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1 引言
隨著地球進(jìn)入地球板殼的活躍期和人類對(duì)環(huán)境的肆意破壞。現(xiàn)在世界上各種各樣的災(zāi)難越來越多，發(fā)生頻率也越來越高，地震、海嘯、雪災(zāi)、火山爆發(fā)等等災(zāi)難也頻頻發(fā)生。當(dāng)災(zāi)難來臨時(shí)候，通常會(huì)對(duì)災(zāi)區(qū)產(chǎn)生許許多多的破壞，就拿地震來說，當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生后，房屋的倒塌，地面的開裂。還有供電設(shè)備、通訊設(shè)備、等被破壞。食品問題，衛(wèi)生問題，救援問題，通訊問題，等等問題困擾著人們。因此人們想盡辦法，想讓救援變得更加快速、更加準(zhǔn)確、更加科學(xué)、更加有效。但是要做到這些，就要必須保障信息之間的互相傳送的順暢，因?yàn)檫@樣能及時(shí)了解災(zāi)區(qū)受災(zāi)情況和災(zāi)區(qū)還需要一定的電力，才能保證醫(yī)療等設(shè)備的正常運(yùn)作。
摘要 就因?yàn)橛辛诉@些所需要克服的困難，我們所構(gòu)想的通訊排障機(jī)器人從此就產(chǎn)生了。它能給災(zāi)區(qū)提供信號(hào)，保證通話和數(shù)據(jù)信息的傳輸，它還具有太陽能發(fā)電功能，能給災(zāi)區(qū)在夜間進(jìn)行照明，并且提供電力，而我設(shè)計(jì)的通訊排障機(jī)器人擴(kuò)展模塊，對(duì)通訊排障機(jī)器人進(jìn)行了改良，它可以進(jìn)行遠(yuǎn)距離空投，還具有小型生命探測(cè)機(jī)器人，還能進(jìn)行地面的勘察。
關(guān)鍵詞 災(zāi)難 救援 通訊 電力供應(yīng) 機(jī)器人
1．1慧魚組合模型簡(jiǎn)介
“慧魚組合模型”（Fischertechnik），又簡(jiǎn)稱“慧魚”，是由德國發(fā)明家Arthur Fischer 博士在1964 年從其專利“六面拼接體”的基礎(chǔ)上發(fā)明的。它由各種型號(hào)和規(guī)格的零件構(gòu)成，類似于積木。零件的種類很多，幾乎包括了機(jī)械課程和日常生活中的所有零件，如機(jī)械零件：連桿、凸輪、齒輪（普通齒輪、錐齒輪、斜齒輪、內(nèi)嚙合齒輪、外嚙合齒輪等）、蝸輪、蝸桿、螺桿、鉸鏈、帶、鏈條、軸（直軸和曲軸）、聯(lián)軸器、彈簧、減速器、齒輪箱、車輪等；電氣零件：直流電機(jī)、燈泡、電磁氣閥、行程開關(guān)、傳感器（光敏、熱敏、磁敏、觸敏）、可調(diào)直流變壓器、電腦接口板、PLC 接口板、紅外線發(fā)射接收裝置等；氣動(dòng)零件：儲(chǔ)氣罐、汽缸、活塞、氣彎頭、手動(dòng)氣閥、電磁氣閥、氣管等。
由這些零件的不同組合便可構(gòu)造出各式各樣的模型，這些模型主要可分為兩大類：技術(shù)組和機(jī)器人組。技術(shù)組又包括傳感器技術(shù)組、氣動(dòng)技術(shù)組、汽車技術(shù)組、太陽能技術(shù)組、萬能組合包。機(jī)器人組又包括3D 機(jī)器人、計(jì)算機(jī)器人、實(shí)驗(yàn)機(jī)器人、工業(yè)機(jī)器人、移動(dòng)機(jī)器人和氣動(dòng)機(jī)器人。
在慧魚實(shí)驗(yàn)過程中，通過對(duì)各類模型的認(rèn)識(shí)和組裝，從而可以熟悉并掌握各類機(jī)械設(shè)備和自動(dòng)化裝置的常用結(jié)構(gòu)和工作原理。在模型的組建中，將運(yùn)用到機(jī)械加工、氣動(dòng)技術(shù)、電子電路和軟件編程等知識(shí)，從而加深了對(duì)這些相關(guān)課程的理解。另外通過慧魚模型的搭建和組裝也培養(yǎng)了實(shí)際動(dòng)手的能力、解決實(shí)際問題的能力和創(chuàng)新設(shè)計(jì)的能力。
慧魚組合模型實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)比較 與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相比較，慧魚組合模型實(shí)驗(yàn)主要具有如下幾個(gè)特點(diǎn)：
1．實(shí)踐性更強(qiáng)，提高動(dòng)手能力
在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)里，主要是課程中的具體原理或理論的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，如機(jī)械原理中齒輪范成實(shí)驗(yàn)，主要是為了驗(yàn)證齒輪的加工原理；再如機(jī)械設(shè)計(jì)中的帶傳動(dòng)實(shí)驗(yàn)主要是為了驗(yàn)證帶傳動(dòng)中的兩個(gè)重要的現(xiàn)象——彈性滑動(dòng)和打滑。這些傳統(tǒng)型實(shí)驗(yàn)更好的理解課本的理論知識(shí)有很大的幫助，具有課本結(jié)合性強(qiáng)的特點(diǎn)。
而在慧魚組合模型里，主要是一些工程應(yīng)用中的實(shí)際模型，與實(shí)際工程結(jié)合較為緊密，如在萬能組合包中，有風(fēng)扇、虎鉗、機(jī)械式起重機(jī)和建筑式起重機(jī)等模型，這些模型都是日常生活中的實(shí)例，較為真實(shí)的“再現(xiàn)”了這些具體的設(shè)備或儀器。這些模型的工作原理基本上都用到了書本中的理論知識(shí)，從中可以很清楚地看到理論與實(shí)際的具體結(jié)合，因此具有更強(qiáng)的實(shí)踐性。
2． 知識(shí)面更廣，培養(yǎng)綜合素質(zhì)人才
而在慧魚實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容涉及面極廣，不僅包括傳統(tǒng)機(jī)械相關(guān)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，而且還涉及到了能源(包括太陽能)、氣動(dòng)、遙控（如傳感器技術(shù)）、自動(dòng)控制（PLC 控制、單片機(jī)控制）、軟件編程（慧魚公司自帶的編輯軟件LLWin 3.01 ）等多學(xué)科的知識(shí)，最重要是它能夠把這些很好地知識(shí)結(jié)合起來，并體現(xiàn)到某個(gè)模型中。如在烘干機(jī)實(shí)驗(yàn)中，這個(gè)模型實(shí)驗(yàn)就是很好的模仿了公共場(chǎng)所的烘干機(jī)，當(dāng)把手放到風(fēng)扇出口處，風(fēng)扇就會(huì)開始旋轉(zhuǎn)，對(duì)手進(jìn)行烘干；當(dāng)把手拿走時(shí)，風(fēng)扇就停止旋轉(zhuǎn)。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中就用到了機(jī)械知識(shí)（機(jī)械的齒輪傳動(dòng)），自動(dòng)控制知識(shí)（電路和傳感器應(yīng)用）和軟件編程知識(shí)（控制軟件的編制）。
通過慧魚實(shí)驗(yàn)不僅能夠掌握機(jī)械的主要知識(shí)，而且還可以了解到其他專業(yè)的基本知識(shí)，這樣就拓寬了他們的視野和知識(shí)面，有利于培養(yǎng)出高素質(zhì)的綜合類人才。
3． 創(chuàng)新性更高，增加研究性思維
如前所述，傳統(tǒng)型的實(shí)驗(yàn)具有驗(yàn)證性的特點(diǎn)，更注重的是對(duì)已學(xué)理論知識(shí)的驗(yàn)證和理解，而且所涉及的內(nèi)容主要是機(jī)械相關(guān)的內(nèi)容，這樣就大大的限制了學(xué)生的想象和創(chuàng)意的空間，不利于學(xué)生的創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。
2 救援機(jī)器項(xiàng)目的研究意義
在世界各地，由于自然災(zāi)害、恐怖活動(dòng)和各種突發(fā)事故等原因，災(zāi)難經(jīng)常發(fā)生。災(zāi)難過后，災(zāi)后７２小時(shí)是救援的關(guān)鍵時(shí)間。救援界認(rèn)為，在地震等自然災(zāi)害發(fā)生后，災(zāi)后最初的７２小時(shí)是能否成功解救被困人員的最佳時(shí)間。在此時(shí)間段內(nèi)，救活的存活概率極高。而隨著時(shí)間的推移，被壓埋者體力透支、心情絕望，生存希望變得渺茫。據(jù)統(tǒng)計(jì)，地震救援的最佳時(shí)間，應(yīng)該是震后第一天，此后埋壓人員的生還概率迅速下降。如果越拖越后，到后面，除非出現(xiàn)奇跡，否則幾乎沒有生還希望。
