井下搜救机器人移动机构研究与发展趋势课件.ppt

1、田海波田海波 2022-6-2 第 2 页1.研究背景我国是世界产煤大国我国是世界产煤大国，由于作业设备与工艺相对由于作业设备与工艺相对落后落后，管理水平欠缺等原因管理水平欠缺等原因，各类矿难频繁发生各类矿难频繁发生，死亡人数居世界首位。死亡人数居世界首位。除机械化程度低、煤层地质结构复杂、高瓦斯矿除机械化程度低、煤层地质结构复杂、高瓦斯矿井多等原因之外井多等原因之外，救援水平落后也是救援水平落后也是一个一个重要因素。重要因素。事故发生后事故发生后，无法迅速准确地得到灾难现场的信息无法迅速准确地得到灾难现场的信息,如瓦斯浓度如瓦斯浓度、是否发生火灾、被困或遇难人员的位是否发生火灾、被困或遇难人

2、员的位置以及现场温度、氧气含量、置以及现场温度、氧气含量、CO 等有害气体的含等有害气体的含量、现场倒塌状况等量、现场倒塌状况等,从而延误了救援工作的开展。从而延误了救援工作的开展。井井下下搜救机器人用于替代或部分替代救援人员进搜救机器人用于替代或部分替代救援人员进入现场完成环境探测和搜索救援任务入现场完成环境探测和搜索救援任务，该，该研究具有研究具有重大的现实意义。重大的现实意义。2022-6-2 第 3 页1.研究背景井下井下搜救机器人的研究内容广泛，包括搜救机器人的研究内容广泛，包括 移动移动机构机构研究研究 自主控制技术自主控制技术 探测技术探测技术 信息融合技术信息融合技术 导航定位

3、技术导航定位技术 仿生智能技术等。仿生智能技术等。 事故发生后，顺利地进入井下灾区是机器人救事故发生后，顺利地进入井下灾区是机器人救灾的首要任务，因此，移动灾的首要任务，因此，移动机构机构的研究是的研究是井下井下搜救搜救机器人研究的首要任务。机器人研究的首要任务。2022-6-2 第 4 页1.研究背景煤矿井下地形环境总体分析煤矿井下地形环境总体分析结构化地形环境和非结构化的地形环境的结合。结构化地形环境和非结构化的地形环境的结合。井下巷道的布局、轨道、水沟井下巷道的布局、轨道、水沟等是等是按照国家或行业按照国家或行业标准建造的。标准建造的。但但这些特定地形会随着煤矿的服务年这些特定地形会随着

4、煤矿的服务年限的增加，发生一定变化。限的增加，发生一定变化。井下存在着火灾、水灾、顶板事故、瓦斯事故和井下存在着火灾、水灾、顶板事故、瓦斯事故和煤尘事故等五大灾害。除水灾外，其它的几种灾害煤尘事故等五大灾害。除水灾外，其它的几种灾害往往相互引发。瓦斯爆炸是煤矿最严重的灾害事故，往往相互引发。瓦斯爆炸是煤矿最严重的灾害事故，号称第一大号称第一大“杀手杀手”。 这种地形是复杂的、未知的非结构化地形，会这种地形是复杂的、未知的非结构化地形，会给搜救机器人的移动构成相当大的威胁和困难。给搜救机器人的移动构成相当大的威胁和困难。2022-6-2 第 5 页1.研究背景井下环境对搜救机器人移动机构的要求井

5、下环境对搜救机器人移动机构的要求：（1）.整体稳定性好，不易倾翻，行走平稳，还要整体稳定性好，不易倾翻，行走平稳，还要有一定的自动复位功能；有一定的自动复位功能；（2）. 具有一定的自我防护能力，有良好的防爆、具有一定的自我防护能力，有良好的防爆、耐热、防水和防尘等性能；耐热、防水和防尘等性能；（3）.在非结构化的井下环境和台阶、楼梯等结构在非结构化的井下环境和台阶、楼梯等结构化环境中都有良好的通过能力；化环境中都有良好的通过能力；（4）. 机动性好，可以在狭窄的空间转向；机动性好，可以在狭窄的空间转向；（5）.平坦路面上运动时，高速平坦路面上运动时，高速、低能耗；低能耗；（6）.轻轻而而小，

