救援机器人的发展及其在灾害救援中的应用Ξ
董晓坡,王绪本
(成都理工大学信息工程学院,成都610059)
摘要:灾害搜救工作的复杂性、危险性和紧迫性给救援工作带来了极大的困难。救援机器人以其体积小、灵活等诸多优点成为灾害辅助救援的有效工具并引起全世界的广泛关注。文中分析了救援行动中使用救援机器人的必要性和可行性,介绍了国内外救援机器人的研究历史和发展概况,对目前的几种救援机器人运动方式和通讯控制方式的优缺点进行了比较。通过分析灾害救援行动中救援机器人所面临的挑战以及国内外救援机器人技术研究的热点及发展方向,给我国研制开发救援机器人提出了若干建议。
关键词:灾害;搜索与救援;机器人
中图分类号:X4 文献标识码:A 文章编号:167222132(2007)0120112206
0 引言
全世界每年都遭受着大量自然灾害和人为灾害的破坏。巨大的灾害会造成大面积的建筑物坍塌和人员伤亡,灾害发生之后最紧急的事情就是搜救那些困在废墟中的幸存者。研究表明,如果这些幸存者48小时之内得不到有效的救助,死亡的可能性就会急剧增加[1]。然而,复杂危险的灾害现场给救援人员及幸存者带来了巨大的安全威胁,也会阻碍救援工作快速有效地进行。使用救援机器人进行辅助搜救是解决这一难题的有效手段。
1 救援机器人应用的必然性
1.1 灾害现场影响救援工作的主要因素
灾害现场通常复杂而危险,影响救援工作的因素主要有3种。
(1)空间限制。救援实践表明,幸存者通常被困在那些坍塌所形成的空间中,充分搜索这些空间具有重要意义。遗憾的是这些空间和通道通常非常狭小以至于救援人员根本无法进入,这些地方突出的钢筋和碎块以及其他建筑材料又会给救援人员和搜救犬带来伤害。
(2)结构不稳定。灾害发生之后建筑物的力学结构遭到破坏,救援人员进入废墟之中必须时刻提防随时可能落下的碎块。同时,在进行救援工作时也可能引起废墟二次坍塌,给救援人员自身和废墟下被困的幸存者造成伤害。这给救援人员带来了极大的危险和心理负担,影响救援工作的快速展开。
(3)危险物质和大火。灾害之后易燃易爆的物品、大风等很容易引起大火。在一些危险地区,如核电站、化工厂等场合,如果没有相应的防护和支援,即使训练有素的专业救援人员也不能轻易开展工作,而戴上防护用具之后又会限制搜救人员对环境的感知能力,延缓救援工作的进程。
这些危险因素给灾害救援工作带来了极大的阻碍,常常使救援付出沉重的代价。美国紧急救援办公室的统计数据表明,从狭小的封闭空间中营救1名幸存者平均需要10个救援人员花费4个小时的时间。使用救援机器人则可以提高救援效率,并避免或减少救援人员的伤亡。
1.2 微型机器人在救援工作中的优势
微型机器人在辅助灾害救援工作中具有以下突出的优势:
(1)可以连续执行乏味的搜索救援任务,而不会像人一样感到疲倦;
(2)不怕火、浓烟等危险和有害条件;
(3)可以深入危险地带拍摄资料供研究人员分析查找;
(4)重量轻,与人和搜救犬相比引起建筑物二次
第27卷第1期2007年2月
防灾减灾工程学报
Jou rnal of D isaster P reven ti on and M itigati on Engineering
V o l.27N o.1
Feb.2007
Ξ收稿日期:2006203226;修回日期:2006204229
基金项目:四川省应用基础研究项目(05JY029208921)
作者简介:董晓坡(19802),男,硕士研究生。主要从事电磁理论与成像、生命搜索与救援等方面的研究。
Em ail:dxblonely@https://www.doczj.com/doc/8e10104191.html,
坍塌的可能性小;
(5)灵活,可以进入那些人和搜救犬无法进入的危险地带。
2 国内外救援机器人研究现状
机器人技术最初起源于军事领域的战场侦察、战场清扫等,在20世纪80年代以前就有人开始从理论上对机器人应用于灾害搜救工作进行了探讨。
1995年在救援机器人技术发展史上具有里程碑式的重要意义,发生在日本神户—大阪的大地震及其之后发生在美国俄克拉荷马州的阿尔弗德联邦大楼爆炸案揭开了救援机器人技术研究的序幕。
2001年美国9?11事件给救援机器人提供了1次宝贵的实践机会,美国机器人辅助救援中心和其他一些单位的救援机器人参与了救援行动(图1)。它们是:Fo ster 2M iller 公司的SOL E M 系统、To lon 系统以及Inuk tun 公司的V GTV 系统和M icro tac 系统,机器人在此次救援行动中取得了成功。同时在救援中也暴露出了很多问题,例如控制方式不可靠、防水性不好、视野狭窄等[2]。
机器人在9?11事件中的成功应用,引发了人们研究救援机器人的热潮,几年来发表了大量的研究成果,理论上和实际应用上都取得了很大的进步,研制出了各式各样的救援机器人系统,并在实践方面积累了丰富的经验。
目前救援机器人的研究主要有4个方面:①运动控制技术;②通讯控制技术;③自主导航技术;④探测感知技术。211 运动控制系统
救援机器人硬件的发展逐渐形成了几种基本平台,如履带式平台、蜿蜒式平台、飞行类平台等。
2.1.1 履带式机器人
履带式运动系统有双履带、4履带、6履带等多种形式。复合式履带可以调整爬坡角度和方向,因此具有很好的越野性能(图2)。
履带式运动系统在碎石堆上可以快速前进,遇到小的坡度和凹凸地时也可以轻松翻越,在遇到不能通过的障碍时还可以在很狭小的范围内完成转弯等动作。目前,救援机器人广泛采用这种运动形式。与其他运动形式相比,履带式运动系统具有较快的速度和较大的转距。履带式运动系统技术较成熟,但也有重量大、摩擦阻力大等缺点。2.1.2 蛇形(蠕虫)机器人系统