而且對(duì)于我們中國來說，人口密集度大，加上現(xiàn)在的土地越來越少，現(xiàn)在的建筑物都開始往高里面建造，還有地下面也開使開發(fā)，地鐵，地下商場(chǎng)，還有大型的商貿(mào)場(chǎng)所，文化娛樂中心這些的迅猛發(fā)展，城市里面的建筑物也不斷的增加。萬一地震發(fā)生在城市的中心，后果不堪想象。
地震后存在易二次倒塌建筑物的現(xiàn)場(chǎng)，施救人員無法深入進(jìn)行偵察或施救，人們急于探知災(zāi)難現(xiàn)場(chǎng)的內(nèi)部險(xiǎn)情，但又不敢或無法接近或進(jìn)入災(zāi)難現(xiàn)場(chǎng)。此時(shí)，救援機(jī)器人的參與可以有效地提高救援的效率和減少施救人員的傷亡，它們不但能夠幫助工作人員執(zhí)行救援工作，而且能夠代替工作人員執(zhí)行搜救任務(wù)，在災(zāi)難救援中起著越來越重要的作用。
房屋倒塌，地面裂痕，救援人員在在這種緊急而危險(xiǎn)的環(huán)境下，救災(zāi)機(jī)器人可以為救援人員提供幫助。 因此，將具有自主智能的救災(zāi)機(jī)器人用于危險(xiǎn)和復(fù)雜的災(zāi)難環(huán)境下“搜索和營救” ( SAR)幸存者，是機(jī)器人學(xué)中的一個(gè)新興而富有挑戰(zhàn)性的領(lǐng)域。
我國一些地方建筑由于利益的驅(qū)動(dòng)，使建筑商所建筑的房子的抗震級(jí)素很低，質(zhì)量問題很嚴(yán)重，不安全因素很多，萬一地震了，火災(zāi)、煤氣管道的泄露，很容易發(fā)生爆炸或者大火?，F(xiàn)在的災(zāi)害事故頻繁發(fā)生，災(zāi)害事故危害嚴(yán)重，傷害人員多。然而災(zāi)難發(fā)生的原因極為復(fù)雜，是偶然性和必然性的結(jié)合，各類災(zāi)害事故存在突發(fā)性、災(zāi)難性、破壞性和繼發(fā)性特點(diǎn)。因此，研究地震救災(zāi)新裝備是一項(xiàng)緊迫任務(wù)。
有的地震發(fā)生后，災(zāi)區(qū)情況完全不清楚，里面通訊完全中斷，要是現(xiàn)在救護(hù)人員無法進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域，被埋人員有可能只能等著死神的來臨了。要是完全靠救援人員進(jìn)行救援的話。余震，救援人員體力不支，心理問題等一系列問題還會(huì)對(duì)救援人員造成傷害，撇開這些不說，救援人員也需要休息，不可能24小時(shí)不間斷不停歇，不吃飯，不喝水的工作下去。隨著科技的發(fā)展，機(jī)器人將被應(yīng)用到各種救災(zāi)領(lǐng)域。 救災(zāi)機(jī)器人利用自身的優(yōu)點(diǎn)，能迅速找到被埋人員的位置，降低事故危害性，對(duì)提高救災(zāi)效率具有重大意義。
2.1 城市地震救援面臨的困難
城市搜索與救援這個(gè)概念脫胎于城市地震災(zāi)害緊急援救，包括定位，營救和對(duì)狹小空間中受災(zāi)者進(jìn)行醫(yī)療急救。目前，城市搜救工作已擴(kuò)展到對(duì)山體滑坡、火山爆發(fā)、海嘯以及恐怖主義襲擊事件。
倒塌建筑物造成的生存空間非常狹小，以至于許多情況下搜索人員和搜索犬不能進(jìn)入，使搜索范圍限制在倒塌建筑物表面范圍。現(xiàn)在城市里面高樓大廈可謂是無處不見，要是地震了，高層建筑物的倒塌，人員被埋，在倒塌后，靠近外面的被困人員相對(duì)于被埋人員來說較容易的獲救，而再廢墟深處的人員就難以被救援人員發(fā)現(xiàn)并且去拯救他，但是在現(xiàn)在機(jī)器人人技術(shù)的誕生和技術(shù)的發(fā)展給人們帶來了希望。
在2001年9月11日的時(shí)候，機(jī)器人在世貿(mào)中心襲擊事件中的應(yīng)用，取得了不錯(cuò)的效果。
圖1 SEA-RAI可在水上疾馳以檢查受損的橋并渡運(yùn)可發(fā)射的浮空機(jī)器人。
圖2 INUKTUN EXTEREME 可穿越困難地形以向生還者發(fā)出雙路音頻。
圖3 CATERPILLAR 可在瓦礫中蜿蜒行進(jìn)，頂部帶有攝像頭可尋找生還者。
2.2 救援隊(duì)面臨的困難
實(shí)踐表明，在救援人員在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施救援過程中存在著許許多多的各種限制和困難例如：
1．當(dāng)救援人員進(jìn)入災(zāi)區(qū)倒塌的房屋廢墟上，或者在廢墟上搭建一些設(shè)備比如說傳感器、支撐架，或者救援隊(duì)員的體重和移動(dòng)也可能會(huì)引起建筑物的進(jìn)一步倒塌，因此救援隊(duì)員必須在結(jié)構(gòu)工程師進(jìn)行評(píng)估之后才能進(jìn)入。
在這次汶川大地震的時(shí)候，一個(gè)七層的學(xué)生公寓在完整的情況下，受到余震后發(fā)生傾倒，雖然建筑物結(jié)構(gòu)完整，但建筑物也可能隨時(shí)發(fā)生破壞，救援人員進(jìn)入建筑物將有巨大風(fēng)險(xiǎn)。此外，大型的教學(xué)樓由于樓層的疊狀倒塌使救援工作更加困難。救援人員只能通過表層進(jìn)入建筑物，而這種倒塌限制救援隊(duì)員進(jìn)入底層部分，由于建筑物局部不嫩夠支撐救援人員在建筑物上的活動(dòng)，很有可能進(jìn)行進(jìn)一步的倒塌的危險(xiǎn)。而救援人員可能由于建筑物倒塌造成壓埋，所以不穩(wěn)定的倒塌結(jié)構(gòu)需要經(jīng)過支撐加固后，救援隊(duì)員才能夠安全進(jìn)入。這個(gè)過程又需要時(shí)間，而對(duì)于災(zāi)區(qū)來說時(shí)間就是生命！
2．救援人員無法進(jìn)入狹窄和不穩(wěn)定的建筑物。由于人身體結(jié)構(gòu)的因素，我們不能進(jìn)入狹小的空間。對(duì)那些被困人員也無法施救，就拿汶川地震來說，有些死著被復(fù)雜的建筑物給埋了，進(jìn)去的空間非常狹小，不能對(duì)其施救，導(dǎo)致搜救犬發(fā)現(xiàn)被困人員后，救援人員無法對(duì)其施救，最后還是死在廢墟之中。
3.由于需要進(jìn)入的空間無光，或者自然光很弱，救援人員需要裝備的幫助才行，像這樣一些礦工頭盔，可旋轉(zhuǎn)的光學(xué)搜索儀等物品來搜救，這樣以來救援人員很容易疲勞，一旦疲勞了就會(huì)使救援人員反映慢，有可能忽略了沒有知覺的受困著[1]。
2.3 機(jī)器人在救災(zāi)方面的優(yōu)勢(shì)
現(xiàn)在的機(jī)器人在城市救援和搜救中有很大的優(yōu)勢(shì)，隨著現(xiàn)代機(jī)器人發(fā)展迅猛，機(jī)器人的技術(shù)也越來越成熟其優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)在：
1．房子倒塌后，機(jī)器人可以立刻工作，可以馬上對(duì)幸存者進(jìn)行搜救，為搜救工作節(jié)約時(shí)間。機(jī)器人是由電子儀器和其他材料制成的，具有可復(fù)制性，即使機(jī)器人發(fā)生意外，仍然可以制造出具有相同功能的機(jī)器人。
2．機(jī)器人它可以進(jìn)入平常難以達(dá)到的空間。能讓搜救人員知道廢墟下的情況，是不是值得去救援，建筑物倒塌后就會(huì)產(chǎn)生各種各樣的空間，通過機(jī)器人進(jìn)去后找出幸存者的位置，然后通過信號(hào)告知給地面人員，讓地面人員可以知道幸存者位置，然后進(jìn)行施救?，F(xiàn)在這種機(jī)器人已經(jīng)有了，例如SHIGEO HIROSE研制出的一種三自由度的爬行機(jī)器人，他可以在彎曲的廢墟中爬行，也能在平坦的路面爬行[2]。
圖4 機(jī)器人Souryu
3．機(jī)器人可以攜帶多種傳感器，可以搭建在機(jī)器人身上，可以很方便的探測(cè)幸存者空間狀況，在機(jī)器人軟件的幫助下對(duì)搜索區(qū)域?qū)嵭型暾娜S搜索，繪制結(jié)構(gòu)圖，提高工作效率和可靠性。搜救機(jī)器人可以攜帶溫度探測(cè)器，探測(cè)人體溫度，給機(jī)器人一個(gè)引導(dǎo)，在運(yùn)用其他的探測(cè)，等配合后，經(jīng)過分析后向救援人員提出意見和建議。
圖5 機(jī)器人測(cè)量脈搏
4．紐約世貿(mào)中心襲擊事件中，機(jī)器人在搜救過程中發(fā)揮了很大的作用，在最初的10天里，機(jī)器人幫助紐約消防局和聯(lián)邦緊急事件管理局小組找到了至少5位受災(zāi)者，這些受災(zāi)者都是機(jī)器人在人和搜救犬不能進(jìn)入得空間找到的[3-4]。
3 救災(zāi)機(jī)器人研究現(xiàn)狀
