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新型救援机器人的设计研究

热度0票  浏览26次 时间:2021年1月12日 15:10
朱银培 刘科明 赵成龙 吴乐成 梁绍流 邓文思 彭金源(北部湾大学 广西 钦州 535011)
摘要:针对实际救援需求,提出一种能够应对特殊环境并在复杂地形自由行走的新型救援机器人的设计方案进行研究。该机器人主要采用六轮式小车结构、远程控制系统和视觉系统组成,并在机器人前方及两侧安装传感器,使机器人有效避开障碍物,救援机器人操作灵活简便,提高了救援机器人的广泛性和实用性。
关键词:救援机器人,设计,研究,控制,实用
基金项目:北部湾大学大学生创新创业训练计划资助项目(201911607008,201911607065,201911607147);钦州市“互联网+先进制造”工程技术研究中心主任课题(2017QGZ05);2018 年教育部第二批产学合作协同育人项目:智能制造背景下机电一体化专业人才培养模式的改革与实践(201802345001);教育厅高校科研项目:基于数字档案馆平台的高校国有资产档案利用优化研究(2019KY0474);2018 年度钦州学院本科教改项目(18JGZ023);2019 年北部湾大学本科教改项目(19JGZ055,19JGZ076);
引言
对于机器人的研究,从 1969 年美国设计制造出世界上第一台工业机器人起,在短短半个世纪的时间里,世界各国都在鼓励各科研机构加大力度进行设计探索,以满足各种救援任务及生活需求。日本大阪大学开发了一种蛇形机器人,其能够在废墟上行进,并可以使用身体上的传感器发现幸存者,为救援工作开辟了一条新途径 [1-2] 。本文所设计的新型救援机器人,可有效协助救援工作人员完成救援任务,特别是在一些地震频发地带,由于房屋的倒塌,存在着诸多的不确定性,各种危险时刻威胁着受困群众及救援人员的生命安全。救援机器人可通过视觉分析现场环境,和通过生命探测仪进行搜索受困人员,将情况反馈给救援队,从而给救援队规划路线提出参考,在有效完成救援任务的同时,也保障了救援人员安全。
1、机器人整体设计
救援机器人主要由六轮式小车结构、远程控制系统和视觉系统组成。
救援机器人的机身采用了铝合金材料,在减轻救援机器人的自己身重量的同时,也有效保证了机器人的质量及稳定性。救援机器人行走主要采用了 6 轮式,两侧各 3 个,每个轮子都能单独驱动,起到轻松过坑洼地带的作用。在小车前侧安装了两个机械手臂来助力爬坡,遇到过大台阶时,两个机械手臂压住台阶,做出攀爬姿势,将救援机器人前段抬起,结合后轮驱动一起将救援机器人轻松越过大台阶。考虑到受伤人员的安全,并在整体救援车架上安装自平衡装置和安全带,确保机器人在行走时,有效减少对受伤人员的颠簸,避免给受伤人员造成二级救援伤害。救援机器人工作原理如图 1 所示。
图1 救援机器人工作原理
1.1 监控装置
机器人的四周安装好摄像头,最前段 2 个,左右两侧及机器人后方各安装一个,可以做到 360 度进行观测周围环境,有效将观察现场图像信息传输给救援人员,快速掌握实际环境,给救援队伍提供救援任务策略方案可靠依据。
1.2 检测装置
机器人的检测装置主要由热红外生命探测仪和声波振动生命探测仪组成,可快速有效的在废墟中检测和搜救受困人员。在机器人行走的过程中,同时打开检测搜救装置,一个通过热红外生命探测仪来进行对受灾环境进行把脉,得出是否有受困人员;二个通过声波振动生命探测仪进行辨别受灾环境的风吹草动。以两种检测搜救同时进行,确保搜救过程中不漏一人,有效保证了人民群众的生命安全。
1.3 控制装置
机 器 人的 控 制 装 置 由 两 个 STM32F103RC 来 进 行 控 制 操 作,STM32F103RC(如图 2)具有质量小、安全性高、综合性能好等优点,多个控制点可提供救援机器人多方面协调的能力。当避障传感器检测到信号时,通过 FS-V1 信号放大器传输到开发板中,从而传输到上位机显示,因此通过现场控制了解情况来进行修正方向 [3] 。
图 2 STM32F103RC
2、救援机器人的应用
在进行不同的救援任务时,还可以对机器人进行不同功能的组装,使机器人可以在救援中实现多重救援任务。比如在清理路障时,机器人就可以充分发挥机械臂的作用,清理障碍物,和搬运救援物资。机器人不论是遇到山体滑坡,或者房屋倒塌,都能充分发挥其特长,做为救援先锋战士。
如果是遇到火灾,在没有摸清火灾现场情况时,同时也为了保护消防战士,可在救援机器人车架上携带一些灭火器及专用面罩等,让救援机器人先去排查情况,以便能给受困群众一些及时的帮助,争取救援的时间。如果是室内火灾,常常火灾现场会伴随着强烈的浓烟,使得救援机器人在图像等信息的采集过程中存在很大的困难[4],遇到这种情况,可以给机器人配备图像采集系统,让救援机器人得到更好的应用。
3、结束语
世界各地的自然灾难频繁发生,极大的威胁着人们的安全。如果不进行救援创新,单纯依靠人力进行搜救,不但让搜救队伍的战士疲惫不堪,而且也极大限制了搜救任务的进度。我们只有通过不断实践创新,与新型救援机器人协同作战,才能不断提高效率。因此,对新型救援机器人不断探索,功能研发,创新设计研究,才能在危险的环境下保证救援质量,提高救援实际水平。
参考文献:
[1]张建中,郝允梁 ,刘海洋,等.基于 STM32 单片机的智能消防机器人的设计与应用[J].电子技术应用,2017(11):120-123.
[2]高峰,郭为忠.中国机器人的发展战略思考[J].机械工程学报,2016,52(7):1-5.
[3]卢震宇.基于 STM32 的无人无缆水下救援机器人[C].山西农业大学,2019.
[4]程俊涛.基于视觉的火灾探测移动机器人及其路径规划研究[D].哈尔滨工业大学,2016.



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