蛇形机器人系统结合了仿生学的许多研究成果,它通过模仿自然界肢节动物,例如蛇的运动特点而设计。日本的H iro se 教授首先提出蛇形机器人运动系统并研制了第一个蛇形机器人,他提出用“蛇形曲线”来描述蛇的蜿蜒运动方式(文献[1])。蛇形机器人的结构基本是由一系列相同的关节组成,这些相同的单元通过万向轴连接起来,加上其头部的导引头来构成1个车厢式的系统(图3)。这种蛇形机器人有4种基本运动:直线运动、侧向运动、翻转运动和垂直运动。4种运动方式组合就可以完成前进、后退、侧向和翻越障碍物等运动。
蛇形机器人以其灵活、横截面积小
、稳定、可以翻越障碍物以及可实现三维运动等特点在救援领域展现出了独特的优势,得到了世界范围内的广泛关注。我国的国防科技大学、上海交通大学、沈阳自动化所等研究机构也都对蛇形机器人进行了研究并取得了可喜的成果。目前国内外对蛇形机器人的研究主要集中在蜿蜒运动理论的研究和径迹规划等方面。
2.1.3 蜘蛛形机器人
蜘蛛形机器人是模仿蜘蛛等多足昆虫的运动方
图1 进入世贸大厦的救援机器人系统
F ig .1 T he rescue robo ts in W TC disaster
图2 I Robo t 公司的履带式机器人
F ig .2 T he pedrail robo t of I Robo t
图3 A C M 2R 5蛇形机器人
F ig .3 T he snake robo t “A C M 2R 5”
311 第1期董晓坡等:救援机器人的发展及其在灾害救援中的应用
式而研制的1种机器人(图4)。蜘蛛形机器人行动灵活,通过多足的配合可以完成向前、向后、横向以及纵向移动等。蜘蛛形机器人在遇到障碍物时可以通过跳跃的方式越过小型障碍物,因此与履带式机器人以及蛇形机器人相比,蜘蛛形机器人受地面障碍物的影响更小,可以在更复杂的救援行动中快速地执行搜救任务。
一部分蜘蛛形救援机器人的脚上设计有吸盘,通过这些吸盘它们能够爬上墙壁,攀上一些坡度大的岩壁,在一些救援场合这样的垂直搜救能力具有重要的意义。此外,蜘蛛形机器人往往具有较好的抗破坏能力,当它们的某只脚或者多只脚损坏时,仍然能够通过剩余的脚完成搜索任务。
以日本大阪大学教授新井健生为核心的科研组发表了关于其最新开发的机器人“星标(asterisk )”的一系列文章。“星标”除了可以凭借其6只脚在不平的地方行走之外,脚还可以作为手来使用以实现在天花板上的移动。这种结构新型、手脚互换的机器人在灾害救援等复杂环境下具有良好的应用前景[3]。
2.1.4 飞行机器人
微型飞行机器人(M AV )于20世纪90年代由美国率先提出,由于其在军事和民用部门的巨大应用前景,因此引起了世界各国的极大关注。
M AV 在灾害环境中可以不受地面状况影响,灵活性高。在较高的角度上飞行机器人的“视野”更加广阔,因此可以扩大搜索面积,加快搜索速度。飞行机器人在搜救行动中更多地从事现场勘查和为搜救人员探路导航等工作。
微型飞行机器人的发展涉及到低雷诺系数空气动力学、微动力系统、微机电系统、弱功率下飞行控制等一系列关键技术,它的发展与军事行动中的无人侦察机技术的发展状况休戚相关。
2003年11月17日,日本精工EPSON 公司研制出1种微型飞行机器人(图5),体重819g ,室内
飞行高度1m 。它由2个螺旋桨带动,可自行控制飞行姿势,前后左右移动自如。螺旋桨直径约为13c m ,2个螺旋桨分别朝相反的方向转动,可产生13g 的升力。微型飞行机器人搭载有数码相机,在人无法进入的空间狭窄的救灾现场,可把拍摄到的图像传给地面监视器。这种机器人靠连接地面的微细电线供应电力。有关人员可通过信息终端向机器人下达指示,用装有控制软件的电脑指挥机器人飞行和降落,在空间狭窄的救灾现场一显身手[4]。2.1.5 其他形式的机器人
除了上面的几种机器人以外,还有其他一些如管道机器人、机器鼠等机器人系统,在特定的场合也都有非常良好的表现。图6为机器人在合作翻越障碍物。
212 通讯控制系统
目前救援机器人大都采用遥控方式而不使用自主导航方式,因为复杂的灾害现场对自主导航技术提出了异常苛刻的要求。在目前的条件下,使用救援机器人进行自主搜索是非常困难的,必须由救援工作人员采用电缆遥控和无线遥控的方式进行半自主辅助救援。
2.2.1 电缆控制
优点:①可靠性高,抗干扰能力强;②具有绳索的功能,可方便把机器人放入人员不易进入的地方,并方便拽回;③通讯速率高。
缺点:①增加了机器人的负荷;②容易被障碍物缠住;③容易被划伤甚至割断。2.2.2 无线遥控方式
优点:①操作方便灵活,活动范围大;②负荷小,行动不受限制
。
图4 蜘蛛形机器人“星标”
F ig .4 T he sp ider robo t “star 2label ”
图5 精工爱普生的微型飞行机器人
F ig .5 T he M AV of EPSON
图6 机器人在合作翻过障碍物
F ig .6 Robo ts cooperate w ith each o ther in
cro ssing over obstacles
4
11 防灾减灾工程学报第27卷
缺点:控制信号易受干扰,可靠性不高。
3 救援机器人研究的发展方向
9?11以来救援机器人研究的迅速进展,解决了一系列困扰救援机器人发展的问题,机器人由半自主向全自主方向发展。当前,救援机器人研究的热点是机器人运动控制、人机交互研究、环境感知与地图生成技术、传感与人体检测技术、信息标准等。
311 群体机器人研究
目前,救援机器人研究正在从个体走向群体。在救援工作中,往往释放很多的机器人,以扩大搜索范围,提高工作效率,并且多个机器人协同作业,可以提高信息的可靠性和准确性。各个机器人之间相互交流可以解决诸如定位、全覆盖、翻越障碍等单个机器人难以处理的问题。
群体机器人研究也是机器人技术中的1个共性技术,很多研究人员从人类社会以及其他动物的社会性、组织性等得到灵感,进行多机器人系统的研究。例如:日本工业大学的Suzuk i You suke教授等提出的群机器人CHOB IE组织结构,名古屋大学Kono N o riak i教授等提出的自组织群体机器人结构等(文献[3])。
