智能应急救援装备趋势:小型救援机器人

发布时间:2020-11-17点击量:1143

陆地救援装备

由于大部分对人员产生巨大威胁的事故发生在陆地,因此陆地救援装备的种类更加丰富,功能也更加多样。按照结构形式及应用需求,可简单分为小型搜救机器人、大型工程救援装备及救援保障装备等。

1.3.1 小型搜救机器人

小型搜救机器人主要用来代替营救人员进入地形复杂的灾害现场完成环境监测、生命搜索等任务。根据不同的运动形式及功能,又可分为履带式搜索机器人、轮式搜索机器人、仿生搜索机器人及小型救援机器人等。

(1) 履带式搜索机器人。

履带式机器人具有支撑面积大、崎岖路面运动性能好等优点,是救援机器人应用最为广泛的运动方式之一。在救援过程中,其通过智能的环境感知与路径规划,主要完成生命搜寻、物品搜索等功能。为了提高机器人的环境适应性,在传统的履带结构的基础上,救援人员又研发了可变形履带机器人等新型的移动机器人。

传统履带式机器人一开始主要用于军事作战,且大多体积较大,不适合在灾后废墟狭小空间中搜救被困人员。为解决这一问题,许多研究人员基于传统的履带机器人,对可变形履带式机器人进行了研制。该类型的履带式机器人能够根据地形改变自身形态,可以更好地适应复杂环境。例如,奥地利应用科学大学EDLINGER等设计了一款履带式救援机器人,如图 6 所示。该机器人具有导航和感知能力,并具有良好的机动性,可连续翻越多达 15个坡道地形以及 4045 节楼梯。具有代表性的履带式搜救机器人还有美国桑迪亚实验室 2010 年研制的 Gemini-Scout 救援履带车。如图 7 所示。该履带车的行走机构采用分节式履带,机动性能较好,有较强的跨越台阶、沟槽的能力。Gemini-Scout 整车长 1.2 m,总高 0.7 m,采用无线控制方式。其装有视频采集摄像机、红外线测距仪、多功能气体浓度传感器及导航仪,同时可以携带救援物资,从而增加了被困人员获救的概率。此外,日本东北大学(8)、伊朗图什理工大学(9)等也对可变现履带搜救机器人进行了相关研究。

在国内,履带式搜救机器人的研发起步较晚,但仍然取得了大量的研究成果。2005 年,中科院沈阳自动化研究所开发了一款可重构模块化的履带式搜救机器人,如图 10a 所示。其能根据路面状况进行构型重构,具有九种运动构形和三种对称构形,能根据地形变换构型,以适应复杂环境。然而,机器人软硬件的控制、驱动的难度较大。

此外,沈阳自动化研究所还研发了一种可变形履带机器人AMOEBA-I,如图 10b 所示,它具有快速转弯、克服障碍物、穿越沟槽等能力。在常规模式下,其可以翻越高达 29.63 cm 的障碍物;在前后履带臂的协作下,能够翻越最大高度为 58 cm 的障碍物,机器人整体搜救性能较为出色。中国矿业大学设计了一款可用于矿难搜救的履带式机器人,如图 11 所示。该机器人使用了双电动机驱动履带单元,动态性能较高。在控制算法方面,其可在“速度驱动模式”和“扭矩驱动模式”之间自由切换。试验表明,该机器人具有良好的爬坡性能,且移动效率较高。

此外,北京理工大学(12)、太原理工大学等也都对履带式搜救机器人进行了深入研究。


履带式机器人的通过能力强,可在崎岖的路面上快速前进。改进后的可变形履带机器人的越障能力有了进一步的提高。但其在前进过程中摩擦力大,能量损失大。此外,履带机器人的尺寸一般都很大,只能在废墟表面工作,无法进入狹小的废墟内部空间进行搜救。

(2) 轮式搜索机器人。

轮式搜索机器人具有结构简单、可靠性高、移动速度快的特点,目前国内外众多学者对轮式搜索机器人开展了大量的研究工作。

日本京都大学的 KAZUYUKI 等研发了一款轮式搜索机器人 MATOI,可用于由生物化学武器造成的灾难现场,如图 13 所示。MATOI 的质量为109 kg,有效载荷为 80 kg,最大移动速度可达8.33 m/s。机器人平台集成了 GPS,摄像头,激光测距扫描仪等众多传感器,具有防水、防尘和抗电磁干扰的优点。以色列研发了一款轮式搜救机器人,如图 14 所示。

