搜救机器人45016.docx
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1、青少年科技创新大赛中学生项目地震被困人员搜搜救器学 生: 李振坤坤 蒋明彤 指导教师: 崔崔娜 佘念利 刘秀艳 学 校:河北省唐山山市第一中学学2008年122月摘 要摘 要地震发生后,面面对很容易发生二次倒塌塌的建筑物,救援人员无法深深入废墟内及时对受困人人员进行搜索和施救。为此,设计计一种体形细细长的搜救器,它可在复杂表表面上前后爬爬行、转弯和和越障,在狭狭小缝隙间穿穿行,装有摄摄像机等传感感器进入废墟墟下探测和定定位受伤者,还还可以为伤者者送去必要的的药品和食物物。该搜救器采用类类似高速列车车动车组的模模块化结构形式,头尾结结构相同,每每个中间单元均有电源和驱动器器,各单元相相对独立并可
2、可在现场自由由拆装,可根根据需要灵活活配置;由弹簧、卡爪和电磁铁铁构成的驱动器器结构简单,可实现前进、后退、转弯、越障等动作;采用蠕动前进方式,便于通过狭小通道;可张合的头锥,既可保护摄像机,又可进行一些功能操作;提出的球面水银定向器实现了爬坡、翻转时搜救器定向;各动作全部均采用电磁铁驱动,通过控制电磁铁线圈电流控制动作程度,能量利用率高,简单易行。与现有设备相比,该搜救器功能强、结构简单、工作周期长,适用于复杂地面环境,可大大提高搜救速度,减少抗震救灾过程中的人员伤亡。关键词:地震,搜救,救援,废废墟,机器人人目 录目 录引言11 项目研究背景221.1国内外救救援装置研究现状状21.2地震
3、搜救救装置关键技术术441.3项目研究究内容及意义义52 搜救器结结构设计62.1基本设计计方案62.2结构设计计72.3三维造型型设计.1113 结论12致谢13参考文献14引 言引 言举世震惊的汶川川5.12强烈地震震发生后,全全国人民都积积极投入到抗抗震救灾活动中。作为三十多年年前经历过同同样灾难的唐山人民对对汶川地震尤为为关注,一些些人立即奔赴赴灾区,很多人忙着为为灾区捐款捐捐物。那些日日子里,走到到唐山的任何何一个角落你你都会听到人人们在谈论着着有关地震的的事情。我们也时刻关关注着救灾的的进展情况,每天放学回回家第一件事事就是赶紧打开电视视机观看救灾现场的报报道,当看到到有人被埋在在
4、废墟下呻吟吟呼救,而外外面的人却一时无法将他他们救出时,我们心里十分焦急,总在想:里面的人肯定受了重伤,也一定很饿,如果有个小型搜救器能迅速钻到废墟里,探明受伤人位置和情况,给他们送去急需的药品和饮食该有多好啊。随着时间一天天过去,废墟下的呼救声逐渐消失了,有人冒着余震的危险用生命探测器在废墟上检测下面是否还有人活着,我们又在想:如果有个搜救器带着这种生命探测器深入到废墟和危楼里会不会发现里面更多活着等待急救的人呢?有一天,看到两名救援人员在危楼中搜救时被余震倒塌的楼房掩埋的画面时,我们萌生了更加强烈的愿望:一定要设计一个搜救器,替代人深入到危险的地方对受灾人实施救助。我们把这个愿望望告诉了家
5、长和老师,他们都都非常赞同并并全力支持我我们。从那以后,我们利用课余时间间从图书馆及及互联网上查查阅了大量相相关资料,一直在在努力设计一一种能够在瓦瓦砾上运动,在在狭小缝隙间间穿行的小型型搜救器,尤其其根据我们已经掌握的的知识对它的的结构和运动机机理进行研究究。- 2 -项目研究背景1 项目研究究背景1.1 国内外外救援装置研究现状状近年来多发的自自然灾害如地地震、火灾、洪洪水,严重威胁着人人类的安全,引引起了人们广广泛关注。将将机器人技术术、营救行动动技术、灾难难学等多学科科知识有机融融合,研制与与开发用于搜搜寻和营救的的灾难救援装装置,是机器器人学研究中中一个富有挑挑战性的新领领域。由于地
6、地震后存在易易二次倒塌建建筑物的现场场,施救人员员无法深入进进行侦察或施施救,人们急急于探知灾难难现场的内部部险情,但又又无法接近或或进入灾难现现场。此时,救救援机器人的的参与可以有有效地提高救救援的效率和和减少施救人人员的伤亡,它它们不但能够够帮助工作人人员执行救援援工作,而且且能够代替工工作人员执行行搜救任务,在在灾难救援中中起着越来越越重要的作用用。近年来,特别是是“9111”事件以后后,世界上许许多国家开始始从国家安全全战略的角度度研制出各种种反恐防爆机机器人、灾难难救援机器人人等危险作业业机器人用于于灾难的防护护和救援。同同时,由于救救援机器人有有着潜在的应应用背景和市市场,一些公公