312 全自主机器人研究
无线控制方式和电缆控制方式,在复杂的救援环境中都有一定的局限性。理想的解决方案就是实现救援机器人自主路径规划、自主导航、自主搜索指定区域。目前的救援机器人系统多为半自主系统,机器人需要在人为的操纵下才能够完成复杂的运动任务。实现机器人行为的自主化,需要深入研究人工智能,重点解决自主导航、路径规划、自动绘制地图、自身定位、目标识别等技术难题。虽然目前救援机器人还没有完全实现全自主活动,但在未来的任何重大突破都将为救援机器人的发展带来划时代的影响。
313 人机交互研究(HR I)
美国的机器人辅助搜救中心在9?11后的几年中与国家消防等部门紧密合作,在各种救灾场合参与救援救灾行动,并训练救援机器人[5],为救援机器人的进一步研究积累了大量详实准确的数据,并给出了人机交互的定义,将人机交互描述为2个集合即生物集和社会集。生物集由环境条件、执行者以及救援任务等3个子集组成;社会集则由人机比例、工作流程以及人机通讯等3个子集构成。通过具体地研究这些子集来完成人机交互的研究。在人机交互研究中需要研究几个重要的问题:救援专家需要救援机器人做哪些工作,救援专家如何使用救援机器人,救援专家需要救援机器人提供哪些信息,如何确定人机比例才能够有效地使用救援机器人,救援机器人如何执行多种救援任务等[6,7]。
国际人工智能联合会每年发表大量关于如何将专家系统应用于设计人机交互以随时为救援人员提供决策支持方面的论文。良好的人机交互界面,包括图形界面、声音交互等都是机器人领域研究的热点和难点。
314 任务多样化及传感检测技术
目前救援机器人只能为救援人员提供一些侦查、监视、搜索等简单任务,还远不能满足人们对救援机器人的要求。人们需要机器人能够承担运送物品、拓展空间、远程诊断,甚至是远程医疗等更为复杂的任务。
日本“国际救援系统研究所”的研究目标或许能在一定程度上说明未来救援机器人的发展方向。在第一阶段的5年时间里,该机构将开发用于探索和嗅气味的机器人,以发现废墟中的幸存者。而后,该机构将用下一个5年时间开发挖掘机器人,用第三个5年时间开发把幸存者搬运到安全地点和医院的机器人,一共用15年也就是到2010年左右将创造出1支机器人救援队伍[8]。
传感和人体检测技术是救援机器人领域非常重要的1个领域。通过基于机器人平台的各种传感器来探测受害者的各种生命体征,进而来搜寻幸存者并对受害者的身体状况作出初步评估非常重要。
单一传感器所能获得的信息非常有限,它所获得的是局部、片面的环境特征信息。将多种类型的传感器作为1个整体研究,可以提高系统的容错能力、完整描述环境的能力、提高测量精度和信息处理速度,降低信息获取成本。把信息融合技术与救援机器人技术结合起来就可以显著地提高机器人的智能化水平,完成更加复杂的任务。
4 对我国发展救援机器人的几点建议
世界上从1995年开始了有计划的救援机器人研究工作,并在9?11事件之后逐渐进入了实际应用阶段。我国救援机器人研究刚刚起步,虽然开发出了一些救援机器人的样机,像国防科技大学的蛇形
511
第1期董晓坡等:救援机器人的发展及其在灾害救援中的应用
机器人、哈尔滨工业大学和清华大学的灭火机器人
等,但是不论是研究人员数量、研究成果,还是参加机器人救援的实际经验都与发达国家存在很大的差距。为了尽快提高我国的救援机器人的研究水平和应用水平,提出以下几点建议:
第一、救援机器人的研制应该坚持高起点、开放性,在学习发达国家经验的基础上坚持有所为有所不为的原则,选择那些可以尽快走向救援现场并具有相当前瞻性的研究方向进行研究。尽快突破运动控制、通讯技术等救援机器人领域中至关重要的技术。在开发过程中采用相互访问、共同开发、相互比赛的方式与国外同行保持广泛的接触,学习他们的先进技术和丰富的实践经验。
第二、救援机器人的研究应该同相关灾害救援部门保持密切合作,充分了解各种灾害救援现场的环境和条件,认真聆听灾害救援人员的意见和建议,分析救援行动对机器人的各种需求,并在各种救灾行动中检验和改进救援机器人技术。
第三、国家应该出台相关政策法规,制定相应的研究计划并给予资助,鼓励更多的科技工作者投入到救援机器人的研究和应用中来。加大宣传力度,将研究和使用救援机器人的理念传达给更多的科技工作者和救灾工作人员,提高全社会对救援机器人的关注力度。
救援机器人从上个世纪90年代开始迅速发展,我国虽起步较晚但也只有10多年的差距,随着我国对救援机器人重视程度的增强和越来越多的科技工作者、公司参与到救援机器人的研究中来,在不久的将来,我国自行研制的救援机器人一定会走向灾害现场,为救援工作做出自己的贡献。
5 结语
从研究灾害救援中使用救援机器人的必要性入手,分析了救援机器人辅助救灾的优势、救援机器人的发展历程及其现状。重点对救援机器人的多种运动形式和通讯方式进行了分析和归纳。最后分析了救援机器人的发展方向并对我国发展救援机器人提出了建议。参考文献:
[1] 李 斌.蛇形机器人的研究及在灾难救援中的应用
[J].机器人技术与应用,2003,(3):22226
L i B.T he research of snake robo t and its app licati on
in disaster rescue operati ons[J].Robo t T echnique and
A pp licati on,2003,(3):22226
[2] 司 戈编译.机器人在“9?11”救援行动中的应用
[J].消防技术与产品信息,2003,(7):44247
Si G.T ranslated.T he app licati on of rescue robo t in
“9?11”R escue R esponse[J].F ire T echnique and
P roducts Info r m ati on,2003,(7):44247
[3] 李 斌.李斌出国开会报告[EB OL].h ttp: www.