该机器人搭载有摄像机、夜视设备及相关传感器,负重可达 300 kg,能够按照预先设定的路线在救援自动行驶,可替代救援人员执行危险任务,以减少伤亡人数。此外,瑞士联邦学院研制的轮式搜索机器人 Shrimp(15)、日本东京工业大学研制的轮式搜索机器人 R-crank(16)也是轮式搜索机器人的典型代表。


国内对应用于救援的轮式搜索机器人的相关研究也取得了一定的成果。哈尔滨工业大学研发了一款用于灾难搜索的小型遥控轮式机器人,如图 17所示。该机器人由移动平台、多传感器、任务规划器、嵌入式控制器和无线通信模块组成,整体尺寸为 30 m×26 m×18 m,质量为 1.5 kg

由于该机器人体积较小,在搜索过程中可依靠人工无线控制移动到废墟内部,应用范围较广。西南大学研发了一种基于多连杆结构的轮式机器人,如图 18 所示,可用于灾难环境的探测搜索。该机器人的长度为30 cm,连杆长度为 51.5 cm,底盘高度为 7 cm。通过设计连杆尺度,该机器人能很好地解决连杆轮式机器人中出现的奇异现象,从而越障性能及运动稳定性较好。此外,中信重工开诚智能装备有限公司(19)和西南交通大学(20)也对轮式搜索机器人进行了研究。


轮式搜索机器人是从普通轮式移动机器人发展而来的,具有结构简单,成本低及移动速度快的优点。轮式搜索机器人的设计方法相对成熟,但在复杂崎岖的灾难搜救现场,机器人的越障能力较弱,在一定程度上影响了实际的救援效果。

(3) 仿生搜索机器人。

为了进一步提高搜索机器人的复杂环境适应性,科研人员受到自然界生物的启发,研制出多种可用于灾害复杂环境的仿生搜索机器人,主要以蛇形搜索机器人为主。该研究目前还处于实验室阶段,未来有在应急救援领域应用的可能性。

国外较早开展了蛇形搜索机器人的研究,并取得了丰硕的成果。例如,日本的 OHASHI 等研制了一款蛇形搜索机器人 ACM-R7,如图 21 所示。其长 1.6 m,质量 11.7 kg,具有 18 个自由度,且具有防水的能力。但由于 ACM-R7 的每个关节独立驱动,因此控制系统较为复杂,且在运动中能耗较大。英国普利茅斯大学研发了一款基于 3D 打印的可用于灾难现场搜索的蛇形搜索机器人。该机器人的机身利用柔性材料制成,抗冲击性能较好,刚度高。机器人的控制器位于头部,利用嵌入式计算可以通过无线通信连接到远程 PC,允许操作员远程控制机器人。

除了上述两类蛇形搜索机器人外,由日本SGI 公司和电气通信大学联合研制成功的基于履带的蛇形搜索机器人也具有很强的代表性,如图 22所示。第一代机器人“KOHGA”由 7 个关节将 8个履带车单元串联而成。在 7 个关节中,除前两个关节为主动关节外,其余关节均为从动关节。KOHGA采用无线控制的方式,安装有摄像机、红外线测距仪、多功能气体浓度传感器及导航仪,可实现对灾害现场的环境监测。在此基础上,研究人员还开发了具有更强环境适应性的第二代机器人。

在国内,西安科技大学李红岩针对于煤矿蛇形救援机器人(23),研究了其在矿井下事故现场局部未知环境下的环境参数探测、姿态控制以及路径规划等问题,通过提出局部未知障碍物几何特征地图匹配的方法、基于优化人工势场栅格蚁群算法、具有参数自适应调整的多目标点牵引的人工势场算法等,使得蛇形机器人具有良好的环境适应性。北京化工大学研制了一种新型的蛇形搜索机器人,如图 24 所示。该机器人的长度为 125 mm,直径为42 mm,质量为 3.2 kg,偏航角为±45°。机器人由8 个具有 3 自由度的并联机构组成,可在空间开展有效的三维搜索运动。


蛇形搜索机器人的体积相对较小,能够进入相对狭窄的缝隙。但是蛇形搜索机器人大多采用被动轮式运动,只适合在较为平坦的地面或者水中运动,且控制复杂、可靠性不高,在一定程度上限制了其在实际搜救行动中的应用。