6、各小，各处处连接简单可靠，便于制造维修。连接简单可靠，便于制造维修。2022-6-2 第 6 页1.研究背景井下环境对搜救机器人移动机构的要求井下环境对搜救机器人移动机构的要求 上述上述要求要求中，机构可靠性、稳定性、避障能力、中，机构可靠性、稳定性、避障能力、越障能力以及防爆设计是矿井救灾机器人研制过程越障能力以及防爆设计是矿井救灾机器人研制过程中需要解决的重点问题。中需要解决的重点问题。2022-6-2 第 7 页2.研究现状20世纪世纪80年代，搜救机器人从国外开始起步。年代，搜救机器人从国外开始起步。搜救机器人搜救机器人的的第一次实际救灾行动第一次实际救灾行动：2001年年911事件发

7、生后，美国机器人辅助救援中心事件发生后，美国机器人辅助救援中心(CRASAR)和其他一些单位的救援机器人参加了救援行动。和其他一些单位的救援机器人参加了救援行动。此后，许多国家开始从国家安全战略的角度研制此后，许多国家开始从国家安全战略的角度研制出各种防爆、救援机器人用于灾难的防护和救援。出各种防爆、救援机器人用于灾难的防护和救援。矿井搜救机器人作为一个重要分支也得到了重视矿井搜救机器人作为一个重要分支也得到了重视。按移动机构的特点，矿井搜救机器人可分为以下按移动机构的特点，矿井搜救机器人可分为以下几类：轮式、腿式、履带式和复合式等多种类型。几类：轮式、腿式、履带式和复合式等多种类型。2022

8、-6-2 第 8 页2.研究现状2.1履带式搜救机器人履带式搜救机器人特点：特点：越障能力强越障能力强美军的美军的“魔爪魔爪”（Talon）采用双履带式）采用双履带式移动系统，重量较轻，可以实现单兵携带。移动系统，重量较轻，可以实现单兵携带。2022-6-2 第 9 页2.研究现状2.1履带式搜救机器人履带式搜救机器人美国美国Remotec公司的公司的V2煤矿救援机器人，煤矿救援机器人，50英寸高，英寸高，1200英磅英磅重，履带式重，履带式，用防爆用防爆电机驱动；安装有导电机驱动；安装有导航和监控摄像机、灯、航和监控摄像机、灯、气体传感器和一个机气体传感器和一个机械臂，使用光纤通讯械臂，使用

9、光纤通讯传送矿井环境信息，传送矿井环境信息，可在可在5000英尺以外的英尺以外的安全位置远程遥控。安全位置远程遥控。2022-6-2 第 10 页2.研究现状2.1履带式搜救机器人履带式搜救机器人加拿大加拿大InuKtun公司公司的机器人的机器人MicroVGTV，采用三角履带，可以采用三角履带，可以根据搜索通道的大小根据搜索通道的大小及搜寻范围的远近灵及搜寻范围的远近灵活地调整形状和尺寸，活地调整形状和尺寸，电缆控制，含有直视电缆控制，含有直视的彩色摄像头，并带的彩色摄像头，并带有微型话筒和扬声器，有微型话筒和扬声器，可用于和废墟中的幸可用于和废墟中的幸存者通话。存者通话。2022-6-2