https://www.doczj.com/doc/8e10104191.html, cgbg read.php?Id=15&C lass Id=1103.
2005203215
L i B.R epo rt of L i B A bout A fo reign m eeting[EB OL].h ttp: https://www.doczj.com/doc/8e10104191.html, cgbg read.php?Id=
15&C lass Id=1103.2005203215
[4] 新华网.日本精工爱普生公司展示微型飞行机器人
[EB OL].h ttp: https://www.doczj.com/doc/8e10104191.html, tm 031120 031120_116567.h tm l.2003211220
X inhuanet.T he Japanese EPSON show their m icro
fly robo t[EB OL].h ttp: https://www.doczj.com/doc/8e10104191.html, tm 031120 0311202116567.h tm l.2003211220
[5] A ngela D avids.U rban research and rescue robo ts:
F rom tragedy to techno logy[J].IEEE Intelligent Sys2
tem s,2002,(M arch A p ril):81284
[6] Robin.M urphy.H um an2robo t interacti on in rescue
robo tics[J].IEEE T ransacti ons on System s,M an and
Cybernetics Part C:A pp licati ons and R eview s.H u2
m an2Robo t Interacti ons,2004,34(2):1382153
[7] Jennifer Casper,Robin Roberson M urphy.H um an2
robo t interacti ons during the robo t2assisted urban
search and rescue response at the W o rld T rade Center
[J].IEEE T ransacti ons on System s,M an,and Cyber2
netcs2Part B:Cybernetics,2003,33(3):3672385
[8] 新华网.日本研制出地震救援机器人[EB OL].
h ttp: www.scienceti m https://www.doczj.com/doc/8e10104191.html, co l1 article.
h tm1?id=12037.2003206230
X inhuaet.Japan has developed the rescue robo t fo r
earthquake[EB OL].h ttp: www.scienceti m https://www.doczj.com/doc/8e10104191.html,.
cn co l1 article.h tm l?id=12037.2003206230
611
防灾减灾工程学报第27卷
D evelopm en t of Rescue Robot Technology and Its Appl ica tion i n D isa ster
DON G X iao 2po ,W AN G Xu 2ben
(Info r m ati on Engineering Co llege ,Chengdu U niversity of T echno logy ,Chengclu 610059,Ch ina )
Abstract :T he com p lex ity ,danger and em ergency of rescue w o rk m ake the rescue w o rk very difficu lt .R es 2cue robo t attracts w ide atten ti on all over the w o rld fo r its virtues such as s m all and agile .In th is paper w e have analyzed the necessity and feasib ility of u sing rescue robo t .M eanw h ile ,w e have investigated the state of art and the developm en t tendency of rescue robo t and then com pared several types of m ob iles and their con tro lling m odes .Fu rther m o re ,the ho tspo t of rescue robo t research has been discu ssed .T he fu tu re di 2recti on of research in the field of D isaster Search and R escue Robo t has been clearly indicated .Key words :disaster ;search and rescue ;robo t
