海陆空全方位救援搜寻机器人平台研究

江亚龙　殷建　吴凯

（铜陵学院机械工程学院，安徽 铜陵 244000）

【摘要】本设计是一款海陆空全方位防爆搜救机器人平台，机器人平台是基于履带式小车，进行完善加工改装后，配备五自由度机械手、小型水下机器人、蛇形机器人、飞行器等海陆空综合一体全方位搜寻系统，可在各种恶劣复杂环境下执行搜寻救援任务，可靠性高，适应性强，可用于地震抢险救灾，石油化工工厂防爆救援。在陆上使用履带式小车配合机械手执行搜寻救援作业，在狭小废墟中使用蛇形机器人进行搜寻任务，而在水中则使用小型潜水器进行搜寻作业，使用空中飞行器搜寻解决小车视野范围小的缺点。

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关键词 搜救；机器人；机械手

0　引言

在21世纪的今天，随着自然灾害、恐怖活动和各种突然事故发生的越来越多，在灾难救援中，救援人员用较短的时间在废墟中寻找幸存者的几率比较小，在这种紧急而危险的情况下，救援机器人可以为救援人员提供有效的帮助。因此，将具有自主智能的救援机器人用于危险而复杂的环境中搜索和营救幸存者是非常实用的。

搜救机器人的研究给搜救工作带来很大的方便，在搜寻救援机器人的研究方面，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。日本大阪大学研制出蛇形机器人，能在高低不平的模拟废墟上前进，其顶端带有1部小型监视器，身体部位安装传感器，可以在地震后的废墟里寻找幸存者。美国加州大学伯克利分校研制出世界第一个苍蝇机器人，通过装在它脑袋上的微型传感器与微型摄像机，可以到倒塌的建筑物废墟底下或其他灾难场所寻找幸存者。而国内现在针对救援机器人的研究相对分散，在国内，救灾机器人的研究刚刚起步，但进展很快。国内的矿用机器人发展主要是在探测机器人方面。中科院沈阳自动化所在 2002年研制了一种蛇形机器人，在监控系统的无线控制下可实现蜿蜒前进后退侧移翻滚等多种动作，并能通过安装在蛇头上的微型摄像头将现场图像传回监控系统。2006年6月，中国矿业大学的机器人研究所成功研制了 “CUMT-1”矿井救灾机器人，并对救灾机器人的机构设计做了一些有益的尝试，这是我国第一台用于煤矿救援的矿井搜救机器人。

1　研究内容

本设计的是一款海陆空全方位防爆搜救机器人平台（如图1所示），本设计平台是基于履带式小车，进行完善加工改装后，配备五自由度机械手、小型水下机器人、蛇形机器人、飞行器等综合一体全方位搜寻系统，可在各种恶劣复杂环境下执行搜寻救援任务，可靠性高，适应性强，可用于地震抢险救灾，石油化工工厂防爆救援。在陆上使用履带式小车配合机械手执行搜寻救援作业，在狭小废墟中使用蛇形机器人进行搜寻任务，而在水中则使用小型潜水器进行搜寻作业，使用空中飞行器搜寻解决小车视野范围小的缺点。整个搜寻救援系统采用模块化设计，可根据不同任务需要来选择相应的模块，本次创新设计的重点在于多个机器人之间的协同工作，设计一个多任务信息融合 处理控制平台。

1.1　在地面上实施任务的设备

主要采用小车，因为路况不明情况复杂，不同的场所路况不尽相同，因此需要研究寻找到一种能够适应各种复杂路况各种恶劣环境的驱动系统，现有的救灾机器人移动机构主要有:无肢运动(以蛇形机器人为主)、轮式、腿式、和履带式等。经过多次对比，采用履带驱动系统。移动载体的任务是执行机器人的移动功能，采用关节型履带移动车可以更好的实现在危险环境下的救援工作。