近年來，特別是“9.11”事件以后，世界上許多國家開始從國家安全戰(zhàn)略的角度研制出各種反恐防暴機(jī)器人、災(zāi)難救援機(jī)器人、工業(yè)機(jī)器人、等一些危險(xiǎn)作業(yè)機(jī)器人用在了災(zāi)難的防護(hù)和救援上面。同時(shí)現(xiàn)在救援機(jī)器人也有著潛在的應(yīng)用背景和市場(chǎng)，一些公司也介入了救援機(jī)器人的研究與開發(fā)。此外，一些機(jī)器人比賽也增加了機(jī)器人救援競(jìng)賽的比賽項(xiàng)目，比如說，這次我們參加的“第四屆全國大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽慧魚組（2010）競(jìng)賽”為救援理論和技術(shù)提供仿真研究的試驗(yàn)平臺(tái)。目前，災(zāi)難救援機(jī)器人技術(shù)正從理論和試驗(yàn)研究開始慢慢的向大學(xué)生，向?qū)嶋H應(yīng)用開始發(fā)展。在災(zāi)難中和災(zāi)難的救援中，機(jī)器人作為一種有效的手段，將成為社會(huì)基礎(chǔ)建設(shè)中不可缺少的部分。
4 國內(nèi)外的救援機(jī)器人研究現(xiàn)狀
4.1 日本
日本他是一個(gè)地震率非常高的一個(gè)國家。它處于地球板塊的活躍板塊，日本在救援機(jī)器人方面開展了相對(duì)全面的工作。自從日本有次，有名的阪神大地震開始后的十幾年時(shí)間里面，日本在災(zāi)難援救防護(hù)方面已經(jīng)形成了完備的國家體系。這一點(diǎn)值得我們國家學(xué)習(xí)和借鑒，其實(shí)日本早在以前就確立了“大都市大震減災(zāi)特別計(jì)劃”以研究如何盡量減少人、物等災(zāi)害損失為目的，研究地震防災(zāi)對(duì)策的理論科學(xué)和基本技術(shù)，進(jìn)一步開發(fā)在地震中使用救援機(jī)器人，其中很多人很多單位參加了這個(gè)項(xiàng)目，包括，大學(xué)、公司還有國家機(jī)關(guān)等。主要研究災(zāi)難中的機(jī)器人系統(tǒng)、傳感技術(shù)、人類控制技術(shù)、和系統(tǒng)集成。
日本東京工業(yè)大學(xué)是最早從事救援機(jī)器人研究的的大學(xué)之一，他們從仿生學(xué)的角度和基于超機(jī)械系統(tǒng)的思想后研制了“ACM”“GENBU”“SOTYU”等多系類救援機(jī)器人樣機(jī)，在仿生機(jī)械及災(zāi)難救援應(yīng)用研究方面，有了卓越的研究成果。圖6為日本東京工業(yè)大學(xué)研制的部分機(jī)器人
圖6日本東京工業(yè)大學(xué)研制的部分機(jī)器人 圖7多節(jié)履帶
日本東京工業(yè)大學(xué)，還提出了一種新的救援機(jī)器人平臺(tái)，如圖7，這個(gè)機(jī)器人由多節(jié)履帶車連接而成的，它能進(jìn)入狹窄的空間，相鄰單元之間由2個(gè)主動(dòng)的自由度關(guān)節(jié)連接或3隨動(dòng)自由度關(guān)節(jié)連接[5]，具有很多好的越障能力和地面適應(yīng)能力。
4.2 美國
在“9.11”事件后，災(zāi)難救援機(jī)器人技術(shù)在美國日益受到重視?！?。11”事件的災(zāi)難現(xiàn)場(chǎng)救援認(rèn)為是災(zāi)難救援機(jī)器人的第一次實(shí)際應(yīng)用。在紐約世界貿(mào)易中心受到恐怖襲擊發(fā)生后的幾個(gè)小時(shí)，美國“機(jī)器人輔助搜救中心”立即組織了一支由機(jī)器人專家和生產(chǎn)廠家技術(shù)人員構(gòu)成的隊(duì)伍，攜帶可以使用的機(jī)器人，趕赴世貿(mào)中心廢墟現(xiàn)場(chǎng)，想救援部隊(duì)，提供了技術(shù)支持，其中有圖8的PACKBOT，圖9的SOLEM
圖8 PACKBOT 圖9 SOLEM
在美國。多個(gè)高校的研究中心，國家研究機(jī)構(gòu)和公司也同時(shí)進(jìn)行了救援機(jī)器人的研究，南佛羅里達(dá)大學(xué)在乃救援機(jī)器人研究中心研制出圖10所示的安裝有醫(yī)學(xué)傳感器的救援機(jī)器人。這種機(jī)器人底部采用可變形履帶驅(qū)動(dòng)具有較高的運(yùn)動(dòng)和探測(cè)能力，同時(shí)機(jī)器人能在災(zāi)難現(xiàn)場(chǎng)獲取幸存者的生理信息和環(huán)境信息，并將其傳送到外界。
圖10 安裝有醫(yī)學(xué)傳感器的救援機(jī)器人
圖11 所示的救援機(jī)器人URBIE系列是美國DARPA高技術(shù)辦公室支持的戰(zhàn)術(shù)移動(dòng)機(jī)器人計(jì)劃中，有JPL\IROBT\CMU\USC多家單位共同研制的災(zāi)難救援機(jī)器人。URBIE研制的初衷是用于城市的軍用和警用，但是他童言能夠用于城市災(zāi)難環(huán)境的探測(cè)和救援作業(yè)，特別是采用輪、腿、履帶復(fù)合式的移動(dòng)機(jī)構(gòu)是機(jī)器人具有更強(qiáng)的運(yùn)動(dòng)能力。
圖11 救援機(jī)器人URBIE系列
4．3 中國
在我國，一些專家學(xué)者也意識(shí)到了災(zāi)難救援等危險(xiǎn)作業(yè)機(jī)器人技術(shù)研究的重要性，國內(nèi)的許多高校和研究所在海難救援機(jī)器人、自主救援無人機(jī)和地面一定特種作業(yè)機(jī)器人等救援機(jī)器人技術(shù)方面開展了研究。
對(duì)災(zāi)難救援而言，在消防機(jī)器人研究方面已經(jīng)取得了顯著的成績(jī)。由公安部傷害消防研究所、上海交通大學(xué)、和傷害消防局三家單位共同承擔(dān)的國家863項(xiàng)目圖12“履帶式、輪式消防滅火機(jī)器人”研制成功并順利通過國家驗(yàn)收。消防滅火機(jī)器人，是一種結(jié)合多種消防手段為一體的新型消防設(shè)備。
圖12 履帶式、輪式消防滅火機(jī)器人
在836計(jì)劃的資助下，中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所開展了多項(xiàng)危險(xiǎn)作業(yè)和極限作業(yè)機(jī)器人研究，其中救援機(jī)器人是重要的一部分。圖13a為蛇形機(jī)器人樣機(jī)，旨在用于非結(jié)構(gòu)環(huán)境中探測(cè)和災(zāi)難救援作業(yè)。該蛇形機(jī)器人可以根據(jù)地面狀況采用蜿蜒、伸縮、側(cè)移和翻滾等多種運(yùn)動(dòng)步態(tài)，在監(jiān)控系統(tǒng)控制的無線控制下，具有一定的三維運(yùn)動(dòng)能力，并可通過安裝在蛇頭上的微型攝像頭蔣現(xiàn)場(chǎng)圖像傳回監(jiān)控系統(tǒng)。
圖11 沈陽自動(dòng)化研究所研究的機(jī)器人
5 機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)
從機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展水平來看，機(jī)器人主要經(jīng)歷了簡(jiǎn)單的可編程機(jī)器人，低級(jí)智能機(jī)器人和高級(jí)智能機(jī)器人三代。
機(jī)器人有幾個(gè)方面是我們有必要去發(fā)展的理由:一個(gè)是機(jī)器人干人不愿意干的事，比如說從事，有毒的、有害的、高溫的或危險(xiǎn)的，把人從這樣的危險(xiǎn)的環(huán)境中解放出來，同時(shí)機(jī)器人可以干不好干的活，比方說在汽車生產(chǎn)線上我們看到工人天天拿著一百多公斤的焊鉗，一天焊幾千個(gè)點(diǎn)，就重復(fù)性的勞動(dòng)，一方面他很累，但是產(chǎn)品的質(zhì)量仍然很低；另一方面機(jī)器人干人干不了的活，這也是非常重要的機(jī)器人發(fā)展的一個(gè)理由，比方說人們對(duì)太空的認(rèn)識(shí)，人上不去的時(shí)候，叫機(jī)器人上天，上月球，以及到海洋，進(jìn)入到人體的小機(jī)器人，以及在微觀環(huán)境下，對(duì)原子分子進(jìn)行搬遷的機(jī)器人，都是人們不可達(dá)的工作。
機(jī)器人有三個(gè)發(fā)展階段，一種是第一代機(jī)器人，那么也叫示教再現(xiàn)型機(jī)器人，它是通過一個(gè)計(jì)算機(jī)，來控制一個(gè)多自由度的一個(gè)機(jī)械，通過示教存儲(chǔ)程序和信息，工作時(shí)把信息讀取出來，然后發(fā)出指令，這樣的話機(jī)器人可以重復(fù)的根據(jù)人當(dāng)時(shí)示教的結(jié)果，再現(xiàn)出這種動(dòng)作，比方說汽車的點(diǎn)焊機(jī)器人，它只要把這個(gè)點(diǎn)焊的過程示教完以后，它總是重復(fù)這樣一種工作，它對(duì)于外界的環(huán)境沒有感知，這個(gè)力操作力的大小，這個(gè)工件存在不存在，焊的好與壞，它并不知道，那么實(shí)際上這種從第一代機(jī)器人，也就存在它這種缺陷[6]。因此，在20世紀(jì)70年代后期，人們開始研究第二代機(jī)器人，叫帶感覺的機(jī)器人，這種帶感覺的機(jī)器人是類似人在某種功能的感覺，比如說力覺、觸覺、滑覺、視覺、聽覺和人進(jìn)行相類比，有了各種各樣的感覺，比方說在機(jī)器人抓一個(gè)物體的時(shí)候，它實(shí)際上力的大小能感覺出來，它能夠通過視覺，能夠去感受和識(shí)別它的形狀、大小、顏色。?
