1、目 录1 引言11.1 慧鱼组合模型简介22 救援机器人项目的研究意义 32.1 城市地震救援面临的困难 42.2 救援队面临的困难 52.3 机器人在救灾方面的优势 53 救灾机器人的研究现状 64 国内外的救援机器人的研究现状 74.1 日本 74.2 美国 84.3 中国 95 机器人发展现状和趋势116 通讯排障机器人设计思路116.1 通讯方面126.2 电力方面136.3 地面废墟方面136.4 通讯排障机器人的设计147 通讯排障机器人的扩展187.1 思路介绍198 通讯排障机器人个部位介绍及其运动分析208.1 履带208.1.1 履带稳定性分析218.2 后背储存箱238.
2、3 空降设备248.4 雷达装置258.4.1 雷达支架气动部分设计258.5 小型遥控探索机器人278.5.1 小型遥控探索机器人力学分析28结束语 31致谢 321 引言随着地球进入地球板壳的活跃期和人类对环境的肆意破坏。现在世界上各种各样的灾难越来越多，发生频率也越来越高，地震、海啸、雪灾、火山爆发等等灾难也频频发生。当灾难来临时候，通常会对灾区产生许许多多的破坏，就拿地震来说，当地震发生后，房屋的倒塌，地面的开裂。还有供电设备、通讯设备、等被破坏。食品问题，卫生问题，救援问题，通讯问题，等等问题困扰着人们。因此人们想尽办法，想让救援变得更加快速、更加准确、更加科学、更加有效。但是要做到
3、这些，就要必须保障信息之间的互相传送的顺畅，因为这样能及时了解灾区受灾情况和灾区还需要一定的电力，才能保证医疗等设备的正常运作。摘要 就因为有了这些所需要克服的困难，我们所构想的通讯排障机器人从此就产生了。它能给灾区提供信号，保证通话和数据信息的传输，它还具有太阳能发电功能，能给灾区在夜间进行照明，并且提供电力，而我设计的通讯排障机器人扩展模块，对通讯排障机器人进行了改良，它可以进行远距离空投，还具有小型生命探测机器人，还能进行地面的勘察。关键词 灾难 救援 通讯 电力供应 机器人 11 慧鱼组合模型简介 “慧鱼组合模型” （Fischertechnik） ，又简称“慧鱼” ，是由德国发明家A
4、rthur Fischer 博士在 1964 年从其专利“六面拼接体”的基础上发明的。它由各种型号和规格的零件构成，类似于积木。零件的种类很多，几乎包括了机械课程和日常生活中的所有零件，如机械零件：连杆、凸轮、齿轮（普通齿轮、锥齿轮、斜齿轮、内啮合齿轮、外啮合齿轮等） 、蜗轮、蜗杆、螺杆、铰链、带、链条、轴（直轴和曲轴） 、联轴器、弹簧、减速器、齿轮箱、车轮等；电气零件：直流电机、灯泡、电磁气阀、行程开关、传感器（光敏、热敏、磁敏、触敏） 、可调直流变压器、电脑接口板、PLC 接口板、红外线发射接收装置等；气动零件：储气罐、汽缸、活塞、气弯头、手动气阀、电磁气阀、气管等。由这些零件的不同组合便
5、可构造出各式各样的模型，这些模型主要可分为两大类：技术组和机器人组。技术组又包括传感器技术组、气动技术组、汽车技术组、太阳能技术组、万能组合包。机器人组又包括 3D 机器人、计算机器人、实验机器人、工业机器人、移动机器人和气动机器人。在慧鱼实验过程中，通过对各类模型的认识和组装，从而可以熟悉并掌握各类机械设备和自动化装置的常用结构和工作原理。在模型的组建中，将运用到机械加工、气动技术、电子电路和软件编程等知识，从而加深了对这些相关课程的理解。另外通过慧鱼模型的搭建和组装也培养了实际动手的能力、解决实际问题的能力和创新设计的能力。慧鱼组合模型实验与传统实验比较 与传统实验相比较，慧鱼组合模型实验
