煤礦救生機(jī)器人設(shè)計(jì)【四連桿變形履帶式機(jī)器人結(jié)構(gòu)】
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河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院
本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告
題目名稱
煤礦救生機(jī)器人
學(xué)生姓名
專業(yè)班級(jí)
學(xué)號(hào)
一、 選題的目的和意義：
目的：
礦難災(zāi)難發(fā)生后, 在廢墟中搜尋幸存者, 給予必要的醫(yī)療救助, 并盡快救出被困者是救援人員面臨的緊迫任務(wù)。實(shí)際經(jīng)驗(yàn)表明, 超過48 小時(shí)后被困在廢墟中的幸存者存活的概率變得越來越低。由于災(zāi)難現(xiàn)場(chǎng)情況復(fù)雜, 在救援人員自身安全得不到保證的情況下是很難進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)開展救援工作的。災(zāi)難搜救機(jī)器人可以很好地解決上述問題。機(jī)器人可以在災(zāi)難發(fā)生后第一時(shí)間進(jìn)入災(zāi)難現(xiàn)場(chǎng)尋找幸存者, 對(duì)被困人員提供基本的醫(yī)療救助服務(wù), 進(jìn)入救援人員無法進(jìn)入的現(xiàn)場(chǎng)搜集有關(guān)信息并反饋給救援指揮中心等。
意義：
在礦難發(fā)生后提供緊急救援為生命提供保障，為救援隊(duì)提供幸存者具體位置，在最短時(shí)間里制定救援計(jì)劃，在礦難發(fā)生后生命保存最大化
二、 國(guó)內(nèi)外研究綜述：
國(guó)外
一些國(guó)家在發(fā)生災(zāi)難后利用機(jī)器人參加搜救行動(dòng)的例子很多，而國(guó)內(nèi)的搜索救援行動(dòng)中，很少見到搜救機(jī)器人的影子，在國(guó)外救生機(jī)器人已經(jīng)系列化，很早就用于實(shí)際的救援之中例如美國(guó)911，日本福島核電站出現(xiàn)了各式各樣的鋼鐵衛(wèi)士，而在國(guó)內(nèi)汶川大地震中出現(xiàn)的都是救生隊(duì)員和救生犬，大災(zāi)之后24小時(shí)的救生黃金時(shí)間中各種不穩(wěn)定因素作用在出發(fā)現(xiàn)場(chǎng)救生隊(duì)員的生命安全甚至都無法得到保障以牽引和運(yùn)動(dòng)方式的不同搜救機(jī)器人主要可分為以下幾類：
1 履帶式機(jī)搜救機(jī)器人
2 形狀可變履帶機(jī)器人
3 位置可變履帶機(jī)器人
4 仿生搜救機(jī)器人
國(guó)內(nèi)
國(guó)內(nèi)救生機(jī)器人尚處于初級(jí)階段各項(xiàng)發(fā)展還不夠完善，與國(guó)外救援機(jī)器人存在一定差距國(guó)內(nèi)外很多研究機(jī)構(gòu)開展了大量的研究工作,可在災(zāi)難現(xiàn)場(chǎng)廢墟中狹小空間內(nèi)搜尋的各類機(jī)器人如可變形多態(tài)機(jī)器人、蛇形機(jī)器人等相繼被開發(fā)出來由中科院沈陽自動(dòng)化研究所機(jī)器人學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研制的空中搜索探測(cè)機(jī)器人、廢墟洞穴搜救可變形機(jī)器人、廢墟表面搜救機(jī)器人
搜救機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)問題及發(fā)展趨勢(shì)
災(zāi)難搜救機(jī)器人是一個(gè)新興的研究領(lǐng)域,其使用環(huán)境的特殊性對(duì)機(jī)器人硬件和軟件兩方面都提出了更高的要求,目前在該領(lǐng)域仍存在很多需要不斷探索的技術(shù)難題。
1 硬 件
1. 1 移動(dòng)性/ 機(jī)械機(jī)構(gòu)
移動(dòng)性是搜救機(jī)器人完成搜救工作的決定因素,機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)應(yīng)該能夠在惡劣廢墟環(huán)境中靈活地穿梭于狹小的空間之中,能夠翻越障礙,爬樓梯,穿越泥濘的道路等,且機(jī)器人的移動(dòng)不應(yīng)對(duì)周圍不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響,以免發(fā)生二次坍塌或爆炸等。此外,機(jī)器人還應(yīng)該具備適應(yīng)惡劣環(huán)境的能力,具有防水、耐高溫等能力。
1. 2 傳感檢測(cè)裝置
搜救機(jī)器人的主要工作就是通過傳感器實(shí)現(xiàn)自身的導(dǎo)航、環(huán)境信息的獲取以及幸存人員的搜尋。由于災(zāi)難現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的復(fù)雜性及不確定性,傳統(tǒng)在室內(nèi)結(jié)構(gòu)化環(huán)境中已較成熟的導(dǎo)航算法無法滿足救援工作的要求,傳統(tǒng)的聲納、激光測(cè)距儀等在充滿煙霧和灰塵的環(huán)境中也很難取得理想的效果。目前搜救機(jī)器人主要采用人工控制方式來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的導(dǎo)航。災(zāi)難現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境信息是確定最佳救援方案,確保救援人員自身安全的關(guān)鍵,常見的環(huán)境參數(shù)主要有有害氣體含量、空氣質(zhì)量、是否有火災(zāi)發(fā)生等。
1. 3 人機(jī)通訊方式