《防灾减灾工程学报》稿件书写简则
承蒙广大业界学者厚爱,本刊收到的稿件日趋增多,为了加快稿件处理流程,减少不必要的回修,特将本
刊书写简则列于下,务请投稿时参照执行。
1.作者简介应含第一作者姓名、性别、出生年、工作单位、职称(务)、主要研究方向以及联系电话、Em ail 。
2.22个字,确需超长表达时,可采用副标题形式。文章应包括标题、作者、作者单位、摘要、关键词、引言、正文、结语和参考文献,以及何种基金资助等项内容。
3.中文摘要不少于250字,应含文章主旨、所用方法和主要结论。另须附独立成文的详细英文摘要,长度为250单词左右。
4.参考文献应列全。凡在正文中引用的公开发表的著作、论文,必须在参考文献中列出;参考文献的序号按文中出现的先后顺序,以阿拉伯数字标注,用方括号括起置于正文引用处右上角。未公开发表的论文或资料则以脚注方式排列于当页下部,并在正文引用位置用圆括号右上角码注明序号,文后的中文参考文献均要求配相对应的英文。
中英文参考文献均按下列格式排列:专著:[序号]著者姓名.书名[M ].出版地:出版者,出版年.页次文集:[序号]文献著者姓名.析出文献名[A ].文集编著者.文集名[C ].出版地:出版者,出版年,析出文献起止页
期刊论文:[序号]著者姓名.论文篇名[J ].刊名,出版年,卷号(期号):起止页参考文献的作者为三位以下的,应全部列出;三位以上的,则列出前三位,后面用“,等”表示。其它文献类型均参考上述格式标明各项。5.图表要求1)图、表须有中英文名称和编号,其内容要与正文中的编号和解释一致;图幅最大不超过16c m ×23c m 。
2)有坐标系的插图,纵横坐标上均要有适宜的刻度、对应的数据以及代表相应数字的量和单位。3)涉及国界的图件须以正式出版的地图为底图绘制,并注出底图的出处、比例尺。4)图件须保证图内线条和字符清晰。
5)为了保证图的清晰,投稿时除贴入文中的插图外,须另发一份.jpg 格式图件供出版之用,像素应不低于300dp i 。
6.字体要求
文稿中的计量单位一律采用中华人民共和国国家标准《量和单位》中颁布的法定计量单位,变量的符号用斜体,常量及单位的符号用正体,矩阵和向量的符号用黑斜体。
711 第1期董晓坡等:救援机器人的发展及其在灾害救援中的应用
工业机器人发展现状与趋势 工业机器人是集机械、电子、控制、计算机、传感器、人工智能等多学科先进技术于一体的现代制造业重要的自动化装备。自从1962年美国研制出世界上第一台工业机器人以来，机器人技术及其产品发展很快，已成为柔性制造系统(FMS)、自动化工厂(FA)、计算机集成制造系统(CIMS)的自动化工具。 广泛采用工业机器人，不仅可提高产品的质量与产量，而且对保障人身安全，改善劳动环境，减轻劳动强度，提高劳动生产率，节约原材料消耗以及降低生产成本，有着十分重要的意义。和计算机、网络技术一样，工业机器人的广泛应用正在日益改变着人类的生产和生活方式。 一、工业机器人技术现状及国内外发展的趋势 工业机器人是最典型的机电一体化数字化装备，技术附加值很高，应用范围很广，作为先进制造业的支撑技术和信息化社会的新兴产业，将对未来生产和社会发展起着越来越重要的作用。国外专家预测，机器人产业是继汽车、计算机之后出现的一种新的大型高技术产业。据联合国欧洲经济委员会(UNECE)和国际机器人联合会(IFR)的统计，世界机器人市场前景看好，从20世纪下半叶起，世界机器人产业一直保持着稳步增长的良好势头。进入20世纪90年代，机器人产品发展速度加快，年增长率平均在10％左右。2004年增长率达到创记录的20％。其中，亚洲机器人增长幅度最为突出，高达43%，如图1所示。
各区域用户工业机器人定购指数（以1996年作为100） 国外机器人领域发展近几年有如下几个趋势： 1．工业机器人性能不断提高（高速度、高精度、高可*性、便于操作和维修），而单机价格不断下降，平均单机价格从91年的10．3万美元降至97年的6．5万美元。 2．机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化；由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机；国外已有模块化装配机器人产品问市。 3．工业机器人控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化；器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构；大大提高了系统的可*性、易操作性和可维修性。 4．机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制；多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用。
通识任选课结课论文 课程名称：工业机器人基础 论文题目：工业机器人在应急救援中的应用 专业：水电站动力设备与管理 班级： 13水动2班 姓名：马忠正 学号： 2013010507 日期： 2013年6月10日 １