6、主要具有如下几个特点：1实践性更强，提高动手能力 在传统实验里，主要是课程中的具体原理或理论的验证性实验，如机械原理中齿轮范成实验，主要是为了验证齿轮的加工原理；再如机械设计中的带传动实验主要是为了验证带传动中的两个重要的现象弹性滑动和打滑。这些传统型实验更好的理解课本的理论知识有很大的帮助，具有课本结合性强的特点。而在慧鱼组合模型里，主要是一些工程应用中的实际模型，与实际工程结合较为紧密，如在万能组合包中，有风扇、虎钳、机械式起重机和建筑式起重机等模型，这些模型都是日常生活中的实例，较为真实的“再现”了这些具体的设备或仪器。这些模型的工作原理基本上都用到了书本中的理论知识，从中可以很清楚地看
7、到理论与实际的具体结合，因此具有更强的实践性。2 知识面更广，培养综合素质人才而在慧鱼实验中，实验的内容涉及面极广，不仅包括传统机械相关的实验内容，而且还涉及到了能源(包括太阳能)、气动、遥控（如传感器技术） 、自动控制（PLC 控制、单片机控制） 、软件编程（慧鱼公司自带的编辑软件 LLWin 3.01 ）等多学科的知识，最重要是它能够把这些很好地知识结合起来，并体现到某个模型中。如在烘干机实验中，这个模型实验就是很好的模仿了公共场所的烘干机，当把手放到风扇出口处，风扇就会开始旋转，对手进行烘干；当把手拿走时，风扇就停止旋转。在这个实验中就用到了机械知识（机械的齿轮传动） ，自动控制知识（电
8、路和传感器应用）和软件编程知识（控制软件的编制） 。通过慧鱼实验不仅能够掌握机械的主要知识，而且还可以了解到其他专业的基本知识，这样就拓宽了他们的视野和知识面，有利于培养出高素质的综合类人才。3 创新性更高，增加研究性思维 如前所述，传统型的实验具有验证性的特点，更注重的是对已学理论知识的验证和理解，而且所涉及的内容主要是机械相关的内容，这样就大大的限制了学生的想象和创意的空间，不利于学生的创新能力的培养。2 救援机器项目的研究意义在世界各地，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。灾难过后，灾后小时是救援的关键时间。救援界认为，在地震等自然灾害发生后，灾后最初的小时是能否成
9、功解救被困人员的最佳时间。在此时间段内，救活的存活概率极高。而随着时间的推移，被压埋者体力透支、心情绝望，生存希望变得渺茫。据统计，地震救援的最佳时间，应该是震后第一天，此后埋压人员的生还概率迅速下降。如果越拖越后，到后面，除非出现奇迹，否则几乎没有生还希望。而且对于我们中国来说，人口密集度大，加上现在的土地越来越少，现在的建筑物都开始往高里面建造，还有地下面也开使开发，地铁，地下商场，还有大型的商贸场所，文化娱乐中心这些的迅猛发展，城市里面的建筑物也不断的增加。万一地震发生在城市的中心，后果不堪想象。地震后存在易二次倒塌建筑物的现场，施救人员无法深入进行侦察或施救，人们急于探知灾难现场的内部
10、险情，但又不敢或无法接近或进入灾难现场。此时，救援机器人的参与可以有效地提高救援的效率和减少施救人员的伤亡，它们不但能够帮助工作人员执行救援工作，而且能够代替工作人员执行搜救任务，在灾难救援中起着越来越重要的作用。房屋倒塌，地面裂痕，救援人员在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。我国一些地方建筑由于利益的驱动，使建筑商所建筑的房子的抗震级素很低，质量问题很严重，不安全因素很多，万一地震了，火灾、煤气管道的泄露，很容易发生爆炸或者大火。