目前機(jī)器人與操作者之間常用的通信方式有無線和電纜兩種方式。電纜方式可以通過線纜方便地為機(jī)器人提供能量,穩(wěn)定可靠地實(shí)現(xiàn)機(jī)器人和操作者之間的信息傳送,且當(dāng)機(jī)器人遇阻時(shí)通過拖拽使機(jī)器人重新投入工作。但電纜方式也存在一定的問題,隨著機(jī)器人搜尋范圍的深入,線纜很容易發(fā)生纏繞而影響機(jī)器人的移動(dòng)性。研制收放靈活的電纜卷繞裝置是解決目前有線通信方式機(jī)器人通訊問題的關(guān)鍵。
無線通訊方式的穩(wěn)定性較難保證,即使在穿透性能最佳的頻段,也會(huì)由于帶寬及各種干擾的影響使得通訊無法正常進(jìn)行?！?11”事件的救援工作證明,無線方式的機(jī)器人大約有25 %以上的時(shí)間無法正常通訊[1 ] 。穩(wěn)定可靠的通訊方式是當(dāng)前救援機(jī)器人領(lǐng)域需要很好解決的關(guān)鍵問題之一。
2 軟 件
2. 1 人機(jī)交互和用戶界面
在災(zāi)難現(xiàn)場(chǎng),搜救機(jī)器人的操作者精神高度緊張且需要長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)高負(fù)荷工作,因此良好的人機(jī)交互系統(tǒng)是提高搜救效率、減輕救援人員工作強(qiáng)度的保證。人機(jī)交互是通過良好的用戶接口來實(shí)現(xiàn)的,因此,該接口必須為操作者提供豐富的信息,從而使操作者能夠做出最佳判斷來對(duì)機(jī)器人進(jìn)行控制,通過該人機(jī)接口,操作者能很容易地判斷機(jī)器人的位置、狀態(tài)等,能夠靈活地對(duì)機(jī)器人本身以及其所攜帶的有關(guān)裝置如攝像頭、照明裝置等進(jìn)行控制。
2. 2 傳感器融合
由于救援現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的復(fù)雜性,對(duì)傳統(tǒng)的室內(nèi)結(jié)構(gòu)化環(huán)境下傳感器數(shù)據(jù)的處理算法不能滿足搜救工作的需要如通過視頻圖像對(duì)幸存者的檢測(cè),由于灰塵、煙霧等的影響使得識(shí)別變得非常困難,通過檢測(cè)到聲音的方向辨別幸存者的方位,也由于現(xiàn)場(chǎng)噪音的影響而變得很困難。
2. 3 機(jī)器人搜救隊(duì)
由于災(zāi)難現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的復(fù)雜性,需要各種不同的搜救機(jī)器人參與救援工作,如MCU 研制的圖4 (a) 所示的通過具有較強(qiáng)越障能力的輪式機(jī)器人攜帶蛇行機(jī)器人來完成救援工作的機(jī)器人。為了縮減搜索遍歷時(shí)間,組建機(jī)器人搜救隊(duì)是行之有效的辦法,各機(jī)器人之間相互協(xié)調(diào)來快速完成搜索工作。目前有不少研究機(jī)構(gòu)在開展多機(jī)器人未知環(huán)境探索算法的研究工作,并已經(jīng)有基于結(jié)構(gòu)化未知環(huán)境搜索的系統(tǒng)問世[12 ] ,但要真正用于實(shí)際救援環(huán)境還有很多工作要做。
2. 4 傳統(tǒng)移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)的局限性
移動(dòng)機(jī)器人在室內(nèi)結(jié)構(gòu)化環(huán)境下的導(dǎo)航、定位、路徑規(guī)劃、地圖建立以及未知環(huán)境探索等技術(shù)經(jīng)過長(zhǎng)期的研究已經(jīng)基本成熟,但要用于災(zāi)難現(xiàn)場(chǎng)的非結(jié)構(gòu)化復(fù)雜未知環(huán)境的探索還需要進(jìn)行更深入的研究。目前搜救機(jī)器人的控制方式主要以手工操作為主,不追求機(jī)器人的完全自治。但為了提高救援水平,縮短搜索時(shí)間,完全自主的搜救機(jī)器人,尤其是自主機(jī)器人搜救隊(duì)將是發(fā)展的方向。
三、 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）所用的主要技術(shù)與方法：
技術(shù)指標(biāo)：
越障能力，續(xù)航能力，抗傾覆能力
方法：
輪腿復(fù)合運(yùn)動(dòng)方式
四、 主要參考文獻(xiàn)與資料獲得情況：
Robert L Williams Ⅱ , Brian E Carter, Paolo Gallina,et,al.
Dynamic Model with Slip for Wheeled Omni -Directional
Robots ［J］. IEEE Transaction on Robotics and Automation ,
2002（3）：2-9.
王利華.機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)中創(chuàng)造性思維的研究［J］.內(nèi)蒙古民族大學(xué)學(xué)報(bào)，
2005，20（2）:183~186
五、 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）進(jìn)度安排（按周說明）
第1周-第2周 收集整理相關(guān)資料完成畢業(yè)實(shí)習(xí)報(bào)告，翻譯和設(shè)計(jì)相關(guān)的英文資料
第13周-第15周 進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)，完成開題報(bào)告，中期檢查報(bào)告，完成畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書
第16 周 準(zhǔn)備答辯 進(jìn)行畢業(yè)答辯
六、 指導(dǎo)教師審批意見：
指導(dǎo)教師： （簽名）
年 月 日
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