搜救机器人创新设计

科研创新设计说明书

——六足履带式搜救机器人

目录

1 引言 (2)

2 研究的背景及意义 (2)

3 国内外相关研究现状 (4)

4 改进装置研究现状 (11)

5 改进装置的结构及其操作的基本原理 (12)

总结 (14)

参考文献 (15)

1 引言：

近几年地震不断的发生，地震发生后世界人名都积极投入到抗震救灾活动中。作为当代大学生对这些灾难尤其关注，一些人立即奔赴灾区，很多人捐款捐物。震后总会看到有人被埋在废墟下呻吟呼救，而外面的人却一时无法将他们救出时，我们心里十分焦急，总在想：里面的人肯定受了重伤，也一定很饿，如果有个小型搜救器能迅速钻到废墟里，探明受伤人位置和情况，给他们送去急需的药品和饮食该有多好啊。基于这种想法，搜救机器人从此诞生了。然而我国在四川地震中，据资料显示，搜救机器人并未得到很好的利用，参加搜救的主要还是以消防官兵，搜救犬及支援人士。

2 研究的背景及意义：

2.1 研究的背景

机器人集中了机械工程、电子技术、计算机技术、自动控制原理以及人工智能等多学科的最新研究成果，代表了机电一体化的最高成就，是当代科学技术发展最活跃的领域之一。随着计算机技术和人工智能技术的飞速发展，使机器人在功能和技术层次上有了很大的提高，移动机器人和机器人的视觉和触觉等技术就是典型的代表。由于这些技术的发展，推动了机器人概念的延伸。

世界上许多国家都在研制军用机器人、扫雷机器人、排爆机器人和消防机器人等危险作业机器人。救灾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。在世界各地，由于自然灾害、恐怖活动和各种突发事故等原因，

灾难经常发生。

（地震）

（火灾）（深井）

图2-1 各种灾难

在灾难救援中，救援人员只有非常短的时间(约48小时)用于在倒塌的废墟中寻找幸存者，否则发现幸存者的几率几乎为零。在这种紧急而危险的环境下，救灾机器人可以为救援人员提供帮助。因此，将具有自主智能的救灾机器人用于危险和复杂的灾难环境下“搜索和营救” ( SAR)幸存者，是机器人学中的一个新兴而富有挑战性的领域。

2.2 研究的意义

1）课题研究的社会意义

搜救机器人的研究给搜救工作带来很大的方便，在灾难发生后，

能够快速地投入到搜救工作中，提高搜救效率，减少人员伤亡，失踪等不幸事故，更好的为社会服务。

2）课题研究的科学意义

搜救机器人的研发，在很大程度上弥补了很多在搜救领域的不足，为后期更好的扩展，奠定了基础。

3 国内外相关研究现状

3.1 国外研究现状

近十年来,美国、日本等西方发达国家在地震、火灾等救援机器人的研究方面做了大量的工作，研究出了各种可用于灾难现场救援的机器人。

1、履带式机搜救机器人

履带式机器人是为了满足军事侦察、拆除危险物等作业的需要，在传统的轮式移动机器人的基础上发展起来的。图3-1给出了目前国际上几家著名机器人公司的典型产品，他们主要是为了满足军事需要而开发的，体积普遍偏大，不太适合在倒塌的建筑物废墟中狭小空间内搜寻幸存者。

（a）Foster-Miller公司（b）Inuktun公司的（c）SPAWAR的的SOLEM机器人 Minitrac机器人 urbot机器人

图 3-1 机器人公司给出的典型产品

2、形状可变履带机器人

所谓形状可变履带机器人，是指该机器人所用履带的构形可以根据地形条件和作业要求进行适当变化。图8-44所示为一种形状可变履带机器人的外形示意图。该机器人的主体部分是两条形状可变的履带，分别由两个主电动机驱动。当两条履带的速度相同时，机器人实现前进或后退移动；当两条履带的速度不同时，机器人实现转向运动。当主臂杆绕履带架上的轴旋转时，带动行星轮转动，从而实现履带的不同构形，以适应不同的运动和作业环境（见图8-45）。