10、第 11 页2.研究现状2.1履带式搜救机器人履带式搜救机器人美国南佛罗里达大学美国南佛罗里达大学的的Simbot矿井搜索机矿井搜索机器人，小巧灵活，携器人，小巧灵活，携带数字低照度摄像机带数字低照度摄像机和基本气体监视组件，和基本气体监视组件，进入矿井后，可以发进入矿井后，可以发现受害矿工，并探测现受害矿工，并探测氧气、甲烷气体含量，氧气、甲烷气体含量，生成矿井地图。生成矿井地图。2022-6-2 第 12 页2.研究现状2.1履带式搜救机器人履带式搜救机器人中国矿业大学可靠性中国矿业大学可靠性与救灾机器人研究所与救灾机器人研究所的国内首台煤矿搜救的国内首台煤矿搜救机器人机器人CUMT-。采

11、。采用自主避障和遥控引用自主避障和遥控引导相结合的行走控制导相结合的行走控制方式，装备有低照度方式，装备有低照度摄像机、气体传感器摄像机、气体传感器和温度计等设备，具和温度计等设备，具有无线网络通讯功能。有无线网络通讯功能。2022-6-2 第 13 页2.研究现状2.1履带式搜救机器人履带式搜救机器人鞍山凯信公司与中科鞍山凯信公司与中科院沈阳自动化研究所院沈阳自动化研究所共同研制的煤矿井下共同研制的煤矿井下探测机器人，在它的探测机器人，在它的前后有两个红外线摄前后有两个红外线摄像头像头, 可以把井下影可以把井下影像传到地面。像传到地面。2022-6-2 第 14 页2.研究现状2.2轮式搜救

12、机器人轮式搜救机器人美国智能系统和机器人中美国智能系统和机器人中心的心的RATLER矿井探索机矿井探索机器人器人。四轮，左右分体式四轮，左右分体式车身车身。其原型设计是满足其原型设计是满足野外全地形运动的车辆野外全地形运动的车辆，没有按照矿井环境来设计没有按照矿井环境来设计运动系统，底盘较低，越运动系统，底盘较低，越障性能一般，另外转向不障性能一般，另外转向不灵活，不太适合于巷道等灵活，不太适合于巷道等狭窄空间，且没有任何自狭窄空间，且没有任何自主避障方面的设计。主避障方面的设计。2022-6-2 第 15 页2.研究现状2.2轮式搜救机器人轮式搜救机器人卡内基梅隆大学的矿井探卡内基梅隆大学的

13、矿井探测机器人测机器人Groundhog，四轮转向、液压驱动，可四轮转向、液压驱动，可实现零半径转弯，最高速实现零半径转弯，最高速度可达度可达l0km/h。自主性。自主性和移动性都非常强，但它和移动性都非常强，但它是为探测正常矿井地形而是为探测正常矿井地形而设计的试验平台，携带有设计的试验平台，携带有很多很多仪器，体积巨大，不仪器，体积巨大，不适合用作煤矿搜救。适合用作煤矿搜救。2022-6-2 第 16 页2.研究现状2.3腿式搜救机器人腿式搜救机器人东京工业大学教授广濑东京工业大学教授广濑茂男研制的一款腿式救茂男研制的一款腿式救援机器人。他设计了一援机器人。他设计了一种可种可“变形变形”的

14、机械腿，的机械腿，能够在需要的时候变成能够在需要的时候变成轮子，让机器人依靠滑轮子，让机器人依靠滑轮向前移动。轮向前移动。2022-6-2 第 17 页2.研究现状2.3腿式搜救机器人腿式搜救机器人美国卡内基美国卡内基梅隆大学的梅隆大学的DanteII型八足机器人，型八足机器人，是一个能远程探险的行是一个能远程探险的行走机器人。走机器人。1994年勘探年勘探位于阿拉斯加的斯伯火位于阿拉斯加的斯伯火山，显示了在极限地带山，显示了在极限地带作业的明显优势，成为作业的明显优势，成为人类第一个人类第一个“成功成功”的的陆地探测机器人，但移陆地探测机器人，但移动速度缓慢，耗能巨大。动速度缓慢，耗能巨大。

