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河南理工大學萬方科技學院
本科畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告
題目名稱
煤礦救生機器人
學生姓名
鮑占林
專業(yè)班級
08機設(shè)-2
學號
0828070078
一、 選題的目的和意義：
目的：
礦難災難發(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。實際經(jīng)驗表明, 超過48 小時后被困在廢墟中的幸存者存活的概率變得越來越低。由于災難現(xiàn)場情況復雜, 在救援人員自身安全得不到保證的情況下是很難進入現(xiàn)場開展救援工作的。災難搜救機器人可以很好地解決上述問題。機器人可以在災難發(fā)生后第一時間進入災難現(xiàn)場尋找幸存者, 對被困人員提供基本的醫(yī)療救助服務, 進入救援人員無法進入的現(xiàn)場搜集有關(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，為救援隊提供幸存者具體位置，在最短時間里制定救援計劃，在礦難發(fā)生后生命保存最大化
二、 國內(nèi)外研究綜述：
國外
一些國家在發(fā)生災難后利用機器人參加搜救行動的例子很多，而國內(nèi)的搜索救援行動中，很少見到搜救機器人的影子，在國外救生機器人已經(jīng)系列化，很早就用于實際的救援之中例如美國911，日本福島核電站出現(xiàn)了各式各樣的鋼鐵衛(wèi)士，而在國內(nèi)汶川大地震中出現(xiàn)的都是救生隊員和救生犬，大災之后24小時的救生黃金時間中各種不穩(wěn)定因素作用在出發(fā)現(xiàn)場救生隊員的生命安全甚至都無法得到保障以牽引和運動方式的不同搜救機器人主要可分為以下幾類：
1 履帶式機搜救機器人
2 形狀可變履帶機器人
3 位置可變履帶機器人
4 仿生搜救機器人
國內(nèi)
國內(nèi)救生機器人尚處于初級階段各項發(fā)展還不夠完善，與國外救援機器人存在一定差距國內(nèi)外很多研究機構(gòu)開展了大量的研究工作,可在災難現(xiàn)場廢墟中狹小空間內(nèi)搜尋的各類機器人如可變形多態(tài)機器人、蛇形機器人等相繼被開發(fā)出來由中科院沈陽自動化研究所機器人學國家重點實驗室研制的空中搜索探測機器人、廢墟洞穴搜救可變形機器人、廢墟表面搜救機器人
搜救機器人關(guān)鍵技術(shù)問題及發(fā)展趨勢
災難搜救機器人是一個新興的研究領(lǐng)域,其使用環(huán)境的特殊性對機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 移動性/ 機械機構(gòu)
移動性是搜救機器人完成搜救工作的決定因素,機器人移動平臺應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,且機器人的移動不應對周圍不穩(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,機器人還應該具備適應惡劣環(huán)境的能力,具有防水、耐高溫等能力。
1. 2 傳感檢測裝置
搜救機器人的主要工作就是通過傳感器實現(xiàn)自身的導航、環(huán)境信息的獲取以及幸存人員的搜尋。由于災難現(xiàn)場環(huán)境的復雜性及不確定性,傳統(tǒng)在室內(nèi)結(jié)構(gòu)化環(huán)境中已較成熟的導航算法無法滿足救援工作的要求,傳統(tǒng)的聲納、激光測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。目前搜救機器人主要采用人工控制方式來實現(xiàn)機器人的導航。災難現(xiàn)場環(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、是否有火災發(fā)生等。
1. 3 人機通訊方式
目前機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器人提供能量,穩(wěn)定可靠地實現(xiàn)機器人和操作者之間的信息傳送,且當機器人遇阻時通過拖拽使機器人重新投入工作。但電纜方式也存在一定的問題,隨著機器人搜尋范圍的深入,線纜很容易發(fā)生纏繞而影響機器人的移動性。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,也會由于帶寬及各種干擾的影響使得通訊無法正常進行。“911”事件的救援工作證明,無線方式的機器人大約有25 %以上的時間無法正常通訊[1 ] 。穩(wěn)定可靠的通訊方式是當前救援機器人領(lǐng)域需要很好解決的關(guān)鍵問題之一。
2 軟 件
2. 1 人機交互和用戶界面
在災難現(xiàn)場,搜救機器人的操作者精神高度緊張且需要長時間連續(xù)高負荷工作,因此良好的人機交互系統(tǒng)是提高搜救效率、減輕救援人員工作強度的保證。人機交互是通過良好的用戶接口來實現(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機器人進行控制,通過該人機接口,操作者能很容易地判斷機器人的位置、狀態(tài)等,能夠靈活地對機器人本身以及其所攜帶的有關(guān)裝置如攝像頭、照明裝置等進行控制。
2. 2 傳感器融合
由于救援現(xiàn)場環(huán)境的復雜性,對傳統(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幸存者的檢測,由于灰塵、煙霧等的影響使得識別變得非常困難,通過檢測到聲音的方向辨別幸存者的方位,也由于現(xiàn)場噪音的影響而變得很困難。
2. 3 機器人搜救隊
由于災難現(xiàn)場環(huán)境的復雜性,需要各種不同的搜救機器人參與救援工作,如MCU 研制的圖4 (a) 所示的通過具有較強越障能力的輪式機器人攜帶蛇行機器人來完成救援工作的機器人。為了縮減搜索遍歷時間,組建機器人搜救隊是行之有效的辦法,各機器人之間相互協(xié)調(diào)來快速完成搜索工作。目前有不少研究機構(gòu)在開展多機器人未知環(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 ] ,但要真正用于實際救援環(huán)境還有很多工作要做。
2. 4 傳統(tǒng)移動機器人技術(shù)的局限性
移動機器人在室內(nèi)結(jié)構(gòu)化環(huán)境下的導航、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)過長期的研究已經(jīng)基本成熟,但要用于災難現(xiàn)場的非結(jié)構(gòu)化復雜未知環(huán)境的探索還需要進行更深入的研究。目前搜救機器人的控制方式主要以手工操作為主,不追求機器人的完全自治。但為了提高救援水平,縮短搜索時間,完全自主的搜救機器人,尤其是自主機器人搜救隊將是發(fā)展的方向。
三、 畢業(yè)設(shè)計（論文）所用的主要技術(shù)與方法：
技術(shù)指標：
越障能力，續(xù)航能力，抗傾覆能力
方法：
輪腿復合運動方式
四、 主要參考文獻與資料獲得情況：
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.機械創(chuàng)新設(shè)計中創(chuàng)造性思維的研究［J］.內(nèi)蒙古民族大學學報，
2005，20（2）:183~186
五、 畢業(yè)設(shè)計（論文）進度安排（按周說明）
第1周-第2周 收集整理相關(guān)資料完成畢業(yè)實習報告，翻譯和設(shè)計相關(guān)的英文資料
第13周-第15周 進行畢業(yè)設(shè)計，完成開題報告，中期檢查報告，完成畢業(yè)設(shè)計說明書
第16 周 準備答辯 進行畢業(yè)答辯
六、 指導教師審批意見：
指導教師： （簽名）
年 月 日
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