“极地”救援机器人设计方案探究

摘要:“极地”救援机器人所在的工作环境存在很多不可预知的因素,例如机器人必须要越过障碍物,通过驱动装置到“极地”,各种传感器采集周围环境信息后,控制中枢对其判断和处理,反馈给控制中心,带有急救品的备用箱可对被救援人提供急需用品,可在救援队不能到达的环境下完成一定的救援任务。

关键词:救援机器人 外部结构 驱动装置 备用箱 控制中枢 1 前言

众所周知,“极地”的生存环境极其恶劣,而且自然灾害频发,在“极地”工作的人员极易遭受灾难的袭击,陷入困境。这时候“极地”救援机器人就能发挥很大的作用。

研发的“极地”救援机器人要适应“极地”的恶劣环境,然后才能按照预定的模式工作。“极地”救援机器人开展救援时,必须要越过障碍物,通过驱动装置到达“极地”;通过各种传感器采集周围环境信息后,控制中枢对其判断和处理,反馈给控制中心,控制中心可以“指挥”机器人工作,可在救援队不能到达的环境下完成一定的救援任务。目前,救援机器人主要有履带式、可变形以及仿生救援机器人等。由于“极地”灾难发生在不可预知的非结构环境中,传统的轮履式或可变形轮履式移动平台是“极地”救援机器人移动平台的最佳选择。

“特种机器人的研究”是我国十二五规划的重点研究项目,而“极地”救援机器人又是“特种机器人”的有机组成部分。考虑到“极地”的自然环境条件和灾害现场的不确定性等特点,“极地”救援机器人采用了履带式的行走方式。

2 “极地”救援机器人的设计 2.1 外部结构

“极地”救援机器人的外部结构如图1所示。

“手臂”能够支撑并带动摄像头的运动,调节摄像头的高度,使摄像头获取不同高度空间的信息。履带使得机器人在不同的路况下都能够平稳安全的行驶。连杆使得机器人在上下坡时能够自由弯曲,保持机器人的平稳。备用箱内置各种急需品(以下有介绍)。摄像头用于获取周围的状况。传感器起到躲避障碍物,获取各种信息的作用。能源装置为机器人的正常运行提供可靠的能源保障。发射天线起到通信作用,

用于远程控制等。

2.2 机器人驱动装置的结构设计

根据机器人的应用环境和使用要求,在绝大多数情况下机器人应当具有体积小、重量轻、越障能力强、自我保护能力高、动力性好等特点。为了满足以上要求,一般机器人的本体设计得比较小,其内部能安装驱动机构、控制系统和电池等部件即可。为增加机器人的几何通过性,一般采用图2所示的摆臂结构。机器人本体的前面有一对摆臂,功能类似前导轮,以提高越过障碍物的能力。

机器人可根据路况的不同而采用不同材料、不同结构的履带。履带要有压带轮和托带轮。如能保证前后轮中心距的加工精度,可以不调节前后轮的中心距,从而简化结构。为了远程遥控和操作机器人,一般给机器人安装“眼睛”,即摄像机(如图3),以观察前方路况,并由动力装置调节高度。

图中:处理单元处理摄像头所获取的视频信息,将处理后的信息存储到整个机器人的控制中枢,以便进行通信传输与远程控制。转轴可以使摄像头360°转动,获取更多更详细的周围环境。

2.3 备用箱的设计及说明

“极地”救援机器人的重要功能体现在它的工作效能和救助能力方面。机器人上方所配置的备用箱能够给予所搜寻的需要救助者一些基本的救助以延长其生命时间。

备用箱分为食物备用箱、食用水备用箱、急救备用箱和自恢复急用箱,其相关结构如图4所示。在箱内设有机器手,机器人将检测到的受伤人员的各种信息通过通信设备传输到远方的救援指挥中心,由指挥人员实施远程控制,控制机器手选取不同的物品给与受难者施救。如指挥人员通过机器人反馈回来的信息检测到受伤人员缺水,则控制箱体内的机器手获取食用水备用箱内的水,喂以伤员饮用;如检测到伤员的受伤部位,则控制机器手取用急救物资箱内的物资实施简易的包扎和处理。在此期间,指挥中心派发出急救人员前去予以施救。机器人所做的工作是延长受难人员的生命,等待救助人员的到来。其中自修复备用箱用以在机器人受到破坏时,能够从中取得常用的零件在短时间内进行自修复。

2.4 控制系统设计

整个机器人能够正常作业,主要依赖于机器人的控制中枢系统,其控制系统结构如图5所示。机器人通过摄像头或者传感器搜集的周围环境信息和伤员信息都通过相应的设备传输到此控制中枢,控制中枢通过通信装置实现与远程的救灾指挥中心的连接。由指挥中心发出指令给机器人执行,机器人的行走、避障、逃难等常用动作也由机器人内的这个控制中枢所控制;机器人实施救助,由救灾指挥中心根据机器人反馈的信息发出相应的指令,由此控制中枢执行指令,控制相应的器件动作,对伤员实施基本救助。图6为机器人的控制中枢的处理器以及其各个常用接口之间的连接控制关系。

3 结语

目前,关于“极地”救援机器人国内外都有不同程度的科学研究,我国可以借鉴前人的研究成果以及实际使用时的经验教训来开展进一步研究。研究“极地”救援机器人有着可靠的资源保障,在硬件方面,随着材料科学的迅猛发展,足够提供高强度的材料用以制造高性能“极地”救援机器人,电子器件方面的技术,可以提供高性能,工作稳定的处理器,用于构建机器人的控制中枢;在软件方面,当今的通信技术,控制技术,检测技术的日渐成熟,可以为一个“极地”救援机器人提供强有力的支持。所以“极地”救援机器人具有广阔的发展前景。研制“极地”救援机器人有现实意义和必要性,如能成功必将在“极地”救援工作中发挥积极作用,产生良好的社会影响和经济效益。

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