15、2022-6-2 第 18 页2.研究现状2.4复合式机器人复合式机器人履带式履带式：优点是具有良好的越障性能，适合在崎优点是具有良好的越障性能，适合在崎岖的地面行驶；缺点是结构复杂，重量大，摩擦阻岖的地面行驶；缺点是结构复杂，重量大，摩擦阻力大，机械效率低，转向困难，机动性差。力大，机械效率低，转向困难，机动性差。腿式腿式：最灵活的运动机构；但行走速度较慢，能最灵活的运动机构；但行走速度较慢，能量损耗也很大，且控制复杂。量损耗也很大，且控制复杂。轮式轮式：结构简单、控制方便、速度高、运动灵活结构简单、控制方便、速度高、运动灵活和能耗低，和能耗低，可以可以降低成本和车重，但越障能力较差，降低成

16、本和车重，但越障能力较差，不适于在事故发生后的井下行驶。不适于在事故发生后的井下行驶。在近年的机器人结构研究中，研究人员将这三种运在近年的机器人结构研究中，研究人员将这三种运动形式交叉结合，开发了多种复合式移动机器人。动形式交叉结合，开发了多种复合式移动机器人。2022-6-2 第 19 页2.研究现状美国美国iRobot 公司生产的公司生产的Packbot 系列机器人系列机器人，两条主履带和两条摆臂两条主履带和两条摆臂履带的履带腿形式履带的履带腿形式。在在两条摆臂履带的协助下两条摆臂履带的协助下能爬楼梯和攀越能爬楼梯和攀越45的的斜坡，可以执行勘查勘斜坡，可以执行勘查勘探、救护幸存者等任务，

17、探、救护幸存者等任务，曾用于伊拉克战场。曾用于伊拉克战场。2.4复合式机器人复合式机器人2022-6-2 第 20 页2.研究现状2.4复合式机器人复合式机器人中国矿业大学的煤矿搜救机器人中国矿业大学的煤矿搜救机器人CUMT-IIA和和CUMT-IIB2022-6-2 第 21 页2.研究现状日本千叶工业大学的搜日本千叶工业大学的搜救机器人救机器人“木槿木槿”采用采用了了2 条主履带和前后条主履带和前后2 对对独立摆动的摆臂履带的独立摆动的摆臂履带的履带腿形式，且两主履履带腿形式，且两主履带较宽，将机器人主体带较宽，将机器人主体部分包裹，形成全身履部分包裹，形成全身履带机器人。带机器人。2.4

18、复合式机器人复合式机器人2022-6-2 第 22 页2.研究现状美国维克那机器人公司美国维克那机器人公司的的BEAR救护机器人。救护机器人。两腿均采用独立式履带，两腿均采用独立式履带，能够进行一系列移动，能够进行一系列移动，同时也可利用膝盖、臀同时也可利用膝盖、臀部或者脚改变身体高度，部或者脚改变身体高度，以适应不同的地形。以适应不同的地形。2.4复合式机器人复合式机器人2022-6-2 第 23 页2.研究现状韩国科学技术研究院的韩国科学技术研究院的ROBHAZ-DT3曾装备驻曾装备驻伊拉克部队，是一种三伊拉克部队，是一种三角履带与方形履带铰接角履带与方形履带铰接的机器人，两履带可在的机器

19、人，两履带可在一定角度范围内相对转一定角度范围内相对转动，可以攀登动，可以攀登45度的斜度的斜坡，时速可达坡，时速可达12千米。千米。2.4复合式机器人复合式机器人2022-6-2 第 24 页2.研究现状中国矿业大学中国矿业大学的的摇杆式摇杆式对称对称W 形的固定履带移形的固定履带移动系统动系统。该机器人不但该机器人不但具有摇杆式机器人被动具有摇杆式机器人被动地适应复杂的非结构环地适应复杂的非结构环境的良好的自适应能力，境的良好的自适应能力，又具有履带式机器人良又具有履带式机器人良好的越障性能。好的越障性能。2.4复合式机器人复合式机器人2022-6-2 第 25 页2.研究现状日本大阪大学