那么第三代機(jī)器人，也是我們機(jī)器人學(xué)中一個(gè)理想的所追求的最高級(jí)的階段，叫智能機(jī)器人，那么只要告訴它做什么，不用告訴它怎么去做，它就能完成運(yùn)動(dòng)，感知思維和人機(jī)通訊的這種功能和機(jī)能，那么這個(gè)目前的發(fā)展還是相對(duì)的只是在局部有這種智能的概念和含義，但真正完整意義的這種智能機(jī)器人實(shí)際上并沒有存在，而只是隨著我們不斷的科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，智能的概念越來越豐富，它內(nèi)涵越來越寬。
6 通訊排障機(jī)器人設(shè)計(jì)思路
地震、雪災(zāi)、海嘯災(zāi)難在世界范圍內(nèi)頻頻發(fā)生，還記得2008年5月12日14時(shí)28分04秒，8級(jí)強(qiáng)震猝然襲來，大地顫抖，山河移位，滿目瘡痍，生離死別……西南處，國有殤。這是新中國成立以來破壞性最強(qiáng)、波及范圍最大的一次地震。地震重創(chuàng)約50萬平方公里的中國大地! 截至2009年5月25日10時(shí)，遇難69227人，受傷374643人，失蹤17923人。其中四川省68712名同胞遇難，17921名同胞失蹤，共有5335名學(xué)生遇難或失蹤。直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)8451億元。
這是中華人民共和國自建國以來影響最大的一次地震。震級(jí)是自1950年8月15日西藏墨脫地震(8.5級(jí))和2001年昆侖山大地震（8.1級(jí)）后的第三大地震，直接嚴(yán)重受災(zāi)地區(qū)達(dá)10萬平方公里。
6.1 通訊方面
有了這次慘烈的教訓(xùn)，我們應(yīng)該在這次事件中吸取教訓(xùn)。所以我們反思，地震這個(gè)是無法預(yù)測(cè)和分析出來的自然現(xiàn)象，但是我們能在地震過后進(jìn)行救援這個(gè)方面動(dòng)腦子，想辦法，如何抓緊時(shí)間，如何更加快速，如何更加有效、科學(xué)的進(jìn)行救援。
大地震發(fā)生以后，原本發(fā)揮主體作用的固定、移動(dòng)電話，因?yàn)橥ㄐ呕A(chǔ)設(shè)施的損毀，已經(jīng)徹底不能發(fā)揮作用。但是，沒有消息是最壞的消息。災(zāi)情、救災(zāi)的各種消息對(duì)于各界都有非常重要的作用。
這次地震發(fā)生后，首先是通訊完全中斷，救援的人們和關(guān)心里面災(zāi)情的人們還有受災(zāi)的人們完全沒辦法得知里面或者外面的情況，現(xiàn)在的人類要是失去了信息就等于是“瞎子”，其實(shí)這點(diǎn)和戰(zhàn)爭(zhēng)中的偵查很像，要是不知道里面情況也不能貿(mào)然前進(jìn)，也不能分析出里面災(zāi)情的具體情況。這次的汶川地震發(fā)生后，由于中國雷達(dá)衛(wèi)星系統(tǒng)現(xiàn)在還不是很完善，“北斗七星”計(jì)劃現(xiàn)在還沒完全實(shí)施，這次的汶川地震受災(zāi)后的衛(wèi)星地圖還是靠美國的援助，提供衛(wèi)星技術(shù)下顯示的汶川地震后的全貌。所以說信息是非常重要的東西，要是我們能保證通信的正常運(yùn)作，災(zāi)區(qū)信號(hào)能暢通，就算是手機(jī)信號(hào)通暢也許還能少死些人……還能讓救援部隊(duì)知道被困在哪里。一直到5月13日21∶06，汶川地震震中映秀鎮(zhèn)，在與外部失去聯(lián)系長達(dá)33個(gè)小時(shí)后，首次通過衛(wèi)星電話向成都抗震救災(zāi)指揮中心匯報(bào)了當(dāng)?shù)貫?zāi)情?！靶l(wèi)星電話”這種原本“沉寂”的通信方式開始在抗震救災(zāi)工作中發(fā)揮起重要作用。
“不到關(guān)鍵時(shí)刻，不知道衛(wèi)星通信有多么重要；不到關(guān)鍵時(shí)刻，不知道我們的衛(wèi)星保障系統(tǒng)有多么脆弱。”北京郵電大學(xué)電信學(xué)院博士王凱亮說到。
在地震災(zāi)區(qū)搶救通訊設(shè)備，在冒著余震，落石，還是很危險(xiǎn)的，就拿這次汶川地震來說，有一位中國移動(dòng)成都通信建設(shè)工程局一處員工——?jiǎng)⒔ㄇ?，?。12汶川特大地震災(zāi)害”發(fā)生前一直在阿壩州馬爾康進(jìn)行中國移動(dòng)村通工程建設(shè)。地震發(fā)生后，中國移動(dòng)緊急動(dòng)員，安排所有施工部門立即投入搶險(xiǎn)救災(zāi)。
劉健秋所在搶險(xiǎn)隊(duì)共36名隊(duì)員奉命趕赴災(zāi)區(qū)，在第一時(shí)間打通 “馬爾康——理縣——汶川”重要通信光纜，恢復(fù)汶川對(duì)外聯(lián)系。
2008年5月16日13：30，正在馬爾康至理縣段的古爾溝鎮(zhèn)附近進(jìn)行光纜搶險(xiǎn)施工的劉建秋同志不幸被理縣突發(fā)5.9級(jí)強(qiáng)烈余震所造成的山體滑坡飛石擊中，劉建秋當(dāng)即被送入解放軍臨時(shí)醫(yī)療站治療，終因失血過多，搶救無效，于今晨9：00犧牲，英年36歲。這樣的血一般的事實(shí)呈現(xiàn)在我們面前，我們要是有機(jī)器人人能提供信號(hào)服務(wù)，能給災(zāi)區(qū)帶來信號(hào)的話該多好。
我曾經(jīng)看到過這樣一個(gè)新聞，地震那時(shí)候一則電話拯救了一個(gè)200多人的旅游團(tuán)，要是他們打不出那個(gè)電話，他們就會(huì)被餓死，渴死在那個(gè)地方，可見那時(shí)的信號(hào)是多么的寶貴。
6.2 電力方面
地震發(fā)生后，電力站必定給毀掉，醫(yī)療，民用，等一系需要用到電的地方都停止了供電，夜晚就完全的一片漆黑，沒有燈光，沒有聲音，死一般的寂靜，還伴隨著一陣陣的余震……當(dāng)救援隊(duì)員來臨的時(shí)候，醫(yī)療設(shè)備由于沒有電力供應(yīng)，等同于一堆廢銅爛鐵，在漆黑的夜里也要進(jìn)行救援，因?yàn)闀r(shí)間就是生命，在一開始的幾晚里面，都是用微弱的小燈，和靠著月光的亮度進(jìn)行救援的，一塊塊磚塊搬走，要是有電力的供應(yīng)，要是有大型照明設(shè)備多好，電力能給醫(yī)療設(shè)備和一些機(jī)器提供電力供應(yīng)，給人們帶來光明，光明就相當(dāng)于生命。
要是沒有電力，災(zāi)區(qū)何等的恐怖。要是醫(yī)院停電了，醫(yī)院的病人會(huì)怎么樣？要是警察局停電了，警察如何工作？等等一些重要部門有時(shí)候是不能停電的。
在地震以后，發(fā)電站基本處于癱瘓狀態(tài)了，電力基本就停止供應(yīng)了，要想有發(fā)電設(shè)備也不能馬上投入到使用。要是有個(gè)太陽能發(fā)電設(shè)備進(jìn)入災(zāi)區(qū)，進(jìn)行發(fā)電和產(chǎn)電多好。
6.3 地面廢墟方面
地震，海峽，雪災(zāi)，泥石流，等大型災(zāi)難發(fā)生后，地面有許多高高低低，和震塌房子的碎石，掉落地面，有些小型車輛不能通過，我們?cè)O(shè)計(jì)的機(jī)器人，可以吧一些地面上的碎石清理出來，可以讓小車通過，這樣就保證了運(yùn)輸線路的暢通，這樣給救援能帶來方便。運(yùn)用同樣的清理道路功能也可適用清理雪災(zāi)路面?？梢郧謇沓鲆粋€(gè)合適的安全區(qū)域，沒有碎石，也可以給直升飛機(jī)提供一個(gè)安全的起降區(qū)域，避免滿地的廢墟，這樣直升飛機(jī)無法安全的停下來。
6.4 通訊排障機(jī)器人的設(shè)計(jì)
鑒于這樣的一種種救援遇到的困難，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種全自動(dòng)的通訊排障機(jī)器人。使實(shí)現(xiàn)以下的一些功能：
