搜救机器人

移动搜救机器人“命运2”的发展摘要：这篇论文的主题是一种新型搜救机器人“命运2”.在之前我们开发了一中具备在废墟中搜救能力的“命运”搜救机器人。在“命运”的经验基础上，我们开发了它的升级版“命运2”搜救机器人.在这篇文章中我们将介绍“命运2”救援机器人相比前一代机器人不同的设计思路和特征。而且我们将通过实验结果来证明这个机器人的性能关键词：废墟救援移动机器人一、介绍在阪神大地震中，很多受灾人员被困在倒塌的房屋建筑中，许多人在等待救援的过程中死去。在“911”实践中也有类似的问题存在。想实现快速救援活动,最重要的是要确定受害者的精确位置。通常有调用和响应,纤维范围和利用狗的嗅觉,等等几种方法用来搜索受害者。但在许多情况下,搜救受害者面临诸多问题,不能确定搜救的方法。搜索深处的瓦砾废墟是非常困难的,复杂的结构使得探针无法插入到深处。一些传感器可以搜索各种各样的废墟电-磁波动,但来自传感器的信息不太准确和而且受到周围信号的影响。许多消防队员的认为先进的救援工具有许多优势:更准确的信息,更大的搜索的范围,人工操作更轻松。我们的研究是开发有效的工具来搜索被困在废墟中的人。我们打算研发具备这种功能的机器人。在世贸中心的救援活动中,有些机器人已经被使用。但是他们的活动是十分有限,因为它们不是专门为在废墟中作业而设计的,尽管他们可以在废墟中活动。允许在地形复杂区域运行的机器人并不擅长在废墟中作业,因为障碍不仅仅存在于在车体底部,在顶部和边角地区也存在障碍。这些障碍影响机器人的上部结构和阻止他们前进。为了应对这个情况，我们开发了这个“命运”机器人，它具有四面的顶部和底部，两面的身体部分。同时通过实验测试他的性能。本文中叙述的“命运2”是“命运”的升级版，吸去了他的很多经验。在第二部分我们叙述了“命运”机器人的性能和存在的问题。第三部分分析了在废墟中机构需要完成的动作。第四部分主要关于“命运2”的设计思路和基本性能。第五部分是文章的综述。二、“命运”的性能与不足在本节中,我们描述分析了“命运”的能力。然后通过测试和分析发现一些明显的问题，并描述了问题产生的原因。A组成和功能如图一所示，“命运”有四个身体模块和三个连接头组成，每个模块有四周有四条履带和一个共用直流电机，通过四条履带的运动机器人实现前进或者后退。连接头模块由两个空气缸和一个支架轴组成。扩张和收缩的每个气缸可以使对应旋转接头的倾斜和偏转。旋转范围与支架成左右±45度。机器人本身与电源和控制装置通过电缆和连接管连接。这些电缆和管道机构提供电力和压缩空气,和信息等，如相机等传感器也用电缆传递信号。组成模块的长度是20厘米,接头是21厘米,然后总长度是143厘米。高度和宽度都是15厘米。机器人总重量18公斤。普通机器人尽管在崎岖的地形可以移动,仍然不能进入废墟,。这是因为,上层组件内的机器人被瓦砾的障碍阻挡。即使我们使用机器人履带上部应对推翻,也很难进入废墟。因为上行和下行的履带接触障碍抵消所产生的动力，履带图像显示在图2。然而“命运”可以通过履带来避开障碍从而在废墟中前进。我们已经证实仅仅51千克的机器人可以进入到裂缝当中。并且机器人可以以每秒12.5厘米的速度前进，通过连接头机器人能越障38厘米，跨过61厘米的宽沟。因为，”命运”形式是对称的,它能够继续不恢复姿势即使突然倒塌。使用空气缸联合,可以灵活变换和保持关节形态。利用关节的灵活性身体的姿势可以自动贴着碎石表面。B“命运”的缺陷通过一些实验,我们已经证实机器人具备进入废墟的能力。但与此同时,在瓦砾中自由行动的能力明显不足。在这一段中,我们从实验证明描述每个问题。1)履带覆盖的比例:转弯或爬上斜坡渡河时,像楼梯这种地形“命运”有时会卡住,不能向前或向后走了。捕获的共同障碍这个问题引起的。尤其是,这问题是造成障碍的条件位于甚至间隔像楼梯。这是因为部分履带并不具备太强的爬坡能力。总长度部分的履带是80厘米、关节处履带63厘米。机器人44%的部分不具备爬虫。