11、现在的灾害事故频繁发生，灾害事故危害严重，伤害人员多。然而灾难发生的原因极为复杂，是偶然性和必然性的结合，各类灾害事故存在突发性、灾难性、破坏性和继发性特点。因此，研究地震救灾新装备是一项紧迫任务。有的地震发生后，灾区情况完全不清楚，里面通讯完全中断，要是现在救护人员无法进入危险区域，被埋人员有可能只能等着死神的来临了。要是完全靠救援人员进行救援的话。余震，救援人员体力不支，心理问题等一系列问题还会对救援人员造成伤害，撇开这些不说，救援人员也需要休息，不可能 24 小时不间断不停歇，不吃饭，不喝水的工作下去。随着科技的发展，机器人将被应用到各种救灾领域。 救灾机器人利用自身的优点，能迅速找到被
12、埋人员的位置，降低事故危害性，对提高救灾效率具有重大意义。2.1 城市地震救援面临的困难城市搜索与救援这个概念脱胎于城市地震灾害紧急援救，包括定位，营救和对狭小空间中受灾者进行医疗急救。目前，城市搜救工作已扩展到对山体滑坡、火山爆发、海啸以及恐怖主义袭击事件。倒塌建筑物造成的生存空间非常狭小，以至于许多情况下搜索人员和搜索犬不能进入，使搜索范围限制在倒塌建筑物表面范围。现在城市里面高楼大厦可谓是无处不见，要是地震了，高层建筑物的倒塌，人员被埋，在倒塌后，靠近外面的被困人员相对于被埋人员来说较容易的获救，而再废墟深处的人员就难以被救援人员发现并且去拯救他，但是在现在机器人人技术的诞生和技术的发展
13、给人们带来了希望。在 2001 年 9 月 11 日的时候，机器人在世贸中心袭击事件中的应用，取得了不错的效果。图 1 SEA-RAI 可在水上疾驰以检查受损的桥并渡运可发射的浮空机器人。图 2 INUKTUN EXTEREME 可穿越困难地形以向生还者发出双路音频。图 3 CATERPILLAR 可在瓦砾中蜿蜒行进，顶部带有摄像头可寻找生还者。2.2 救援队面临的困难实践表明，在救援人员在现场实施救援过程中存在着许许多多的各种限制和困难例如：1当救援人员进入灾区倒塌的房屋废墟上，或者在废墟上搭建一些设备比如说传感器、支撑架，或者救援队员的体重和移动也可能会引起建筑物的进一步倒塌，因此救援队员
14、必须在结构工程师进行评估之后才能进入。在这次汶川大地震的时候，一个七层的学生公寓在完整的情况下，受到余震后发生倾倒，虽然建筑物结构完整，但建筑物也可能随时发生破坏，救援人员进入建筑物将有巨大风险。此外，大型的教学楼由于楼层的叠状倒塌使救援工作更加困难。救援人员只能通过表层进入建筑物，而这种倒塌限制救援队员进入底层部分，由于建筑物局部不嫩够支撑救援人员在建筑物上的活动，很有可能进行进一步的倒塌的危险。而救援人员可能由于建筑物倒塌造成压埋，所以不稳定的倒塌结构需要经过支撑加固后，救援队员才能够安全进入。这个过程又需要时间，而对于灾区来说时间就是生命！2救援人员无法进入狭窄和不稳定的建筑物。由于人身
15、体结构的因素，我们不能进入狭小的空间。对那些被困人员也无法施救，就拿汶川地震来说，有些死着被复杂的建筑物给埋了，进去的空间非常狭小，不能对其施救，导致搜救犬发现被困人员后，救援人员无法对其施救，最后还是死在废墟之中。3.由于需要进入的空间无光，或者自然光很弱，救援人员需要装备的帮助才行，像这样一些矿工头盔，可旋转的光学搜索仪等物品来搜救，这样以来救援人员很容易疲劳，一旦疲劳了就会使救援人员反映慢，有可能忽略了没有知觉的受困着 1。2.3 机器人在救灾方面的优势现在的机器人在城市救援和搜救中有很大的优势，随着现代机器人发展迅猛，机器人的技术也越来越成熟其优点主要表现在：1房子倒塌后，机器人可以立