为了能进入狭小空间展开搜救工作，要求机器人的体积要尽可能小，但体积小了搜索视野就会受到限制，为了解决这已矛盾，近年来在传统牵引式多态搜救机器人。图3-2为美国Irobot公司生产的Packbot系列机器人，packbot机器人有一对鳍形前肢，这对鳍形前肢可以帮助崎岖的地面上导航，也可以升高感知平台以便更好地观察。图3-3为加拿大inuktun公司MicroVGTV 多态搜救机器人，他

可以根据搜索通道的大小及搜寻范围的远近灵活地调整形状和尺寸。

(a)正常状态（b）直立状态

图3-2 美国Irobot公司packbot多态搜救机器人

（a）平躺状态（b）半直立状态（c）直立状态

图3-3 加拿大Inuktun公司Micro VGTV多态搜救机器人

3、位置可变履带机器人

所谓位置可变履带机器人，是指履带相对于车体的位置可以发生变化的履带式机器人。这种位置的改变既可以是一个自由度的，也可以是两个自由度的。图8-48所示为一种二自由度变位履带机器人，各履带能够绕车体的水平轴线和垂直轴线偏转，从而改变机器人的整体构形。

图8-49为上述变位履带机器人传动机构示意图。由图8-49a可知，当A轴转动时，通过一对锥齿轮的啮合，将运动传递给驱动轮，从而带动履带运动；当B轴转动时，通过另一对锥齿轮的啮合，带动与履带架相连的曲柄，使履带绕主动轴轴线回转变位；当C轴传动时，履带连同其安装架一起绕C轴线相对于车体转动，改变其位置。

A、B、C三轴由一台电动机带动，通过切换A、B、C三个离合器，使之实现不同的传动路线，具体情况参见图8-49b。

变位履带机器人集履带式机器人和全方位轮式机器人的优点于一身。当其履带沿一个自由度方向变位时，可用于攀爬阶梯和跨越沟渠（见图8-50）；当其履带沿另一个自由度方向变位时，可实现车体的全方位行走方式（见图8-51）。

4、仿生搜救机器人

虽然履带式可变形多态机器人可根据搜索空间的大小改变其形状和尺寸，但受驱动方式的限制，其体积不可能做得很小。为了满足对更狭小空间搜索的需要，人们根据生态学原理研制了各种体积更小的仿生机器人，其中蛇形机器人就是其中很重要的一类。图1-4(a)为cmu研制的安装的蛇形机器人。图4（b）为日本大阪大学研制的蛇形机器人。图1-4（c）为美国加州大学伯克利分校研制的身高不足2cm的苍蝇搜救机器人。随着技术的不断成熟，相信蛇形、蝇形等

仿生机器人会在灾难搜救工作中发挥越来越大的不可替代的特殊作用。

（a）CMU研制的基于移动 (b)日本大阪大学（c）加州大学伯克利平台的蛇形机器人蛇形机器人分校研制的苍蝇机器人

图3-4仿生机器人

3.2 国内研究现状

在5.12地震发生后，针对乱石之中被埋在抚恤下的生命很难发现，“如果有能穿越乱石的机器人，也许就可以发现废墟下的生命迹象从而救出更多的人！“谢敬涛等5位重庆交大的5位同学经过商量后便有这个想法，发明一个越障能力强的机器人----蛇形机器人（图3-5）.

图3-5

图3-6

由中科院沈阳自动化研究所机器人学国家重点实验室研制的空中搜索探测机器人、废墟洞穴搜救可变形机器人、废墟表面搜救机器人(如图3-6),在位于北京西郊凤凰岭的国家地震紧急救援训练基地完成了综合调试演练，并达到了预期性能指标。这标志着我国地震搜救机器人系统已进入到示范应用阶段，有望在“十二五”期间作为地震应急搜救装备投入实际使用。

