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谭笑古今

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【转载】挖掘机进不去的地震废墟,中国造救灾机器人大显身手!  

2017-08-22 07:13:00|  分类: 科学研究 |  标签: |举报 |字号 订阅

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挖掘机进不去的地震废墟,中国造救灾机器人大显身手!

中国近年来非常重视救灾机器人的研制,并且已经研制出几款曾在地震救灾工作中大显身手的国产机器人——旋翼飞行器,可拍摄并实时传回灾区图像;可变形废墟搜救机器人,能够探测被困者心跳;蛇形机器人,复杂环境搜救、为被困人员运送食物。

2017-08-14 · 了不起的中国制造

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  出品| 网易新闻学院

  作者| 汪泽,清华大学机械工程系博士研究生

  近年来,中国地震灾害频发。地震后废墟结构极不稳定,余震不断,同时伴随着建筑坍塌等危险,每次地震特别是强震之后,救援工作总是最为关键也最为艰巨。

  而在狭小的废墟空间中,救援队员进去有危险,挖掘机之类的大型机械难有用武之地,另外若是受灾地区存在涉核、涉化设施,救援的危险性更是不言而喻,这时就需要一些特种救援机器人来进行辅助救援。

  (一)机器人参与救援能做什么?

  过去很长的一段时间内,地震发生后的很多危险的工作主要靠救援人员进行,这导致了许多无谓的牺牲,而救灾机器人为灾难救援带来了一支有力的援助力量,从多方面辅助救援。

  遥感测绘、险情侦查

  地震后,了解受灾地区的地形、侦查灾害发生现场的状况是最迫切、最实用的情报支持,利用精于测绘的机器人深入危险灾区可以快速绘制出精确的地形图,执行伴有危险、危害同时又枯燥的侦查任务,帮助救援人员迅速了解受灾情况。

  路线规划、通讯中继

  在这种特大自然灾害发生后,环境及建筑遭到破坏,要实现高效有针对性的救援,在最快时间内救出最多的人员,规划救援路线就成了一个非常迫切的需求。利用机器人引导、挑选最通畅的路线实施救援,无疑可以为救援工作提供巨大的帮助。

  而地震灾害往往会造成基础通讯的中断,传统的诸如卫星电话等或设备较笨重,或数据量有限,很难满足灾区通讯的需要,如果能够利用机器人做通讯中继,在一定范围内成本和灵活性上都会比传统方式好很多。

  运输投掷、搜救逃生

  在救援人员救援前或救援行动中,机器人可以进行一些食物、饮用水、医疗用品的运输,在危险环境中,机器人还可以运载救生物资进入,甚至在机器人的载荷足够大的时候,可以直接从救援人员无法进入的废墟中运送灾民。

  通过上面的介绍可以看出,机器人的参与对于地震救援能够起到事半功倍的作用。正是认识到这一点,中国近年来非常重视救灾机器人的研制,并且目前已经研制出几款曾在地震救灾工作中大显身手的国产机器人。

  (二)旋翼飞行器:可拍摄并实时传回灾区图像

挖掘机进不去的地震废墟,中国造救灾机器人大显身手! - 钟儿丫 - 响铃垭人

  (中国研发的自主型旋翼无人机)

  旋翼飞行器,也就是我们常说的无人机,在地震救援工作中扮演着“千里眼”的角色,这种飞行器可以充分发挥小巧、轻便、低空飞行等优势,克服地形、气候、气流等大型飞机较难应付的困难,及时获取灾区路况、灾后被毁建筑物分布情况,通过悬停方式对震后危楼进行生命迹象搜索,利用机载摄像装置拍摄并实时传回高分辨率影像和图片,为救援队进行有针对性的调度和部署提供决策信息。

  在2013年4月的四川雅安地震中,中国自主研制的自主型旋翼无人机系统首次得到应用。该无人机最大任务载荷40千克,最大巡航距离120千米,可在3000米高空飞行,最大巡航时间1.5小时,抗风能力不小于6级。

挖掘机进不去的地震废墟,中国造救灾机器人大显身手! - 钟儿丫 - 响铃垭人

  (2013年雅安地震中参与救援的飞行器)

  这款机器人的优势有两点:

  1、垂直自主起落,较长时间定点悬停

  飞行自动导航、控制系统是飞机全系统中的核心技术,它的好坏将决定整个飞机在空中飞行的稳定性、机动性和操控性,具有技术门槛高、难度大、周期长的特点,全球只有极少数的几个国家拥有这项技术。

  中国自主研制的自主型旋翼无人机在研制过程中,通过飞行机器人动力学在线建模、鲁棒控制器建立、飞行试验验证等方法研究了大范围复杂环境下的自主飞行控制技术,为了完成飞行任务,研究团队研制了具有人性化接口的地面站系统,该系统集成了多项设备及子系统,可实现飞行状态的实时监控。地面站系统采用便携式移动箱设计,方便整个系统移动,并可以实现全天候应用,最终使得这款无人机能够实现垂直自主起飞降落,并且可较长时间定点悬停。

  2、超低空飞行,对塌方区进行自动识别

  团队通过地表物体运动特征分析、坍塌建筑物特征的实时抽取与外形特征的在线建模、坍塌建筑物的整合聚类处理、应用时空追踪算法的建筑物验证整理等方法研究了地震灾害信息自动识别与处理技术,使得这款自主型旋翼无人机能够进行超低空飞行,获取震后灾区大范围详细影像资料,并能够对坍塌区域进行自动识别。