工业机器人在应急救援中的应用 随着社会经济的迅猛发展，尤其是最近几年，江苏南昌地区大量高层建筑、地下建筑和大型石化企业不断涌现，由于这些建筑和企业生产的特殊性，导致化学危险品和放射性物质泄漏以及燃烧、爆炸、坍塌的事故隐患增加，事故发生的概率也相应提高。一旦发生灾害事故，消防员面对高温、黑暗、有毒和浓烟等危害环境时，若没有相应的设备贸然冲进现场，不仅不能完成任务，还会徒增人员伤亡，这方面公安消防部队已历经诸多血的教训。尤其是当新消防法出台后，抢险救援已成为公安消防部队的法定任务，面对新时期面临的新情况新任务，也为了更好地解决前述难题，消防机器人的配备显得日益重要。 一、消防机器人概况 （一）机器人的定义。自机器人诞生的那天起，关于其定义的问题一直争吵不休，原因在于其随着社会的进步而不断更新扩展新的功能，且更涉及到人类的问题，因此对其定义一直模糊。1987年国际标准化组织对工业机器人进行了定义：“工业机器人是一种具有自动控制的操作和移动功能，能完成各种作业的可编程操作机。”我国科学家对机器人的定义是：“机器人是一种自动化的机器，所不同的是这种机器具备一些与人或生物相似的智能能力，如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力，是一种具有高度灵活性的自动化机器”。 （二）消防机机器人发展历史。机器人自60年代初问世以来，经历40余年的发展，己取得长足进步，社会各行各业皆可见其身影。从1986年日本东京消防厅首次在灭火中采用了“彩虹5号”机器人后，消防机器人就逐渐在灭火救灾领域得到广泛的应用，消防机器人技术也得到快速的发展。截至目前，消防机器人已经稳步向第三代高端智能机器人前进。 (三)消防机器人应用背景。据最新数据，南昌市高层建筑(在建不计)高达百米以上就有28栋，共有5162家化工企业，另有阳民路、滕王阁等隧道，地下广场建筑以较多，此外，还将开建环城地铁。由此可见，消防部队将面对的火灾和应急救援的形势相当复杂。尤其是在高温、有毒、易燃易爆等复杂环境中，为切实增强消防部队扑救大火的能力，也为更好地保护广大官兵的生命安全，配备消防机器人已势在必行。消防机器人作为特种机器人的一种，在灭火和抢险救援中愈加发挥举足轻重的作用。各种大型石油化工企业、隧道、地铁等不断增多， ２
机器人发展历史、现状、应用、及发展 趋势 院系：信息工程学院 专业：电子信息工程 姓名：王炳乾
机器人发展历史、现状、应用、及发展趋势 摘要：随着计算机技术不断向智能化方向发展,机器人应用领域的不断扩展和深化,机器人已成为一种高新技术产业,为工业自动化发挥了巨大作用,将对未来生产和社会发展起越来越重要的作用。文章介绍了机器人的国内国外的发展历史、状况、应用、并对机器人的发展趋势作了预测。 关键词：机器人;发展；现状；应用；发展趋势。 1．机器人的发展史 1662年，日本的竹田近江利用钟表技术发明了自动机器玩偶并公开表演。 1738年，法国技师杰克·戴·瓦克逊发明了机器鸭，它会嘎嘎叫、进食和游泳。 1773年，瑞士钟表匠杰克·道罗斯发明了能书写、演奏的玩偶，其体内全是齿轮和发条。它们手执画笔、颜料、墨水瓶，在欧洲很受青睐。 保存至今的、最早的机器人是瑞士的努萨蒂尔历史博物馆里少女形象的玩偶，有200年历史。她可以用风琴演奏。 1893年，在机械实物制造方面，发明家摩尔制造了“蒸汽人”，它靠蒸汽驱动行走。 20世纪以后，机器人的研究与开发情况更好，实用机器人问世。 1927年，美国西屋公司工程师温兹利制造了第一个机器人“电报箱”。它是电动机器人，装有无线电发报机。 1959年第一台可以编程、画坐标的工业机器人在美国诞生。 现代机器人 有关现代机器人的研究始于20世纪中期，计算机以及自动化技术的发展、原子能的开发利用是前提条件。1946年，第一台数字电子计算机问世。随后，计算机大批量生产的需要推动了自动化技术的发展。1952年，数控机床诞生，随后相关研究不断深入；同时，各国原子能实验室需要代替人类处理放射性物质的机械。
救援机器人 作用:地震废墟寻找生命、帮助破拆，代替人工进入废墟，进行搜救，。一方面可以进入人工搜救所达不到的地方；其次，对救援人员生命安全的一个保障。 应用技术：热源感应技术、生命探测技术、摄影技术、红外扫描技术，空中监测技术、红外遥感技术。 应用设备：热源感应器、生命探测仪、夜视摄像头、二氧化碳检测器、输氧设备、给养运输设备、螺旋桨（穿梭废墟之中的空中无人机） 商业模式：主要应用于消防，解放军，这些官方部门，主要销售给他们，销售给政府，保证百姓与营救人员的人身安全，使安全系数最大化。 风险：任何发明都是有风险的，然而我觉得这个最大的风险就是机器人到废墟深处运行出现问题，例如出现卡壳现象，死机，信号被干扰，所以这个都是技术上可以避免的，这个风险还是可控的。 思想来源：在一个废墟中，我们不可能每一个细节都做的尽如人意，很多种情况都需要我们人工深入救援。例如滨河工业区的爆炸，如果不是消防员进入火场勘测，而是机器人进入勘测，先行解除隐患，我们可以减少一大部分伤亡，而且可以更加从容的制定出应对策略，可以有更多的时间、想出更好的办法。化工厂爆炸，会生成很多对人体有害的物质，这无疑是对人身安全的一种威胁。日本福岛的核爆炸，就很好的应用到了机器人救援技术，使伤亡大幅降低。从2008年汶川地震到现在8年。8年以来，我们地震灾后救援时间在一点点缩短。正因为加入了机械力量，降低了破拆得难度，使伤亡系数降低。此创意具有很大的发展潜力。 具体模型架构：仿照航母的结构进行设计，制作出一个类似于“母子机”的这么一款机器人，一个大的机器人里装上具有不同功能的小机器人，生命探测，红外监测，废墟勘探这些需要进入狭小的空间的工作，交给小机器人去做，大机器人主要负责表面勘测，根据小机器人反映回来的废墟下的影像进行破拆，可以大大的降低人工挖掘的难度。利用机器人之间的配合取代人为体力的调配问题。大机器人利用太阳能转化为电能进行工作，小机器人靠大机器人供电实现工作。 面临挑战：缺乏一定的资金、技术支持；经验不足； 救援机器人的行进速度；救援机器人的具体救援方案（假设一场救援，模拟救援过程）； 救援机器人控制设备；救援机器人成本（预估）等——这些问题都要考虑。