信號(hào)是一個(gè)非常關(guān)鍵的東西，在現(xiàn)在的社會(huì)里面，要是沒有信號(hào)，飛機(jī)不能飛，手機(jī)不能用，對(duì)于災(zāi)區(qū)信號(hào)也尤其的重要，往往一則電話能救出好多人，所以我們?cè)O(shè)計(jì)的機(jī)器人是想把信號(hào)放在第一位，因?yàn)橛辛诵盘?hào)才能有有效的組織，才能有“眼睛”，能發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，并且找到它，進(jìn)行施救。
這個(gè)有點(diǎn)類似于地面移動(dòng)通信的轉(zhuǎn)發(fā)基站，但是優(yōu)點(diǎn)在于基站在天上，幾乎不受干擾，所以衛(wèi)星通信公司現(xiàn)在宣稱:只要你站的位置能夠看見太陽和月亮，我就能保證你通信沒有盲區(qū)，隨時(shí)通信。 而現(xiàn)在，大家都知道，我國的移動(dòng)和聯(lián)通，包括全世界所有國家的民用移動(dòng)通信系統(tǒng)。都不敢保證絕無通信盲區(qū)，我們的移動(dòng)公司在中國因?yàn)槠鸩捷^早，盲區(qū)少一些，現(xiàn)在也只敢說全中國百分之97以上網(wǎng)絡(luò)覆蓋。而衛(wèi)星通信，則可以保證絕無盲區(qū)，這個(gè)就是衛(wèi)星電話的優(yōu)勢(shì)。
可見在災(zāi)區(qū)來說可是一個(gè)救命的稻草，要是我們載發(fā)生災(zāi)難后把衛(wèi)星搬到地上面上保障通訊呢，所以我們?cè)O(shè)計(jì)出來個(gè)通訊機(jī)器人的總體思路就誕生了。
雷達(dá)功能主要運(yùn)用在災(zāi)區(qū)沒有信號(hào)后，一個(gè)通訊保障，它一方面可以給災(zāi)區(qū)的手機(jī)提供信號(hào)來源，讓手機(jī)信號(hào)直接通過雷達(dá)信號(hào)的傳輸，在打出去，這樣就能讓手機(jī)有信號(hào)通過傳輸，還能定位手機(jī)所在的部位，通過搜救隊(duì)員努力還能進(jìn)行救援。
還有個(gè)功能是提供給救援部隊(duì)用，那些無線設(shè)備就能靠這個(gè)通訊排障機(jī)器人進(jìn)行相互之間的通訊了。這樣可以取代一些小和頻率低的工作設(shè)備，這樣一個(gè)設(shè)備能多種用處
還有我們?cè)O(shè)計(jì)的機(jī)器人考慮到災(zāi)區(qū)缺乏電力，我們的機(jī)器人還裝有一個(gè)太陽能發(fā)電裝置。太陽能發(fā)電裝置不是個(gè)普普通通的就一塊太陽能板能搞定的，我簡(jiǎn)單介紹下整個(gè)系統(tǒng)的構(gòu)造
利用太陽能發(fā)電系統(tǒng)由太陽能電池組、太陽能控制器、蓄電池（組）組成。如輸出電源為交流220V或110V，還需要配置逆變器。
他們之中，太陽能電池板是太陽能發(fā)電系統(tǒng)中的核心部分，也是太陽能發(fā)電系統(tǒng)中價(jià)值最高的部分。其作用是將太陽的輻射能力轉(zhuǎn)換為電能，或送往蓄電池中存儲(chǔ)起來，或推動(dòng)負(fù)載工作。太陽能電池板的質(zhì)量和成本將直接決定整個(gè)系統(tǒng)的質(zhì)量和成本。
還有太陽能控制器的作用是控制整個(gè)系統(tǒng)的工作狀態(tài)，并對(duì)蓄電池起到過充電保護(hù)、過放電保護(hù)的作用。在溫差較大的地方，合格的控制器還應(yīng)具備溫度補(bǔ)償?shù)墓δ?。其他附加功能如光控開關(guān)、時(shí)控開關(guān)都應(yīng)當(dāng)是控制器的可選項(xiàng)。蓄電池：一般為鉛酸電池，小微型系統(tǒng)中，也可用鎳氫電池、鎳鎘電池或鋰電池。其作用是在有光照時(shí)將太陽能電池板所發(fā)出的電能儲(chǔ)存起來，到需要的時(shí)候再釋放出來。
逆變器：在很多場(chǎng)合，都需要提供220VAC、110VAC的交流電源。由于太陽能的直接輸出一般都是12VDC、24VDC、48VDC[7-11]。為能向220VAC的電器提供電能，需要將太陽能發(fā)電系統(tǒng)所發(fā)出的直流電能轉(zhuǎn)換成交流電能，因此需要使用DC-AC逆變器。在某些場(chǎng)合，需要使用多種電壓的負(fù)載時(shí)，也要用到DC-DC逆變器，如將24VDC的電能轉(zhuǎn)換成5VDC的電能（注意，不是簡(jiǎn)單的降壓）。
由于我們慧魚材料的有限性，這次的太陽呢實(shí)驗(yàn)沒能進(jìn)行下去，我們有用了一塊板簡(jiǎn)單的代替了太陽能材料，我們只是進(jìn)行一個(gè)演示，說明他是一個(gè)可以發(fā)電的裝置，要是真正做起來也是可行的。
排障功能，也是我們機(jī)器人的一個(gè)優(yōu)勢(shì)，由于我們給我們所設(shè)計(jì)的機(jī)器人設(shè)計(jì)了一個(gè)會(huì)排障的爪子，在災(zāi)區(qū)地面全是廢墟的時(shí)候，可以利用爪子進(jìn)行排障，當(dāng)前面障礙物少的時(shí)候可以利用車的推力吧垃圾推到一邊，當(dāng)障礙物累計(jì)到一定量的時(shí)候我們就利用
爪子把障礙排除掉。
6.4.1通訊排障機(jī)器人公辦工作過程
現(xiàn)在世界上各種各樣的機(jī)器人越來越多，也越來月先進(jìn)，每個(gè)機(jī)器人它的每個(gè)用處都不一樣，有的專門滅火，有的專門排爆，有的專門清理障礙，我們?cè)O(shè)計(jì)的機(jī)器人是專門提供后勤保障之用的，現(xiàn)在這些機(jī)器人并不多，因?yàn)榇蠹蚁氲亩际侨绾稳ゾ热?，滅火。古人有云“兵馬未動(dòng)，糧草先行”所以說，后勤保障是勝利的關(guān)鍵，從這點(diǎn)出發(fā)，我們的機(jī)器人就秉承這個(gè)傳統(tǒng)的理念，做一個(gè)后勤。
我們的通訊排障機(jī)器人是基于通訊，排障，電力照明，太陽能發(fā)電結(jié)合一體的機(jī)器人（圖12）。我們機(jī)器人整體是力量方方正正的機(jī)器人結(jié)構(gòu)體，形成一輛向方塊城堡的防御體，在車的前部有一對(duì)排障用的爪子當(dāng)遇到小型障礙物的時(shí)候利用車身自己馬達(dá)的動(dòng)力，利用爪子的角度，把障礙物推到一邊，這個(gè)有點(diǎn)像推土機(jī)，他障礙物推到馬路一旁。當(dāng)障礙物累計(jì)到一定的時(shí)候，會(huì)碰到前面的4個(gè)接觸開關(guān)（圖13），然后車輛就會(huì)停止前進(jìn)，閉合著的爪子（圖14）通過一個(gè)馬達(dá)帶動(dòng)鏈條，連天帶動(dòng)蝸桿，蝸桿上的蝸桿塊就會(huì)向前移動(dòng)，通過支撐板支開爪子把障礙一起推開，同時(shí)清理障礙（圖15），回收爪子，然后車輛繼續(xù)前進(jìn)，爪子的這個(gè)部分是一個(gè)自動(dòng)循環(huán)部分，
多用途機(jī)械排障爪在鏟垃圾過程中，爪的變形和破壞的形式取決于碎石的狀態(tài)、大小，鏟刀的切削參數(shù)等因素。一般切削角可取
50°～70°。清除小型的碎石時(shí)，切削角可稍大些；清除大型的石頭時(shí)，需要較小的切削角。
只要障礙物多了就會(huì)重復(fù)動(dòng)作，他的作用就是清理道路上的廢墟把一條道路清理出來給后續(xù)部隊(duì)進(jìn)入災(zāi)區(qū)，提供幫助。多用途機(jī)械排障爪是清理地面垃圾的主體部分，是我們?cè)O(shè)計(jì)的排障的一個(gè)主要功能用處，多用途機(jī)械排障爪鏟障礙物的過程是利用多用途機(jī)械排障爪機(jī)械的方法，將由汽車推力將路面垃圾與路面分離開來的過程。