  (三)可变形废墟搜救机器人:能够探测被困者心跳

  除了要获得震区空中信息,地面上的废墟也是搜救工作的重点。为了适应坍塌废墟的崎岖环境,中国还研制了一款可变形废墟搜救机器人。

挖掘机进不去的地震废墟,中国造救灾机器人大显身手! - 钟儿丫 - 响铃垭人

  (可变形废墟搜救机器人)

  这种履带型的“小车”是面向地震灾后幸存者搜索与辅助救援应用的特种机器人,它可以携带任务载荷(如各种传感器、救灾工具等),由狭窄入口进入废墟并在倒塌建筑物内部运动与探测,解决了救灾人员无法有效进入废墟进行搜救的问题。

  拥有独立驱动履带,可变换3种工作形态

  这款机器人继承了履带式结构便于行动、地形环境适应能力强的特点,但和一般的履带车(如挖掘机、推土机)相比,它在结构设计上最大的优势在于该机器人拥有3条独立驱动的履带,根据应用环境和任务的不同,三条履带的位置关系会发生变化,使得机器人可变换成直线型,三角型,并排型3种不同的构型。

  不同的构型具有不同的应用环境及运动特性,如直线构型具有链式结构特点,适合穿越缝隙,洞穴等狭小空间及跨越沟壑;三角构型结构对称,稳定性好,适合跨越障碍,爬越陡坡;并排构型结构紧凑,抗倾翻能力强,适合于沼泽、沙漠等松软地面运动等应用场合。

挖掘机进不去的地震废墟,中国造救灾机器人大显身手! - 钟儿丫 - 响铃垭人

  (处于不同构型的机器人)

  3种不同的构型使得这款可变形机器人相比一般的履带车具有更强的地形适应能力,便于在灾后废墟的复杂地形地势下进行工作。

  配备红外夜视摄像头、拾音器,可进行废墟内影像采集与识别

  该机器人自重18千克,最大负重5千克,为了便于进行废墟内部探索,该机器人集成了红外夜视摄像头、拾音器等实用搜索任务载荷,可实现废墟内部的图像、声音信息的采集与识别。

  此外,它还可以携带小型机械臂,氧气管,流体食物管来进行辅助救援。

  (四)蛇形机器人:复杂环境搜救、为被困人员运送食物

  上面提到的可变形机器人,虽然可以通过变形的方式提高对于地形环境的适应能力,但对于一些极端狭小的空间,仍然无能为力。这种情况下就需要蛇形机器人出马。

挖掘机进不去的地震废墟,中国造救灾机器人大显身手! - 钟儿丫 - 响铃垭人

  (蛇形机器人)

  16个关节,3种步法,可实现三维空间运动及图像采集传输

  中国自主研发的蛇形机器人具有16个关节,长144厘米,最大运动速度0.4米/秒,具有三维空间运动能力及GPS定位和无线通讯功能,可以实现现场图像采集及无线传输。

  通过16个关节,这种蛇形机器人可以实现三维空间的运动,而且它可以自动识别地面环境特征,并据此自动采用不同步法(类似蛇的蜿蜒、侧动、伸缩)在硬地面、沙地、软土中行进。

挖掘机进不去的地震废墟,中国造救灾机器人大显身手! - 钟儿丫 - 响铃垭人

  (蛇形机器人3种运动步法)

  蜿蜒:爬行时,“蛇体”在地面上作水平波状弯曲,使弯曲处的后边施力于粗糙的地面上,由地面的反作用力推动蛇体前进。这种运动步法中,由于蛇形机器人和地面的接触点不是固定的某个区域,可以适应复杂的地形环境,不会出现无法前进的情况。

  侧动:蛇形机器人的每个关节能够模拟蛇身上的特殊骨骼和鳞片,完成一种类似转动的运动,使身体可以侧向移动。在这种运动方式下,机器人也可以完成一系列翻滚动作,位于“蛇头”处的关节通过这种转动也可以有效调节摄像头等设备的方位和姿态。

  伸缩:蛇形机器人身前部抬起尽力前伸,接触到支持的物体时,其身后部即跟着缩向前去,然后再抬起身体前部向前伸得到支持物,后部再缩向前去,这样交替伸缩,就能不断地向前爬行,以这种方式可以有效克服障碍物的影响,而且可以短时间内提升运动速度。

  而正是为了实现这三种不同的步法,才需要那么多关节协同作用。

  蛇形机器人的主要作用是在极端狭小的空间内,实现灾情的探测以及为废墟中的被困人员运送食物。

  结语

  对于这种在特殊环境服役的特种机器人的相关研究工作,中国相比于欧美国家起步较晚,虽然中国已逐步形成了完善的地震救援队伍体系,然而,在救援机器人装备方面仍有较大进步空间。但一些国产救援机器人已经出现在地震救援现场的一线,并取得了令人满意的成绩。

  作为世界上认知度最高的标签,中国制造(Made in China)正寻求战略升级。「了不起的中国制造」专栏,力邀行业权威、资深玩家,呈现他们眼中的中国创新之路。

  投稿请联系newsresearch_ntes@163.com,稿件一经刊用,将提供千字800元的稿酬。

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  编辑| 史文慧

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