16、刻工作，可以马上对幸存者进行搜救，为搜救工作节约时间。机器人是由电子仪器和其他材料制成的，具有可复制性，即使机器人发生意外，仍然可以制造出具有相同功能的机器人。2机器人它可以进入平常难以达到的空间。能让搜救人员知道废墟下的情况，是不是值得去救援，建筑物倒塌后就会产生各种各样的空间，通过机器人进去后找出幸存者的位置，然后通过信号告知给地面人员，让地面人员可以知道幸存者位置，然后进行施救。现在这种机器人已经有了，例如 SHIGEO HIROSE 研制出的一种三自由度的爬行机器人，他可以在弯曲的废墟中爬行，也能在平坦的路面爬行 2。图 4 机器人 Souryu3机器人可以携带多种传感器，可以搭建在机
17、器人身上，可以很方便的探测幸存者空间状况，在机器人软件的帮助下对搜索区域实行完整的三维搜索，绘制结构图，提高工作效率和可靠性。搜救机器人可以携带温度探测器，探测人体温度，给机器人一个引导，在运用其他的探测，等配合后，经过分析后向救援人员提出意见和建议。图 5 机器人测量脉搏4纽约世贸中心袭击事件中，机器人在搜救过程中发挥了很大的作用，在最初的 10 天里，机器人帮助纽约消防局和联邦紧急事件管理局小组找到了至少5 位受灾者，这些受灾者都是机器人在人和搜救犬不能进入得空间找到的 3-4。3 救灾机器人研究现状近年来，特别是“9.11”事件以后，世界上许多国家开始从国家安全战略的角度研制出各种反恐防
18、暴机器人、灾难救援机器人、工业机器人、等一些危险作业机器人用在了灾难的防护和救援上面。同时现在救援机器人也有着潜在的应用背景和市场，一些公司也介入了救援机器人的研究与开发。此外，一些机器人比赛也增加了机器人救援竞赛的比赛项目，比如说，这次我们参加的“第四届全国大学生机械创新设计大赛慧鱼组（2010）竞赛”为救援理论和技术提供仿真研究的试验平台。目前，灾难救援机器人技术正从理论和试验研究开始慢慢的向大学生，向实际应用开始发展。在灾难中和灾难的救援中，机器人作为一种有效的手段，将成为社会基础建设中不可缺少的部分。4 国内外的救援机器人研究现状4.1 日本日本他是一个地震率非常高的一个国家。它处于地
19、球板块的活跃板块，日本在救援机器人方面开展了相对全面的工作。自从日本有次，有名的阪神大地震开始后的十几年时间里面，日本在灾难援救防护方面已经形成了完备的国家体系。这一点值得我们国家学习和借鉴，其实日本早在以前就确立了“大都市大震减灾特别计划”以研究如何尽量减少人、物等灾害损失为目的，研究地震防灾对策的理论科学和基本技术，进一步开发在地震中使用救援机器人，其中很多人很多单位参加了这个项目，包括，大学、公司还有国家机关等。主要研究灾难中的机器人系统、传感技术、人类控制技术、和系统集成。日本东京工业大学是最早从事救援机器人研究的的大学之一，他们从仿生学的角度和基于超机械系统的思想后研制了“ACM”
20、“GENBU”“SOTYU”等多系类救援机器人样机，在仿生机械及灾难救援应用研究方面，有了卓越的研究成果。图 6 为日本东京工业大学研制的部分机器人图 6 日本东京工业大学研制的部分机器人 图 7 多节履带日本东京工业大学，还提出了一种新的救援机器人平台，如图 7，这个机器人由多节履带车连接而成的，它能进入狭窄的空间，相邻单元之间由 2 个主动的自由度关节连接或 3 随动自由度关节连接 5，具有很多好的越障能力和地面适应能力。 4.2 美国在“9.11”事件后，灾难救援机器人技术在美国日益受到重视。 “9。11”事件的灾难现场救援认为是灾难救援机器人的第一次实际应用。在纽约世界贸易中心受到恐怖袭击发生后的几个小时，美国“机器人辅助搜救中心”立即组织了一支由机器人专家和生产厂家技术人员构成的队伍，携带可以使用的机器人，赶赴世贸中心废墟现场，想救援部队，提供了技术支持，其中有图 8 的PACKBOT，图 9 的 SOLEM
