現場通信，制定救援方案，遠程指導救援工作。

4.2多足吸附式機器人在勘探方面的應用前景分析

4.2.1無人區勘探

火山噴發是地球自形成以來就一直存在的一種自然現象，它將地球內部物質帶至地表， 為地球上生命的起源和演化提供了物質基礎， 還為現代工業的發展提供了許多重要的礦產資源。[7]利用靈活的行走方式和先進的技術特點代替勘探人員前往火山附近采集火山噴發物及附近礦石樣本，促進火山資料庫的進一步完善及協助科研人員進行樣品鑒定分析等工作。

考古是尋找和獲取古代人類社會的實物遺存，以及如何依據這些遺存來研究人類歷史的科研工作。我們由古代遺跡、遺物同周圍土壤的電阻率不同，并存在著磁性差異，可用“多足吸附式機器人”紅外探測、雷達監測、氣體檢測等技術代替科研工作者完成提前考察地形、收集樣品等工作。

4.2.2地質礦產資源勘探

礦產作為重要的基礎能源，是我國社會生產建設的基礎?？茖W技術發展日新月異，礦產資源快速消耗，在人類的過度開發下，目前分布在地表的礦產已經極少[8]。在含礦的地區地形結構復雜，地貌差異大，人員勘察費時費力，我們需利用機器人對礦資源進行地形勘察，對礦產分布情況進行確認，方便采礦人員進一步開展采礦工作，實現礦產開采工作的高效有序。

在危險的礦井地段，“多足吸附式機器人”利用自身行走優勢，提前入礦進行有毒氣體檢測、樣品采集、安全巡檢等工作，并通過無線通信系統將信息傳遞給人們，方便開展下一步勘察工作。

5、結論

本文簡述了“多足吸附式機器人”的多功能性和在各個領域的應用前景。在未來的發展中，將充分利用“多足吸附式機器人”的優點，從而在人類的生產生活中發揮重要的作用。

參考文獻

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[2]李夢，李明，張田，李玉廷.復合吸附方式爬壁機器人的研制[J].科技視界，2020（04）：190-192.

[3]楊揚，陳亮.有毒氣體檢測報警系統的研究[J].科技風，2019（25）：86.

[4]包震洲，俞鴻飛，金文德，李偉達.未知環境下機器人導航算法與避障算法研究[J].機械設計與制造，2020（05）：257-260+264.

[5]呂志華.紅外技術在機械零件內部檢測中的應用[J].南方農機，2020，51（14）：132-133.

[6]杜川.地質礦產資源勘查及合理開發利用[J].當代化工研究，2020（15）：169-170

[7]許建東.中國活動火山監測與研究歷史回顧[J].城市與減災，2018（05）：54-59.

[8]葛世榮，朱華.危險環境下救援機器人技術發展現狀與趨勢[J].煤炭科學技術，2017，45（05）：1-8+21.

[作者簡介] 1. 馬娜娜（2000-），湖北天門人，本科，武漢商學院機器人工程專業;主要興趣和研究方向有機器人的集成設計，智能機器人編程，機器人教育;

2.熊君尹（1999-），湖北黃岡人，武漢商學院機器人工程專業;主要興趣和研究方向有機器人的集成設計，智能機器人編程，機器人教育;

3. 張靖廉（1998-），山西臨汾人，本科，武漢商學院機器人工程專業;主要興趣和研究方向有機器人的集成設計，智能機器人編程，機器人教育。

[通訊作者] 陳鑫（1988-），男，湖北武漢人，碩士，武漢商學院教師，工程師;主要研究方向：工業機器人系統仿真，視覺識別。

[基金項目] 武漢商學院2020年大學生創新創業訓練計劃，項目號202011654068 ， 名稱：六足兩棲爬蟲機器人

（武漢商學院 ?湖北 ?武漢 430074）