除了蛇形搜索机器人以外,日本东京工业大学、和上海交通大学等还对腿式搜索机器人进行了相关研究。但由于腿式机器人移动速度慢,效率低,其在应急搜索救援领域尚未得到应用。

灾害救援现场的应用效果表明,当废墟环境过于复杂时,现有履带式救援机器人、轮式救援机器人以及仿生救援机器人均无法完全满足救援需要。为此,基于上述运动形式,研究人员也对具有复合运动功能的救援机器人进行了研究,以使得救援机器人能够具有不同运动形式的优点,提高机器人在崎岖地形下的运动效率。具有典型代表的救援机器人包括轮腿复合救援机器人、轮履复合救援机器人等。然而,上述救援机器人仍处于实验室阶段,具有实际应用存在一定的差距。

(4) 小型救援机器人。

上述履带式或轮式机器人多通过搭载各种传感器,以完成搜索任务为主。在此基础上,许多学者通过在机器人上搭载操作装置,使得其能够完成更加复杂的救援任务。例如,韩国研制了一种履带式救援机器人,如图 25 所示。其由头部、躯干和双机械臂组成,可通过机械臂完成伤员搬运等功能。在此基础上,研究人员还对其稳定控制方法进行了研究。在国内,哈尔滨工业大学在履带式救援机器人上配备了执行装置,它可以利用蠕动功能在重物下面建立运动通道使其在下面穿行,并可在废墟环境下完成起缝、顶撑等不同任务需求,如图 26 所示。该机器人最低可以深入 40 mm 的裂缝中,可将700 kg 的物体顶撑至距离地面 410 mm 的位置。此外,沈阳建筑大学等也对能够完成救援任务的小型移动机器人进行了研究(27)


由于许多救援领域具有很强的特殊性,因此,通用的一般化救援装备难以满足救援需要。许多科研人员针对于特殊救援领域,研制了种类繁多的专用化救援装备。其中,具有灭火功能的消防救援装备最具有代表性。该类救援装备可以代替救援人员完成高层或超高层建筑的灭火任务。国外起步较早,美国、日本等都对灭火机器人进行了研究。

美国霍氏科技公司研制的遥控灭火机器人Thermite RS 1-T2 如图 28 所示。其采用履带式行走机构,由 18.64 kW 的柴油发动机提供动力,搭载的摄像头可对火场内部实施侦察。主要通过机器人来拖动水带,同时车载全方位喷嘴开展灭火作业,每分钟可提供 2211 L 水。美国的 In Rob Tech 公司生产的消防灭火机器人 FFR-1 如图 29 所示,其配备的冷却系统可使机器人在 6 000 ℃的高温环境下将自身温度保持在 600 ℃左右,机器人具有较强的耐高温特性。在国内,中国矿业大学研制了一款消防机器人,如图 30 所示,并对消防炮不同俯仰角下的运动稳定性进行了研究[54]。由中信重工开诚智能装备有限公司研制的消防灭火机器人如图 31 所示。其搭载的消防水炮的工作压力为 1.21.5 MPa,最大流量为 120 L/s,最大射程为 150 m,特别适用于石化及燃气等易爆环境。

基于上述传统的救援机器人,研究人员将一些新的机构形式应用于消防机器人当中。例如,为解决现有灭火机器人很难直接接触到火源的问题,东京大学 ANDO 等设计了一种软体灭火机器人,如图 32 所示。机器人喷嘴模块有两个出水口,可通过出水口水流的控制保持软体灭火装置的稳定飞行。试验表明,长约 2 m 的机器人可以利用水的反作用力在空中稳定飞行,并可改变喷头的方向。


上述研究表明,为了提高救援效率,国内外都对小型救援装备开展了相关研究。其中,灭火装备的研究较为成熟,已经能够在救援现场完成部分救援任务。然而,小型救援装备仍然存在功能简单、难以完成复杂任务的问题。由于灾害现场环境复杂,操作对象及任务种类繁多且具有很强的不确定性,这对机器人操作的准确性、运动的灵活性及救援可靠性等提出了较高的要求。因此,现有小型救援装备难以满足救援需求,有待于进一步研究。

 

来源:机械工程学报
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