机器人技术的发展与应用调研名称：机器人技术的发展与应用 调研时间：2018年7月29日止 调研人：曹桐滔
目录
一、机器人的发展状况 1.1国外发展概况 日本具有国际上最先进的机器人技术，就全世界范围来看，全球工业机器人约有4成在日本。不论在技术方面，还是在市场规模方面，日本可以称得上是“机器人大国”。日本在2004年5月发布的“新产业发展战略”中所指出的7个产业领域，机器人产业也是其中之一，同时，在进一步实施“新产业发展战略”的“新经济成长战略”报告中也把机器人放在使日本成为“世界技术创新中心”的支柱地位上，并在近两年开始重新审视机器人产业政策。 美国是机器人的诞生地，早在1962年就研制出世界上第一台工业机器人，比起号称机器人王国的日本起步至少要早五、六年。经过40多年的发展，美国现已成为世界上的机器人强国之一，基础雄厚，技术先进。据统计，截止到2009年底，美国运行工业机器人大约有19．4万台。目前，美国工业机器人供应商有AdeptTechnology、AmericanＲobot、EmersonIndustrialAutomation等公司。 德国引进机器人的时间比英国和瑞典大约晚了五、六年，但战争所导致的劳动力短缺，国民的技术水平较高等社会环境，却为工业机器人的发展、应用提供了有利条件。此外，20世纪70年代中后期，德国政府采用的积极行政手段也为工业机器人的推广开辟了道路。如在“改善劳动条件计划”中规定，对于一些危险、有毒、有害的工作岗位，必须由机器人来代替。这个计划为机器人的应用开拓了广泛的市场，并推动了工业机器人技术的发展。据统计，截止到2009年底，德国运行的工业机器人为14．58万台。目前，德国工业机器人供应商有KUKA、CLOOS等。 国际上一些大的工业机器人制造厂家，品牌主要分成两大体系，以日本为代表的日韩系，以德国为代表的欧系，其中ABB、安川、发那科三大品牌占据了全球51%的市场，KUKA、OTC、川崎、松下等几大品牌占市场份额的40%以上。
浅析消防救援机器人发展和应用分析 集团企业公司编码：（LL3698-KKI1269-TM2483-LUI12689-ITT289-
浅析消防救援机器人发展和应用分析1 前言 从20世纪80年代初开始，我国国民经济迅速而稳步增长，各类工业得到了迅速发展，但各类危险场所的火灾以及由火灾引发的爆炸伤人事故也随之不断发生，已成为现代火灾扑救的一大难题。另外，化学危险品泄漏伴随的毒性、腐蚀性给消防人员的自身安全带来了严重的威胁，在没有对现场进行充分侦检和分析的情况下，盲目地采取行动，不仅不能取得预期的效果，而且往往会造成无辜生命的牺牲，付出惨重的代价。 2 消防人员抢险救援时的弊端 目前我国消防部队在灾害现场展开抢险救援战斗时，首先要派侦查人员侦查灾害现场，了解灾害现场情况后方可作出处置决策。由于采用人工侦察手段，必然存在下述问题： (1)侦察小组(一般由2—3人组成)之间常用通讯绳作为联络手段，相互交流困难； (2)消防人员在有毒、有害、缺氧、浓烟、放射性等室内外危险灾害现场进行侦察，有可能造成中毒、窒息等事故；
(3)消防人员在易坍塌建筑物、大型仓库堆垛等灾害现场进行侦察，有可能发生坠落或被坍塌物砸中，造成人身伤害事故； (4)消防人员在进入不明情况的灾害现场时，无法事先确定所佩戴的个人防护装备和侦检设备是否安全合理； (5)消防人员配备的便携式探测装备数量有限，无法实时定量的探测灾害现场各种数据参数； (6)消防人员侦察到的现场情况，无法在第一时间向后方指挥员报告； (7)由于消防人员穿着防护服装、配备防护装备，本身负荷已较重，再要进行如清障、开关阀门、抢救遇难人员等工作具有一定困难； (8)消防人员受环境影响及个人防护装备的限制，在灾害现场的滞留时间一般小于30min。 因此，研究一种实用的能替代消防救援人员遥控进入有毒、有害(非易燃易爆)、易坍塌建筑物、大型仓库堆垛、缺氧、浓烟、放射性等室内外危险灾害现场进行探测的消防救援机器人，来解决有关消防人员人身安
模块化多功能灾害救援机器人 项目组成员：李路、张晨峰、王清川、李俊、张凯 机电工程学院 指导教师：张锋副教授、宋宝玉教授 摘要：模块化多功能灾害救援机器人，将传统的单体机器人与多机器人系统相结合，实现了机械组件重组互换、电气系统通用模块化和嵌入式分布控制等技术。机器人各组件间的模块化 特性可以满足救援工作中的各种环境与任务需求，其机械设计独创、电控设计先进高效。 关键词：移动机器人；灾害救援；模块化设计；即插即用 1.选题背景 本课题研究来源于国家大学生创新性实验计划。立项之初，正值512汶川大地震灾后时期，灾害救援成为新时代背景下急需解决的新难题。抗震救援的经验表明传统意义的救援设备用途过于单一，功能缺乏整合；现有的救援机器人体积过于庞大，环境适应性欠佳。同时，现代意义的灾害救援已不仅局限于自然灾害救援，多种环境的综合救援才是迫切需要解决的问题，模块化多功能灾害救援机器人正是基于此立题的。 2.方案论证 为适应多种空间环境与任务需求，机器人需要具备各种地形的适应能力和各种功能组件的兼容性与互换性。现有灾害机器人的研究可分为单一机械本体，分布式控制两大方向。 2.1 单一机械本体的多用途救援机器人 机械体系固定，底盘模式单一，负载能力强。此方式发展较早，较为成熟，多为针对特殊的场合设计，由于固定的底盘模式，无法适应多种环境与不同任务功能的快速切换。 2.2多机器人系统 采用多机器人实现机械外形的自组与重构。此种机器人多由若干个外形相同、功能各异的子机器人构成，并根据不同的环境进行组装，以适应不同需求。由于自身结构特点，负载能力较小。 2.3方案分析 综合分析以上两种方案后，本设计采用“积木式”的模块化机械连接方案，既具有单一本体式机器人的强负载能力又兼备多机器人系统的灵活互换性。首先，机器人采用多种通用型底盘，以适应不同的任务要求。其次，采用通用的机械连接与电气连接，实现模块化的互换要求。最后，设计统一的主体核心模块系统，兼容各种底盘，提供电力、指挥控制、同时可加载各型辅助设备。 3.研究主要内容 项目研究综合运用计算机辅助设计、虚拟装配、有限元结构分析、激光加工、印制电路板、高速嵌入式处理器和分布式控制等现代工程技术，配合AutoCAD, SolidWorks,COSMOS Works,