7、司也介入了了救援机器人人的研究与开开发。此外,国国际RobCCup机器人人竞赛也增加加了救援比赛赛的专项RoobCup Rescuue,为救援援理论和技术术提供仿真研研究的试验平平台。目前,灾灾难救援机器器人技术正从从理论和试验验研究向实际际应用发展。日本作为一个多多地震国家,在在救援机器人人方面开展了了相对全面的的工作。日本本东京工业大大学的广濑是是最早从事救救援机器人研研究的学者之之一,他所领领导的广濑研研究室,从仿仿生的角度和和基于超机械械系统的思想想先后研制了了“ACM”,“GGENBU”与与“SORYYU”等多系系列救援机器器人样机。考考虑到灾害现现场的援助作作业最重要的的是确定受灾
8、灾害者的位置置,必须依靠靠能够在像瓦瓦砾那样狭小小的场所移动动的机器人来来探察,为此此他们研制了了SOURYYU.I和SSOURYUU.II。日日本东京工业业大学的KAAMEGAWWA等提出一一种新的救援援机器人平台台,该机器人人由多节履带带车连接而成成,能够进入入狭窄的空间间,相邻单元元间由主动关关节连接,具具有较好的越越障能力和地地面适应能力力。日本京都都大学OSUUKA等研制制出一种死结结四面履带救救援机器人“MMOIRA”,采采用电动机同同时驱动四周周履带,使得得它在废墟中中有很好的穿穿梭能力和抗抗倾翻能力。在美国,多个高高校的研究中中心、国家研研究机构和公公司也同时进进行了救援机机器
9、人的研究究。南佛罗里里达大学灾难难救援机器人人研究中心MMURPHYY等研制出安安装有医学传传感器的救援援机器人Buujold,底底部采用可变变形履带驱动动具有较高的的运动和探测测能力,同时时机器人能够够在灾难现场场获取幸存者者的生理信息息和环境信息息,并将其传传送到外界。加加利福尼亚工工业大学HEELMICKK等研制的多多传感器救援援机器人,机机构结构简单单易控,具有有快速爬楼梯梯的能力。南南加利福尼亚亚大学SHEEN等研制的的一种模块化化可重构的救救援机器人CCONRO,它它可以根据灾灾难现场环境境的需要重组组成蛇形、六六足形及环行行等多种构形形。美国航空空航天局HAAITH等等研制一种具
10、具有三维运动动的蛇形机器器人Snakkebot,它它在非结构环环境具有较强强的运动能力力。PARCC研究中心YYIM 等设设计的一种模模块化可重构构的机器人PPolyBoot,因机器器人的模块具具有互换性而而具有很强的的变形能力,机机器人不同的的构形可以适适应于不同的的地形。“99.11”事事件的灾难现现场救援被认认为是灾难救救援机器人的的第一次实际际应用。在纽纽约世界贸易易中心遭到恐恐怖袭击发生生后几小时,美美国“机器人人辅助搜救中中心”立即组组织了一支由由机器人专家家和生产厂家家技术人员构构成的队伍,携携带可供使用用的机器人赶赶赴世贸中心心废墟现场,向向救援行动提提供技术支持持。其中Inn
11、uktunn公司的MiicroVGGTV、MiicroTrraces和和MiniTTracess三种机器人人它们体积小小,质量轻,在在废墟堆上用用的最多。FFosterr-Milller公司的的Talonn和Urboot也被用于于建筑物的内内部检测。在国内,中国科科学院沈阳自自动化研究所所研究的蛇形形机器人样机机旨在用于非非结构环境中中探测和灾难难救援作业。该该蛇形机器人人可以根据地地面状况采用用蜿蜒、伸缩缩、侧移和翻翻滚等多种运运动步态,在在监控系统的的无线控制下下,具有一定定的三维运动动能力,并可可通过安装在在蛇头上的微微型摄像头将将现场图像传传回监控系统统。该单位还还研制了一种种履带式灾
12、难难救援可变形形模块机器人人样机,具有有直线、三角角和并排等多多种形态,通通过多种形态态和步态来适适应环境和任任务的需要。上海交通大学研制了一种仿蛇机器人样机,该机构由一系列刚性连杆连接而成的自由多刚体系统,由步进电机控制两刚性连杆之间的夹角,使连杆作平面运动,连杆两边装有滚动轴承作车轮,滚动轴承只改变纵向和横向摩擦系数之比。国防科技大学年研制的一种蛇形机器人能像蛇一样扭动身躯,在地上或草丛中蜿蜒运动,可前进、后退、拐弯和加速。头部是机器人的控制中心,安装有视频监视器。我国是世界上灾灾难发生最为为严重的少数数国家之一,具具有灾害种类类多、发生频频率高和分布布地域广等特特点。近年来来,地震、矿矿