我們車的主題部分是一個(gè)升降臺(tái)，（圖16）平時(shí)不使用雷達(dá)的時(shí)候，人們可以利用它作為一個(gè)運(yùn)輸平臺(tái)，上面可以放一些醫(yī)療、食品、帳篷等一些急需物品，可以利用機(jī)器人把他們帶到災(zāi)區(qū)里面。到到達(dá)后拿下來物品，我們就可以工作了，開始升降臺(tái)上升，通過前部的馬達(dá)帶動(dòng)齒輪帶動(dòng)蝸桿然后整個(gè)平臺(tái)上升，接著通過繞線器把尾部的升降臺(tái)往上啦，繩子收縮，拉動(dòng)升降臺(tái)，升降臺(tái)做90°翻轉(zhuǎn)（圖17）。然后隱藏在多功能平臺(tái)下面有兩根柱子也會(huì)升起來。兩根柱子分別有2個(gè)獨(dú)立的功能，一個(gè)是雷達(dá)，一個(gè)是大功率照明燈。災(zāi)區(qū)發(fā)生災(zāi)難后通訊幾乎癱瘓，此時(shí)此刻我們的雷達(dá)可以為災(zāi)難現(xiàn)場(chǎng)提供通訊，可以把災(zāi)難現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際災(zāi)難情況第一時(shí)間反饋給指揮部，為營救方案提供最及時(shí)的信息。因地震導(dǎo)致電力設(shè)施的毀壞，災(zāi)難現(xiàn)場(chǎng)沒有任何電源，尤其在晚上。晚上沒有照明設(shè)施會(huì)給救災(zāi)進(jìn)度帶來很大的不便，我們機(jī)器人有大功率的照明設(shè)施，為災(zāi)難現(xiàn)場(chǎng)提供全方位照明，為在夜間工作帶來極大的方便。
在整個(gè)車身上我們安裝了兩個(gè)傳感器，一個(gè)安裝在車架下方，它是一個(gè)尋跡傳感器，它是更具光的反射來進(jìn)行尋跡的，現(xiàn)在的馬路上都有一條白色的線，我們就可以更具反光程度不同，進(jìn)行識(shí)別前進(jìn)。不過這個(gè)功能適合于掃雪。其他的是道路是它可以按照預(yù)先模擬還的路線進(jìn)行行走，當(dāng)偏離軌道就可以自動(dòng)尋找路線，從而回到預(yù)先安排好的路線上。還有一個(gè)是光感傳感器，它則是安裝在機(jī)器人的側(cè)面，它的作用是用來尋找一個(gè)指定的光源，當(dāng)機(jī)器人尋找到預(yù)先設(shè)計(jì)好的光源時(shí)，機(jī)器人就知道已經(jīng)到達(dá)目的地了，然后根據(jù)預(yù)先設(shè)計(jì)好的程序開始工作。
圖12 通訊排障機(jī)器人
圖13觸控開關(guān) 圖14爪子閉合前
圖15 清理障礙
圖16 升降臺(tái)
圖17 升降臺(tái)翻轉(zhuǎn)后雷達(dá)上升
7． 通訊排障機(jī)器人的擴(kuò)展
我們?cè)O(shè)計(jì)的通訊排障機(jī)器人是有優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)并在的一個(gè)機(jī)器人，我們?cè)O(shè)計(jì)出來后發(fā)現(xiàn)這個(gè)機(jī)器人有些地方不是很好，結(jié)構(gòu)也不是穩(wěn)定，有些地方并不是很好，從這點(diǎn)出發(fā)，并且基于這些種種原因，我設(shè)計(jì)了一個(gè)通訊排障機(jī)器人的改良的版本，也可以說是直體現(xiàn)通訊機(jī)器人，的通訊功能，去掉了排障這個(gè)功能，通訊排障機(jī)器人擴(kuò)展型號(hào)就誕生了。
圖18 通訊排障機(jī)器人的擴(kuò)展型號(hào)
7.1 思路介紹
我所構(gòu)思的的機(jī)器人，他和通訊排障機(jī)器人基本構(gòu)思是一樣，主要是覺得某些地方的不足，然后我進(jìn)行改良，從圖紙和理論上進(jìn)行更正，從圖上看，最明顯的是去掉了機(jī)器人前面的排障用的爪子，還增加了一個(gè)小型探索機(jī)器人，他具有偵查地形。我把地盤進(jìn)行了改良，原來的輪子被我改掉了改成履帶式的了，在災(zāi)區(qū)，輪式的機(jī)器人很難前進(jìn)，畢竟輪式有他致命的弱點(diǎn)，輪胎的損壞，也不能進(jìn)行爬坡，也不能越障，還有下盤的不穩(wěn)定，容易陷入泥土中，而履帶卻沒有。而全方面的照明設(shè)備我也在機(jī)器人身上裝了6個(gè)，前面2個(gè)身體四周左邊2個(gè)右邊兩個(gè)這樣照明的范圍也很廣了。這樣就不會(huì)有盲區(qū)了而背部沒有裝有燈，應(yīng)為在背部肯定是屬于一個(gè)安全區(qū)域的，多了個(gè)燈也沒什么用處，背后肯定是屬于自己的安全點(diǎn)，有其他小型照明設(shè)備也夠了。
當(dāng)?shù)卣鸬臅r(shí)候，災(zāi)區(qū)交通肯定完全堵塞，光靠地面很難進(jìn)去的，也很難空投大型開拓設(shè)備，因?yàn)椴恢览锩娴木唧w情況，而我設(shè)計(jì)的機(jī)器人可以進(jìn)行空投，后面的軍綠色的是個(gè)降落傘，可以分開變成4朵小傘，分別在通訊排障機(jī)器人的兩側(cè)有4個(gè)環(huán)，那個(gè)是掉降落傘用的，。這樣能穩(wěn)定的降落在地面。機(jī)器人質(zhì)地輕，面積小，可以通過這樣的來把通訊設(shè)備投放去災(zāi)區(qū)，可以利用小型機(jī)器人進(jìn)行地形的偵查。
而頂上的黑色的太陽能板充當(dāng)了雷達(dá)防護(hù)板，雷達(dá)不用的時(shí)候可以縮進(jìn)去，保護(hù)好雷達(dá)，避免應(yīng)為落石砸壞了。
8． 通訊排障機(jī)器人個(gè)部位介紹及其運(yùn)動(dòng)分析
下面介紹每個(gè)機(jī)器人重要部位，以及部分的運(yùn)動(dòng)分析
8.1 履帶
我設(shè)計(jì)的機(jī)器人主要是采用履帶行走，履帶就像是給機(jī)器人鋪了一個(gè)無限延長的軌道一樣，使它能夠平穩(wěn)、迅速、安全地通過各種復(fù)雜路況。由于接地面積大，所以增大了機(jī)器人在松軟、泥濘路面上的通過能力，降低了下陷量。由于履帶板上有花紋并能安裝履刺，所以在雨、雪、冰或上坡等路面上能牢牢地抓住地面，不會(huì)滑轉(zhuǎn)。由于履帶接地長度長，誘導(dǎo)輪中心位置較高，所以通過壕溝、垂壁的能力較強(qiáng)，我所設(shè)計(jì)的機(jī)器人一般能越壕寬度可達(dá)60米左右，因?yàn)槲以O(shè)計(jì)的機(jī)器人總廠才120厘米，可通過25厘米高的垂直墻。履帶還有一個(gè)特殊功能，在過河時(shí)，采取潛渡，在河底行走；若是浮渡履帶可以象螺旋槳一樣產(chǎn)生推進(jìn)力，驅(qū)使車輛前進(jìn)。
機(jī)器人重量大，用履帶的話可以減小單位面積壓力，對(duì)路面的要求可以小點(diǎn)。且防御性能和越野性能比輪式要好，輪式結(jié)構(gòu)比履帶簡(jiǎn)單，一般都用于輕裝甲車輛，公路速度比履帶車輛好。維護(hù)方面也比履帶簡(jiǎn)單得多。
而第一代通訊排障機(jī)器人，他擁有爪子可以吧路面的障礙清理掉，也是可以采用輪式的，輪式車輛主要是為了在平坦的公路上行駛，而再地震災(zāi)區(qū)上是沒有平坦的道路，只有各式各樣的路況。為了面對(duì)各種路況，而采用履帶式車輛。這種車輛的好處是，抓地力強(qiáng)，可以減小機(jī)器人對(duì)路面的壓力，防止陷入路面下，再懸掛系統(tǒng)方面要比輪式車輛要好，這樣可以使機(jī)器人在各種路況下，行駛的的更平穩(wěn)。由于輪胎對(duì)氣壓要求比較高，有時(shí)也很容易出現(xiàn)暴胎，對(duì)抗震救災(zāi)救援行動(dòng)很大影響。輪胎和容易陷入泥濘的路面，但是履帶就不會(huì)陷入，由于它與地面的接觸面積要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于輪胎與地面的接觸面積，所以它就不會(huì)陷入泥濘的路面。因此我設(shè)計(jì)的機(jī)器人要采用履帶式而不用輪式。
我的機(jī)器人采用的履帶上的輪子的布局是第一個(gè)和最后一個(gè)作為張緊輪使用，使鏈條不會(huì)松動(dòng)，掉下去，從而導(dǎo)致輪子里面的齒輪和履帶的齒條碰撞。