如果这个比例高,困在废墟的可能性变得很高。机器人连接处或边缘的部分会导致类似的干扰。需要消除这些干扰继续前进。在某些情况下，移动关节和改变姿势来麻烦解决了。不过在瓦砾中操作机器人直接行、排除障碍干扰是非常困难的。2)起伏的稳定性:模块部分的截面对称。因此在机器人旋转时没有必要回到先前的姿势。然而,这种形状引起的机器人起伏的问题。尤其是当机器人克服障碍时引起许多跌倒发生。这样非常影响攀岩的能力。因为当机器人越障是必须带一些连续性运动。例如,提起头部越过始处的障碍,然后提高第二部分弯曲的第二个关节和地方第二部分。如果机器人跌倒终止这连续的动作,这些动作必须从头开始重复完成。从这个原因,某些稳定是需要克服的障碍。因此,轧制的稳定性影响很小。3)隔绝碎屑和耐久性:履带在许多艰难的环境使用，需要对抗不利环境隔绝污垢。但即使泥土或泥沙这种对建设机械和坦克没有影响的碎屑，我们的小机器人仍然受到影响,因为即使是很小的沙砾相对小履带来说也已经相当大了。所以这些污垢和一些碎屑进入到履带内也会制造麻烦，尤其是履带移动器人室外场,履带发生堵塞的可能性是非常高的。即使在机器人的皮带和滑轮中做润滑等措施或安装隔绝装备,以防止堵塞。仍然会出现许多问题。本研究的目的是开发搜索废墟中受害者的机器人。我们不能只考虑性能还要具备简易使用性容易,必须从这个角度来开发设备。产品的耐用性和易于维护是必需的。但由于这些概念没有在“命运”的设计中考虑到,因此需要一些调整。此外,调整需要时间,因为机器人的结构是相当复杂的。三、考虑到瓦砾后的机器人在前一节中,我们解释了第一代“命运”机器人的问题。为了解决这些问题,完善机器人的功能,我们必须在考虑什么到是废墟兼顾搜索方法的基础上考虑，从而解决问题。在本节中,我们明确废墟的实际情况,考适度考虑瓦砾中该采用的方法。A废墟内的实际情况具体来说，废墟瓦砾是由于地震等自然灾害被破坏的建筑构成，是以建筑材料为特征的。一般来说，建筑材料都是木头、混凝土等。然而相对于建筑材料瓦砾废墟的在大小上差异较大。在本研究中,我们考虑到废墟中主要是由木材并且假设空间大小是10∼20厘米、一些障碍都较小，可以手工解除。废墟是一种粗糙的地形。但不同的是有大量碎石而不单单只是普通粗糙的地形。差异之一是在顶部和身边存在的障碍。在表面不平的地形,尤其是没有上层空间。潜入废墟时,我们必须注意到上面的障碍。在这种地形条件下设计机器人。能够通过高层障碍所需的机器人。如果没有这样的设备，机械机构的上部面临的障碍如图2所示。尽管机器人涵盖从底部到顶部的履带无法进入废墟。由于较低的侧面和履带上侧驱动方向是不同的，当履带上侧接触障碍，上下驱动力相抵消。为了解决这种情况，我们在机器人的的顶部和侧面加装了履带。通过那些履带,机器人不会被结构的障碍阻挡,即使顶部和侧面碰到障碍。也有可能通过提高驱动力越过不是很大的障碍进入狭窄的空间。另一个区别是地形粗糙的程度和机器人大小。进入废墟,相对适应机器人的地形出现的可能性是很小的,因为小机器人适用于更小的差距。但满足这种条件更加困难。更加崎岖的地形的影响是促使机器人变得更大,因为表面的起伏波动与机器人的尺寸是严密相关的。但相反,小机器人受到地形起伏的影响更大。所以适应普通粗糙地形的建筑机械或坦克面对悬崖山谷就像小机器人面对起伏大的地形一样。所以,小型机器人动态运动能力必须加强使得它能克服更大的的障碍。当我们控制机器人在废墟中还面临一些新的问题。问题之一机器人难以从环境获取信息。这个问题的原因之一是，由于机器人在瓦砾下我们无法直接观察周围环境。所有的遥控机器人都有这种情况。但在废墟里面,通过一边的机构是很难进行观察的。如果有足够的空间,通过移动摄像机或传感器我们可以看到周围环境。但有时因为没有足够的空间来移动相机我们很难看到周围,许多障碍挡住了相机的视野。这种情况机器人类似于移动的管。这些机器人还可以看看前后最密切的地方,但是很难看到远方。但是这两种情况有所区别，管可以更容易的进入到周围的环境中。