在此项目中，机械手臂担任很重要的角色。绝大多数的救援操作都需要机械手臂来完成，可以用来清理小车前方的障碍物，夹取可供研究的样品，在排爆用途中，代替人工操作，可以远程遥控运输，清除爆炸物品，减少排爆人员的危险。机械手可以取下或收回小车上的模块，比如小型潜水器等，机械手的关节由多个伺服电机组成，可以执行各种复杂的动作，动作精确，机械手模块采用液压控制系统，使得机械手在某些场合可以输出更大的作用力，比如，在地震抢险救灾中，可以搬运沉重的物资，清理道路等。但是无论越障能力再强，也有机器人自身大小无法克服的障碍，因此是机器人选择适当的路径也是很重要的。为了使机器人能够感知路面情况，从而选择有利行走的线路，达到目标位置。我们为此设计了摄像机构，通过摄像对路面情况的反应，在救灾人员的遥控下，选择最佳的行走路线。为了更多的发挥摄像机的功能，我们基于监控技术中的云台理念，使摄像机能够监控到各个方向的信息。全方位云台内部有两个舵机，分别负责云台的上下和左右各方向的转动。将摄像头放在云台上，就可以控制摄像头的上下，左右的选择，大大提升了摄像头的功能

1.2　小型水下机器人的设计

采用小型潜水器，该小型潜水器使用一根缆线与小车相连，通过缆线给小型潜水器提供动力能源以及与小车平台间的通讯等。小型潜水器的前端装有防水微型摄像头，此摄像头具有很高的像素，可以清楚地拍摄到水中的画面，旁边并装有高亮度的LED灯，增加视野，具有很强的防水性、抗压性，小型潜水器可以将拍摄的画面及时传送给小车平台，小车平台再将信号传输给上位机。当需要使用潜水器时，可用车载机械手将潜水器送入水中，或者将潜水器从水中收回。小型潜水器由PC上位机控制，它将信号无线传输给小车，小车通过缆线将控制信号传输给小型潜水器，从而进行控制，小型潜水器两边装有鱼鳍，鱼鳍上装有伺服电机，从而控制鱼鳍的角度，进而控制潜水器下潜与上升，潜水器的左右转向运动通过安装在尾部的舵板进行控制，在小型潜水器上安装有声呐系统，可以探测四周的情况，及时了解周围环境，从而进行壁障，以免发生碰撞，从而保证机器的安全。

1.3　空中飞行机器人

在救援人员无法进入的某些地方，机器人能通过在空中寻找生还人员，通过摄像头捕捉画面，并通过无线传输到救援指挥部门。这样救援人员就能确定幸存者的具体位置，并能通过拍摄的画面确定营救方案。

2　总结

本文以海陆空搜救机器人系统之小车作为研究的对象，通过将小车与水下机器人、飞行器、蛇形机器人之间的相互配合，相互协同，极大地拓展了搜救机器人的适应环境的能力及执行任务的复杂性与可靠性。本系统可以实现陆上、空中、水下作业，系统采用的履带式结构，可以在复杂路况中移动，适应性强，平台上的蛇形机器人，可以在小车无法到达的狭小的间里工作，如地震后的废墟，各种深井等，平台上的小型潜水器可以在水下进行作业，如探测，摄像，扫描等，平台上的四轴飞行器可以随时工作，为系统提供更广泛的视野，抵达小车无法到达的上空。本系统用途广泛，可为各种复杂的搜救工作提供强有力的支援，减小抢险消防员的危险与工作强度，且效率更高，为救灾防爆工作提供了强有力的保障等。

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参考文献

［1］王勇,朱华,王永胜,程刚,李允旺．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（04）．

［2］王忠民,刘军,窦智,杜占灵．矿难救援机器人的研究应用现状与开发[J]．煤矿机械，2007（11）．

［3］杨朝虹,张海珠．机器人技术的应用与发展[C]//先进制造技术论坛暨第五届制造业自动化与信息化技术交流会论文集．2006．

［4］宋国栋.移动机器人组合导航系统设计与应用的研究[D]．南京理工大学，2006．

［5］吕漫丽．基于多传感器信息融合的移动机器人避障研究[D]．东北电力大学，2008．

［6］咸宝金．基于专家系统的数据融合技术及在机器人避障中的应用[D]．北方工业大学，2008．

［责任编辑：薛俊歌］