20、日本大阪大学的的蛇形机蛇形机器人，顶端带有一部小器人，顶端带有一部小型监视器，让营救人员型监视器，让营救人员了解受灾区域的内部情了解受灾区域的内部情况。身体部位安装传感况。身体部位安装传感器，可以在废墟里寻找器，可以在废墟里寻找幸存者。能够在狭小的幸存者。能够在狭小的角度转弯，攀爬角度转弯，攀爬20的的斜坡，挤过狭窄的缝隙斜坡，挤过狭窄的缝隙。2.5仿生搜救机器人仿生搜救机器人2022-6-2 第 26 页2.研究现状美国加州大学伯克利分美国加州大学伯克利分校的机器苍蝇，通过装校的机器苍蝇，通过装在它脑袋上的微型传感在它脑袋上的微型传感器与微型摄像机，可以器与微型摄像机，可以在废墟下或其他灾难

21、场在废墟下或其他灾难场所寻找幸存者。其身高所寻找幸存者。其身高不到不到30mm，翼展，翼展25mm，重量重量100mg， 可在可在100m上空飞行。上空飞行。2.5仿生搜救机器人仿生搜救机器人2022-6-2 第 27 页2.研究现状2.5仿生搜救机器人仿生搜救机器人2022-6-2 第 28 页2.研究现状2.5仿生搜救机器人仿生搜救机器人2022-6-2 第 29 页3.发展趋势(1) 移动系统向复合式发展。与单一移动系统相比移动系统向复合式发展。与单一移动系统相比，复合式移动系统具有越障能力强、机动性好的优，复合式移动系统具有越障能力强、机动性好的优点，更能满足机器人对适应地形的需求。点

22、，更能满足机器人对适应地形的需求。2022-6-2 第 30 页3.发展趋势(2) 构型上移动系统向被动结构发展。被动式移动构型上移动系统向被动结构发展。被动式移动系统可以降低能源需求，能够自动适应地形的起伏系统可以降低能源需求，能够自动适应地形的起伏变化，还可以简化控制系统。变化，还可以简化控制系统。2022-6-2 第 31 页3.发展趋势(2) 构型上移动系统向被动结构发展。被动式移动构型上移动系统向被动结构发展。被动式移动系统可以降低能源需求，能够自动适应地形的起伏系统可以降低能源需求，能够自动适应地形的起伏变化，还可以简化控制系统。变化，还可以简化控制系统。2022-6-2 第 32

23、 页3.发展趋势(3) 移动系统向小型化、轻量化发展。体积小、质移动系统向小型化、轻量化发展。体积小、质量轻的机器人不仅能耗较低，而且机动性好，对非量轻的机器人不仅能耗较低，而且机动性好，对非结构化的未知地形适应能力强。结构化的未知地形适应能力强。(4) 移动系统（包括驱动装置和防爆装置）的模块移动系统（包括驱动装置和防爆装置）的模块化和集成化，使机器人的安装和检修方便易行。化和集成化，使机器人的安装和检修方便易行。(5) 仿生学的研究为移动系统仿生学的研究为移动系统运动机理和控制的创运动机理和控制的创新新提供了有力支撑。提供了有力支撑。2022-6-2 第 33 页4.总结研发研发井下搜救井下搜救机器人的移动系统，须从以下角度进机器人的移动系统，须从以下角度进行创新：行创新：(1)结合现代机构理论和现代设计方法的设计理念和结合现代机构理论和现代设计方法的设计理念和设计技术的创新；设计技术的创新；(2)适应井下复杂环境的整体运动机构的设计创新；适应井下复杂环境的整体运动机构的设计创新；(3)机构的模块化和集成化设计创新；机构的模块化和集成化设计创新；(4)机构整体（包括驱动装置）防爆能力的设计创新。机构整体（包括驱动装置）防爆能力的设计创新。2022-6-2 第 34 页