13、难灾难事故故在我国多次次发生,给公公众安全和国国民经济带来来极大的破坏坏作用,引起起了相关领域域专家和学者者们的注意。现现有的灾难救救援机器人的的研究工作主主要是救援单单机器人平台台基础技术的的研究和实现现。随着灾难难救援机器人人研究逐步从从试验研究转转入到实际应应用,结合灾灾难救援机器器人的应用环环境和作业功功能的需要,救救援机器人的的研究正朝多多种技术融合合化和多智能能体网络化两两个主要方向向发展。1.2 地震搜搜救装置关键技术术综合世界各国对对救援机器人人技术研究和和实际应用,用用作地震搜救救的装置关键性能能在于运动能能力,感知能能力,通讯能能力和作业能能力等几个方方面。地震搜救环境对对
14、装置的运动能能力要求较高高,装置的移动方方式十分重要要。现有的移移动机器人有有轮式、履带带式和腿式等等移动方式。地地震废墟里空空间狭小,受受环境空间的的限制,搜救救装置机器人物物理结构必须须要小;但是是它又必须要要越过位于机机器人路径上上的障碍物,它它的重心不能能太高,在越越障碍物时又又不能失去牵牵引力;另一一方面,行进进过程或翻越越障碍物过程程中,可能出出现翻滚现象象,它必须具具有自调整能能力。实践证证明,蛇形机机构是满足上上述要求的有有效机构之一一。该机构具具有结构重复复,冗余度大大的特点,它还还具有一定的的故障容错能能力。而履带带、轮、腿复复合的复合移移动机构适用用于环境存在在松软的灰土
15、土地面、泥泞泞路面及坎坷坷不平的废墟墟地面等多种种地面地形。搜救机器人的感感知能力主要要体现在:对对机器人的控控制、对环境境的检测和对对遇难者的发发现三个方面面。机器人的的控制方面,为为了让机器人人正常工作,必必须对机器人人的位置、姿姿态、速度和和系统内部状状态等进行检检测,系统可可以采用传统统机器人的CCCD摄像机机、激光测距距仪、超声测测距仪、接触触和接近传感感器、红外线线传感器和雷雷达定位传感感器等。在环环境检测方面面,环境检测测对搜救的正正常工作、提提高工作效率率、节省能源源和防止意外外事故都是非非常重要的。在在感知系统中中,视频信息息对救援机器器人而言十分分关键,因为为救援过程中中它
16、们可以用用于机器人的的导航和对现现场的情况通通过视频进行行观察。视频频摄像机可以以用来进行遥遥操作机器人人和发现遇难难者,因为它它们能够为操操作人员提供供视觉信息。此此外,还有数数字温度摄像像机、穿透雷雷达、微波雷雷达、激光探探测仪等先进进技术,但系系统的成本和和能量消耗较较大。搜救机器人的通通信主要在于于:操作人员员与机器人之之间的通信、操操作人员与遇遇难者之间的的通信。所有有的通信通常常采用无线的的方式。目前前操作人员与与机器人之间间的通信均采采用人机交互互的形式。机机器人既是一一个工具,又又是一个作业业执行的代替替者,施救人人员通过与机机器人通信知知道即将发生生的一切,以以便采取相应应措
17、施。操作作人员和机器器人之间的通通信主要包括括操作人员对对机器人的控控制和机器人人采集信息的的有效传输,主主要考虑控制制指令的准确确性和信号处处理的完备性性两个方面的的因素。操作作人员和遇难难者之间的通通信主要有声声音和图像的的传递,声音音双向传输设设备为话筒和和麦克。通过过语音之间的的交互联系,幸幸存者不仅可可以知道救援援队伍的到来来,同时还可可以指导救援援工作的进行行和进一步发发现其他的遇遇难者。救援机器人的作作业能力是指指机器人方便便于操作人员员的使用和机机器人本身具具有一定的作作业功能两个个方面。一方方面机器人本本身必须可控控和便于控制制,要求机器器人质量轻,方方便携带。机机器人的作业
18、业功能主要包包括勘探、搜搜寻和救助三三个方面。其其中勘探功能能帮助操作人人员确定险情情的位置,利利用机器人进进行采样、记记录数据,记记录下所有有有关建筑物的的三维地理信信息和物理信信息,由救援援指挥官或相相关的工作人人员来确定工工作区对工作作人员来讲是是否安全,最最小化救援队队伍的危险性性;搜寻功能能用于一些人人不能够接近近的洞穴进行行搜寻和辨识识遇难者;救救助功能中机机器人提供一一系列的服务务,包括必要要设备的携带带、遇难者急急需物质的供供应、与工作作人员和被困困的遇难者保保持联系等,必必要时还需要要完成对接近近受害人过程程的路径进行行规划,对受受害人进行自自主的或遥测测的急救,保保护生命体
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