我使用2個(gè)主動(dòng)輪（圖19從右往左），帶動(dòng)前、中、后，三個(gè)輪子，這5個(gè)輪子采用齒輪之間的嚙合傳動(dòng)（圖20），2個(gè)主動(dòng)輪向后轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候，帶動(dòng)從動(dòng)輪向前運(yùn)動(dòng)。從動(dòng)輪向前運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)履帶，履帶向后運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)整個(gè)車輛的倒退。這樣設(shè)計(jì)的目的使齒輪之間的嚙合變得緊湊，不在需要傳動(dòng)裝置帶動(dòng)其他輪子一起向一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，這樣一來動(dòng)力也會(huì)變得足，能越坡，前輪和底輪的角度為30°，按照理論算出來，可以越25°的坡度。
圖19 履帶底盤
圖20主動(dòng)輪和從動(dòng)輪
8.1.1履帶穩(wěn)定性分析
由于履帶是有電機(jī)帶動(dòng)，所以容易出現(xiàn)履帶的移動(dòng)速度不相等，是由于驅(qū)動(dòng)左右履帶的電機(jī)在性能上的誤差，使左右電機(jī)的轉(zhuǎn)速不完全相同，囚此盡管給電機(jī)兩邊輸入完全相同的指令，也會(huì)出現(xiàn)左右履帶不相同的速度，從而導(dǎo)致機(jī)器人木身就存在偏離的內(nèi)在囚素。
圖21所示是機(jī)器人爬上一個(gè)傾角為25。的樓道時(shí)出現(xiàn)的側(cè)向傾斜，橫坐標(biāo)為機(jī)器人移動(dòng)的距離，縱坐標(biāo)為機(jī)器人偏轉(zhuǎn)的角度。圖中顯示，機(jī)器人自主爬上樓梯時(shí)比，較容易偏離其預(yù)定的運(yùn)動(dòng)方向，機(jī)器人爬的樓梯越長，其偏離直線的角度就越大，側(cè)向傾斜的程度越嚴(yán)重，當(dāng)機(jī)器人處于橫向狀態(tài)時(shí)，就很容易番羽下樓梯。
圖21 機(jī)器人爬樓時(shí)運(yùn)動(dòng)姿態(tài)圖
經(jīng)過分析當(dāng)機(jī)器人爬上樓梯時(shí)假設(shè)其左右兩側(cè)的履帶速度分別為Vt和Vr，如圖22所示。根據(jù)履帶車輛的轉(zhuǎn)向理論可知，機(jī)器人不僅作平移運(yùn)動(dòng)，同時(shí)作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，假設(shè)履帶中心距為b從而機(jī)器人回轉(zhuǎn)的角速度為
ω=（Vt-Vr）/b （8-1）
圖22 履帶速度偏差引起的偏離
顯然，當(dāng)機(jī)器人兩側(cè)履帶速度不等時(shí)，機(jī)器人就會(huì)按一定的弧線行走，速度差值越大，機(jī)器人的回轉(zhuǎn)半徑越小，其旋轉(zhuǎn)角速度越大，所以機(jī)器人的偏離就越嚴(yán)重，即偏轉(zhuǎn)角中越大，顯然當(dāng)機(jī)器人偏離到一定程度時(shí)，機(jī)器人就容易翻下樓梯。
機(jī)器人一般都有一些其它部分組成，由于機(jī)器人多個(gè)不同重量組成，他的重心很難保證，當(dāng)重心偏向左邊履帶時(shí)，其左邊履帶受到的摩擦阻力要比右邊履帶的摩擦阻力要大，這樣左邊履帶需要克服的扭距要比左邊的大，從而導(dǎo)致機(jī)器人側(cè)向傾斜。圖23所示機(jī)器人在坡度上的受力分析。
Fl和Fr分別為左右履帶的法句力，e為機(jī)器人重心的偏心距。根據(jù)力及力矩平衡條可求出左右履帶的法向力之比[11-16]
Fl /Fr=(b+2e)/(b-2e) (8-2)
很容易看出當(dāng)e在左邊時(shí)，履帶左右法相力大于1，說明左邊履帶大于右邊履帶的法相力，反之則數(shù)據(jù)相反。
圖23機(jī)器人在樓梯上的受力分析
當(dāng)機(jī)器人越障時(shí)候，以速度V越上障礙物，l為履帶與地面觸長度重心位于障礙物支點(diǎn)。的左邊時(shí)，此時(shí)履帶底線與地面之間的夾角φ隨著時(shí)間t而逐漸增大，由圖24可得
sinφ=ho/(l-vt)
式中:ho障礙物高度，由于ho＜＜l,故φ值較小，sinφ≈φ此時(shí)機(jī)器人的角速度ω和加速度ε為
ω=φ=dφ/dt=vho/(l-vt)2 （8-3）
ε=φ=d2φ/dt2=2v2ho/（l-vt）2 （8-4）
圖24機(jī)器人越上障礙物
分析表明，機(jī)器人在自我運(yùn)作時(shí)候，跨越復(fù)雜障礙時(shí)候，爬坡時(shí)候容易發(fā)生左右履帶的移動(dòng)速度不足，甚至發(fā)生傾斜，側(cè)翻所以給機(jī)器人裝有個(gè)攝像頭，用人員來操控還是比較穩(wěn)定的。
8.2后背儲(chǔ)存箱
圖25為后備存儲(chǔ)箱，它是一個(gè)全封閉的環(huán)境，下面的們是利用馬達(dá)帶動(dòng)，會(huì)繞著軸旋轉(zhuǎn)90°，下面的儲(chǔ)備箱是給放機(jī)器人的馬達(dá)、排線等一些機(jī)器人的控制設(shè)備，這樣保護(hù)起來，使機(jī)器人不容易受傷，不容易損壞。到達(dá)目的地時(shí)候，或者需要放出小機(jī)器人的時(shí)候，打開上面的艙門，上面的艙門是垂直打開的，只能打開一半，這樣是為了節(jié)約時(shí)間，要全打開，沒有那個(gè)必要。下面的艙門90°垂直打開后還能給小機(jī)器人利用下，當(dāng)做一個(gè)平臺(tái)起飛，和降落，讓小機(jī)器人探索地形，和探索存在的生命。上面的儲(chǔ)存箱，可以裝有一些小型機(jī)器人，目的是讓小機(jī)器人去探索環(huán)境。上面的儲(chǔ)備箱，前面半段是放有一個(gè)液壓泵，它是升降雷達(dá)之用，不過除了這些還有很大的空間，可以存食物，或者飲用水還有醫(yī)療用品。去救助災(zāi)區(qū)人民。
圖25 后備存儲(chǔ)箱
8.3空降設(shè)備
圖26為降落傘設(shè)備，它是由四朵小傘組成的，每個(gè)圓環(huán)就是一個(gè)降落傘的中心點(diǎn)，他于圖27上每個(gè)環(huán)配合，形成一個(gè)環(huán)對(duì)應(yīng)一個(gè)傘，到時(shí)降落的安全性和穩(wěn)定性就會(huì)大大提高，也不會(huì)出現(xiàn)大的震動(dòng)。采用這個(gè)裝置是考慮到，在災(zāi)區(qū)的時(shí)候，地震肯定會(huì)把路面震塌，路也會(huì)斷斷續(xù)續(xù)的，震碎的石頭磚塊也到處是，這樣馬路上肯定不能一下子就進(jìn)入到災(zāi)區(qū)里面。既然陸地上一時(shí)半或進(jìn)去不了，我們就可以采用空投，在災(zāi)區(qū)每個(gè)地方投下幾個(gè)機(jī)器人，可以充分利用雷達(dá)，讓這幾個(gè)機(jī)器的使用范圍遍布災(zāi)區(qū)，給災(zāi)區(qū)帶來信號(hào)，同時(shí)還能放出小機(jī)器人進(jìn)行地震后的3維地圖繪制，這樣能讓救援組更方便，有了最新地圖的話指哪里就能去哪了。
圖26 降落傘
圖27降落傘搭扣
8.4雷達(dá)裝置
雷達(dá)是我設(shè)計(jì)的這個(gè)機(jī)器人的核心東西，主要是靠他工作，但是由于慧魚組的材料有限，我也不能真正的模擬出雷達(dá)的作用，這里也就畫了個(gè)圖，讓大家知道下，要是以后有機(jī)會(huì)還能進(jìn)行改進(jìn)和完全制造起來。