另一方面,废墟内的环境是未知,没有足够的信息对周围环境的预测是非常困难。此外,超越等运动难以实现,通过机器人之间的相互关系来推测周围是很有必要的。这个方法获得信息需要清晰的运动关系,这样就更难以在废墟里运用。B考虑机器人在废墟中移动的机理接下来,我们考虑什么样的机车机制是有效的在瓦砾中。作为候选人,我们可以列举一些机制:腿机制、轮、履带,机架悬挂。当然,飞行机制应该是非常有效的。但小飞行机器人难以控制，想要避免撞到障碍十分困难。所以我们排除它。腿机制被许多生物采用,一些老鼠和蜥蜴和昆虫在小的空间有很强的运动能力。还有些机器人像扫雷舰使用腿穿越崎岖的地形。在崎岖的地形四个或更多的轮子的汽车是非常有效的机制。镰刀形支腿也是非常广泛机制，在崎岖的地形或软弱地基许多工作机器使用这个机制。火星探测车的镰刀形机制就是这样实现运动和超越的。每个机制都有可行性但我们需要在废墟具有较高穿行能力。机器人必须克服障碍和面对不同跨距的差异具备穿行能力。很难通过使用单一的机车轮或履带等机制获得这些能力。所以混合机制是很有必要的。例如,镰刀形支腿悬挂复合履带装置来提高穿越地形的能力。镰刀形支腿的优点是具有较高的越障能力,尽管它是被动的摇臂连接机制和转向架链接。然而机器人需要越过高于自己的障碍时,镰刀形支腿就无法满足要求了。所以在瓦砾下镰刀形支腿机理应该是很难满足要求的。考虑到诸多因素我们采用了蛇形机构来设计“命运”机器人。因为这个结构设计有以下优点：1）机构纵向截面积小。2）通过加长就可以加载更多的机械动力设备和传感器。3）利用长度优势来跨过台阶和裂缝。这些优点在起伏大空间小的废墟下是十分重要的。因为现有技术无法制造鼠形机器人，我们推断蛇形是现在最有效的机制。虽然通过改变姿态可以使机器人适应多种地形，然而设计好推动装置在机器人上的分布是从地表获得推动力的关键，与在平原地区不同的是，我们不需要所有驱动部分都接触到地面，因为有很多起伏不规则的地方。由于这些原因可能机器人的全部驱动部分都不能接触到地面了，这样机器人就完全无法移动了。这就是被卡住的情况。不同的机制和移动装置分布可以改变这种卡住的情况。比如在平原地区，轮子是最有效地机制。但是汽车在如图3的地形是不能移动的，如果裂缝变小车轮变大是可以通过这种地形的。但当维度变得小,惯性效应变得越来越小,摩擦的影响变得更大。因此小型机器人不能坚持的动力,甚至小空洞导致致命。所以获得动力不断前进是很重要的。为了避免卡住,履带比轮式更合适,因为接触面积比较大。接触面积更大,它可能应付更大的空洞。腿机制也有可以满足波动大的地面。这是因为腿机制从里面选择可用的表面点的步骤,只使用脚步规划。因此,腿部机制并不影响即使地面高低不平的,除非提供接触点是不存在的。我们可以看到,履带是被动的而腿机制在这方面具有很强的自主性。腿机制的通行能力高于履带。但运用腿机制许多传感器非常复杂。所以它是制造起来非常困难的小型机器人。由于上面提到的诸多原因我们把履带作为搜救机器人最合适的机车机制。然而即使在蛇形机器人表面随机安装履带，机器人仍然有一定概率被卡住，如图四所示不规则的履带间隔区间。因此我们要通过缩短履带间隔区间来避免被缝隙卡住。履带的小机器人,从有限的接触面积生成驱动力与驱动装置本身的体重的比率变得十分重要。因此在有限的接触中，履带区域以外的部分必须有从障碍中获得支撑的能力。C瓦砾碎片与机器人大小在前一段中我们考虑到驱动机制来避免机器人被卡住，那么一旦机器人被卡住的我们是否可以通过变化连接处角度改变机器人的姿势来解除这种状态。如果位置等原因被障碍是已知的这种尝试可能会成功。但是我们很难弄清楚机器人被卡住的原因。活体生物被卡住时,因为生物神经网络的整个身体，很容易感觉如果身体的某个地方被阻碍。然而在机器人的情况下,很难使传感器捕获的全身。然而在机器人的情况下,很难使传感器捕获的全身。因此最重要的是使机器人不被卡住。例如,体型应光滑并简化,因为垂直或直角的形态常常导致卡死。此外,驱动装置应该内置在内部和只保留履带