4 改进装置研究现状

本系统基于六足机器人和履带式机搜救机器人为平台，在此基础上加以扩展，结合国内外搜救机器人发展现状，归纳总结出搜救机器人的结构和扩展设备的控制。

六足机器人又称作仿生六足机器人，现已模仿昆虫的各类步行，进而改良成最适合机械器具移动的脚步，配合连杆组进而做出最有效率的步行器。仿生六足机器人呈方形，脚分别在两旁各三只，移动是左边前脚和后脚和右边的中脚跨出，之后换边移动，形成三角形状的踏出每一步，犹豫中西街在于两个三角形的中间移动，故其移动稳定。

本系统现状优点是以履带式机搜救机器人为平台，可扩展空间大，

利用的设备较多，可以从多个方面实现搜救效果.

5 改进装置的结构及其操作的基本原理

5.1 机器外部结构设计

图5-1 本系统机器人简单设计图

基于六足机器人和履带式机器人为平台，以图5-1简单介绍我的初稿设计，足部共有六只，且每只脚皆使用三个马达，一个马达控制左右移动（可前进或后退），一个马达做上下移动（可抬脚或放下），最后一个马达是皮带转动（可以前后滚动）。做的局部图如下图

图5-2本系统机器人腿部设计图

5.2自带传感器

1）红外摄像头

摄像头有成电脑相机，电脑眼等，是一种视频输入设备。机器人上装有此设备，可以通过传输到外界使人可以用遥控进行很好的控制。红外摄像头可以实现夜视。

2）话筒

机器人的话筒的功能很强，它可以感受到声音的强弱。我们知道我们自己的耳朵并不是所有声音都可以听见的，我们听见的声音在一定的频率范围内，机器人的“耳朵”也是这样，它能听见的声音频率范围跟人能听到的范围大致是一样的，大约是16Hz~20000Hz的机械波。

总结

本课题根据国内外机器人的发展现状，对于在灾难发生后，如地震，火灾等，人员不宜进入或无法进入的特殊环境，进行了初步分析，设计一款能够在复杂环境中能够自由行走，并发现被困目标的搜救机器人。国外一些国家在发生灾难后利用机器人参加搜救行动的例子很多，而国内的搜索救援行动中，很少见到搜救机器人的影子，这说明我国的搜救机器人还处于发展阶段。

本课题详细阐述了机器人搜救的研究背景和研究意义，为搜救机器人的提供了更好的依据。

本系统的优点是利用结构相对简单的机器人，实现了搜救的效果，减少了很多繁琐的过程。特色是在六足机器人的基础上，进行了改装，将足部替换为履带，这样可以六足行走，也可以实现履带式行走；又由于整个机器人机身比较小，最大尺寸为200*400（mm），这样便可以在任何复杂的和狭小的地形中穿越。

由于本系统还处于设计阶段，还有很多的不足之处，如机器人本身的行动速度慢，工作时间短，灵活度不高等，需要在电机，能耗，传感器方面做更进一步的探究，在以后的会做更细一步的研究。

参考文献

[1] 上海广茂达伙伴机器人有限公司. 能力风暴智能机器人VJC1.6

开发版使用手册[J]. 现代电子技术，2005.

[2] 肖松雷，华剑. 机器人在搜索救援中的应用[J]. 机器人技术与应用，2006.

[3] 曹祥康，谢存. 我国机器人发展历程[J]. 机器人技术与应用，2008.

[4]王勇，朱华，王永胜. 煤矿救灾机器人研究现状及需要重点解决的技术问题[J].煤矿机械，2007.

[5] 上海广茂达伙伴机器人有限公司. 扩展卡使用手册修改（总）[J].机器人技术与应用，2003.

[6]柏龙，葛文杰，陈晓红，张铭. 用于行星探测的跳跃机器人研究[J]，机器人，2009.

[7]丛爽，钱辉环. 广茂达机器人几个实际应用问题的解决方案[J]. 机器人技术与应用，2003.

[8]赵长富，李千新. 传感器在工业机器人中的应用[J]. 组合机床与自动化加工技术，1987.

[9] 张福学. 机器人传感器(上)[J] . 测控技术，1987.