圖28為雷達(dá)保護(hù)狀態(tài)中的樣子，這時(shí)的雷達(dá)就藏在哪個(gè)黑色的盒子里面。這個(gè)是保護(hù)雷達(dá)用的，雷達(dá)也可以在這個(gè)里面工作，到時(shí)候我們只需采用透波材料即可。這樣子主要是為了防止雷達(dá)受到一些損失砸壞雷達(dá)，圖29上面的黑色太陽能板，是可以移動(dòng)的，要是雷達(dá)要伸出來，進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸?shù)脑掍摶ＡУ奶柲馨逋ㄟ^里面的液壓裝置相互伸出，就讓板相互移動(dòng)推到一定距離，為下面的雷達(dá)把窗戶打開，下面的雷達(dá)就能通過6個(gè)小型的液壓泵傳送，把雷達(dá)推上去。而下面的灰色的，在中間的是一個(gè)大型液壓泵，它可以吧這個(gè)雷達(dá)裝置托起來，在配合裝在這個(gè)雷達(dá)裝置四周的4個(gè)小泵，平穩(wěn)的把它托起來。圖30為裝置的開啟圖。
8.4.1雷達(dá)支架氣動(dòng)部分設(shè)計(jì)
(設(shè)定一個(gè)氣缸的壓力為Y)
對(duì)于單個(gè)氣缸： S=r2=3.14 X (0.0055)2=9.5× (8-5)
對(duì)于六個(gè)氣缸： 4Y=4PS≥mg (8-6)
P≥mg/6s=10×9.8/3×9.5×=0.31MPa (8-7)
圖28 雷達(dá)保護(hù)時(shí)
圖29 太陽能板
圖30 雷達(dá)升起
8.5小型遙控探索機(jī)器人
圖31為小型遙控探索機(jī)器人。是可以放在這個(gè)通訊機(jī)器人里面的，一個(gè)子塊。在地震時(shí)候要是沒有地震的全部災(zāi)區(qū)面貌圖，也很難進(jìn)行地面的評(píng)估，和找到一條很好的救援路線，和進(jìn)入點(diǎn)，因?yàn)橛辛诉@種想法，所以每個(gè)通訊機(jī)器人都搭載有這個(gè)小機(jī)器人，這個(gè)機(jī)器人可以多個(gè)搭載，方便快速的查找和掃描地形和搜索人員。這個(gè)機(jī)器人人裝有一個(gè)螺旋槳，它的功能和直升機(jī)一樣，垂直上下移動(dòng)，下面的圓球有個(gè)洞的是一個(gè)攝像頭，和一個(gè)生命傳感器，每個(gè)小機(jī)器人拍攝的內(nèi)容都會(huì)傳送到通訊機(jī)器人的本體，然后進(jìn)行總結(jié)和編輯可以制成一張地圖，他在外面飛信時(shí)候還能去尋找生命跡象，他的4個(gè)角能進(jìn)行行走，還能伸縮，要是想爬坡，就可以向4足機(jī)器人一樣進(jìn)行爬坡，每個(gè)輪子都有一個(gè)單獨(dú)的動(dòng)力，遇到障礙需要爬行時(shí)候，前面2個(gè)腿抬高，后面兩個(gè)腿給他一個(gè)推力，前面的腿就會(huì)放在了障礙物上，然后鎖腿，后面的腿伸長，前面的腿收回去，并且給它一個(gè)動(dòng)力。這樣也能進(jìn)行簡(jiǎn)單的爬坡，當(dāng)然這個(gè)機(jī)器人主要是靠飛信，這個(gè)小機(jī)器人需要人員的操控來完成它[16-21]。
圖31小型遙控探索機(jī)器人
8.5.1小型遙控探索機(jī)器人力學(xué)分析
小型遙控探索機(jī)器人的每條腿上有3個(gè)自由度，因此，有多種步態(tài)形式，先研究一種簡(jiǎn)單步態(tài)形式下的目標(biāo)跟蹤問題。這種步態(tài)類似于輪滑溜冰中的外八字前進(jìn)步行，在這種步態(tài)下機(jī)器人后面的2條腿作周期性運(yùn)動(dòng)以產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力，2條前腿不動(dòng)僅作為支撐(運(yùn)動(dòng)原理見圖31)。選取圖31的坐標(biāo)系，設(shè)廣義坐標(biāo)為q，根據(jù)非完整系統(tǒng)的廣義Lagrange-Ruth方程得。
M(q)×q+ V(q×q)—E (q)t×A(q)tλ (8—8)
式子中M(q)為n×n的對(duì)稱正定慣性矩陣，V(q×q)為離心哥氏力向量，E (q)為n×r的輸入變換矩陣，r=n-m，t為t維控制輸入向量，設(shè)系統(tǒng)受到m個(gè)非完整約束的作用，則λ表示非完整約
束的m維Lagrange乘子向量，A(q)為Jocobian矩陣，日_A ( q)滿足關(guān)系式
A(q)q=0 (8—9)
設(shè)s1(q)，s2(q)……sn…m (q)為A（q）化零空間N（A）中的線性無關(guān)向量，則：
A(q) S(q)=0 （8—10）
式子中S(q)=[ s1(q)，s2(q)……sn…m (q)]
由式（8-9）和式（8-10）知存在（n-m）維德速度向量Z=[Z1，…Zn-m]T滿足：
q=S(q)z (8—11)
對(duì)式（8—11）求導(dǎo)得：
Q=Sz+Sz （8—12）
帶入式子（8-8），兩邊同時(shí)乘以ST得：
ST (MSz+MSz+V)= STET +STATλ： （8—13）
兩邊同時(shí)乘以（ST E）-1 得：
H(q)z+G(q,z)=t (8-14)
根據(jù)動(dòng)力分析的結(jié)果得出應(yīng)用上述控制方法，在小型遙控探索機(jī)器人上進(jìn)行了目標(biāo)跟蹤實(shí)驗(yàn) , 實(shí)驗(yàn)結(jié)果如 圖 32圖 33所示 。圖 32（a）為目標(biāo)位于機(jī)器人上部時(shí)的跟蹤過程曲線 ,實(shí)線為機(jī)器人實(shí)際走過的路徑 ,虛線為期望路徑。機(jī)器人的初始位置不在期望路徑上，大約6 s 后機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)跟蹤 ,基本在期望的路徑上運(yùn)行。圖32(b) 、 (c)和(d)分別為機(jī)器人的位置誤差，Xe、Ye和姿態(tài)誤差θc曲線。圖33為目標(biāo)機(jī)器人下部時(shí)的跟蹤過程曲線，跟蹤時(shí)間大約為10S。從圖32、圖33看出，在在以上各種情祝下，跟蹤效果是非常令人滿意的[21-25]。
圖32目標(biāo)位于機(jī)器人上部時(shí)的跟蹤過程曲線
、
圖 33 目標(biāo)位于機(jī)器人下部時(shí)的跟蹤過程曲線
研究了小型遙控探索機(jī)器人的目標(biāo)跟蹤問題 ,在建立非完整約束作用下動(dòng)力學(xué)模型的基礎(chǔ)上 ,提出基于線性反饋控制的目標(biāo)跟蹤控制方法 ,設(shè)計(jì)了運(yùn)動(dòng)學(xué)控制器并證明了閉環(huán)系統(tǒng)的指數(shù)漸進(jìn)穩(wěn)定性 ,最后,結(jié)果驗(yàn)證了所提出的控制方法的可行性 。
結(jié)束語
這次的畢業(yè)設(shè)計(jì)，可謂是充滿艱辛和辛苦，但是也是很值得的，在這次畢業(yè)設(shè)計(jì)當(dāng)中大大的提高了我的動(dòng)手能力，并且提高了我的思維空間的想象能力，把一些一塊一塊的慧魚零件搭建了起來一個(gè)機(jī)器人，這些也少不了老師和同學(xué)的幫助
在這次的畢業(yè)設(shè)計(jì)里面我努力了很多也學(xué)到和很多東西，多虧學(xué)校組織了這次的慧魚搭建機(jī)器的課題，這個(gè)課題充滿了樂趣。非常的有意義，并不是那樣的乏味和枯燥。
致 謝
本課題的研究工作是在劉艷和李連波老師的細(xì)心指導(dǎo)下，從構(gòu)思，想法可行性到最后的制作和畫圖。劉艷、李連波老師給了我莫大的幫助。兩位老師嚴(yán)謹(jǐn)、求實(shí)的治學(xué)態(tài)度，深邃的洞察力，高度的責(zé)任心和敬業(yè)精神，平易近人的工作作風(fēng)，一直深深的影響和激勵(lì)著我，使得我在學(xué)習(xí)和生活上受益匪淺。在畢業(yè)設(shè)計(jì)完成之時(shí)，謹(jǐn)向恩師們表示最衷心的感謝，并致以崇高的敬意。
同時(shí)我還要感謝我的同學(xué)們，他們也在我做畢業(yè)設(shè)計(jì)的時(shí)候給我提出一些意見和建議，并對(duì)我的分析中有問題的地方給予分析指正，對(duì)我的課題研究提供了不少的幫助。
最后我還要感謝我們的組員，在這次組員里面我們大家積極認(rèn)真的配合，才能順利完成這個(gè)項(xiàng)目和課題。
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