机器人的发展及其应用 摘要：本文介绍了机器人的定义、机器人产生的背景，具体阐述了机器人的应用领域，通过多个方面的考虑，结合我国国内的市场情况，预测了未来机器人的未来发展前景。 关键词：机器人定义产生背景应用领域发展前景 0、引言 机器人技术的发展，它应该说是一个科学技术发展共同的一个综合性的结果，也同时，为社会经济发展产生了一个重大影响的一门科学技术。另一方面它也是生产力发展的需求的必然结果，也是人类自身发展的必然结果，那么人类的发展随着人们这种社会发展的情况，人们越来越不断探讨自然过程中，在改造自然过程中，认识自然过程中，实现人们对不可达世界的认识和改造，这也是人们在科技发展过程中的一个客观需要。 一、机器人的定义 上世纪60年代，可实用机械的机器人被称为工业机器人；上世纪80年代到现在，正越来越向智能化方向发展；机器人学是一门不断发展的科学，对机器人的定义也随其发展而变化。国际上，关于机器人的定义主要有以下几种： （1）美国机器人协会(RIA)的定义：机器人是“一种用于移动各种材料、零件、工具或专用装置的，通过可编程序动作来执行种种任务的，并具有编程能力的多功能机械手(manipul ator)”。 （2）日本工业机器人协会(JIRA)的定义：工业机器人是“一种装备有记忆装置和末端执行器(end effector)的，能够转动并通过自动完成各种移动来代替人类劳动的通用机器”。（3）美国国家标准局(NBS)的定义：机器人是“一种能够进行编程并在自动控制下执行某些操作和移动作业任务的机械装置”。 （4）国际标准化组织(ISO)的定义：“机器人是一种自动的、位置可控的、具有编程能力的多功能机械手，这种机械手具有几个轴，能够借助于可编程序操作来处理各种材料、零件、工具和专用装置，以执行种种任务”。 （5）我国对机器人的定义。蒋新松院士曾建议把机器人定义为“一种拟人功能的机械电子装置”(a mechantronic device to imitate some human functions)。 结合各国关于机器人的定义，对机器人给出以下定义：机器人是一种计算机控制的可以编程的自动机械电子装置，能感知环境，识别对象，理解指示命令，有记忆和学习功能，具有情感和逻辑判断思维，能自身进化，能计划其操作程序来完成任务。 二、机器人产生的背景 机器人技术的发展，它应该说是一个科学技术发展共同的一个综合性的结果，也同时，为社会经济发展产生了一个重大影响的一门科学技术，它的发展归功于在第二次世界大战中，各国加强了经济的投入，就加强了本国的经济的发展。 另一方面它也是生产力发展的需求的必然结果，也是人类自身发展的必然结果，那么人类的发展随着人们这种社会发展的情况，人们越来越不断探讨自然过程中，在改造自然过程中，认识自然过程中，实现人们对不可达世界的认识和改造，这也是人们在科技发展过程中的一个客观需要。 1、古代机器人 西周时期，出现了能歌善舞的伶人，这是我国最早记载的机器人。春秋后期，鲁班曾制造
地震救援机器人设计说明书 参赛单位：华北科技学院 作者：孙浩然梁陈赞冯忠豪刘俊指导教师: 田忠友王海鹏
目录 一.作品简介 (1) 二.主要功能指标 (2) 三.工作原理 (4) 四.运动分析 (5) 4.1腿部移动过程 (5) 4.2主题迁移过程 (6) 五.动力分析 (8) 5.1 单独由电机提供动力 (8) 5.2 由气缸和电机共同提供动力 (9) 六.实用化的可能 (11) 七.市场前景 (13) 八.作品外形照片 (14) 九.参考文献 (16)
一.作品简介 该作品是基于地震救灾为背景而设计研发的，是一种能够起清障作用、标记事故地点、探索救援道路的先进设备。该作品具有灵活、操作简便、适用性强、拓展功能多的特点，非常适用于救灾抢险工作。高度智能化和自动化是本作品的又一大特点，也是具备强势竞争力的一大优势。同时，采用了先进的控制系统和算法，是系统的通用性和适用性进一步增强，能够出色完成各项任务。 本作品由中心搭载平台，四条安装在平台四角的机械腿，中部的两部液压支架以及构建在平台上的挖掘装置组成。机械腿由关节电机带动实现腿部移动，由安装其上的蜗杆装置实现腿部伸缩，四条腿依次移动后再次转动电机实现机械本体的整体前进。达到预定位置后平台上的气泵开始工作，带动整个装置的升降掘进，起到了除障清路的作用。同时腿部结构设计比较先进，使机械体具有一定的越障能力，摆脱了传统救灾设备行动能力不足的缺陷，对灾区环境有很强的适应能力。 双模的行进机构使得系统灵活性和机动力极大增强。轮式行进可使机器人快速机动，灵活部署；机械腿行进可使机器人工作平稳，深入灾区。采用双模互换的行进方式既能节省宝贵时间，又能提高工作效率，同时兼具节能的特点。
关于机器人的发展历史 库卡公司最早于1898年由Johann Josef Keller和Jakob Knappich在奥格斯堡建立。最初主要专注于室内及城市照明。但与此不久公司就涉足至其它领域（焊接工具及设备，大型容器），1966年公司成为欧洲市政车辆的市场领导者。1973年公司研发了其名为FAMULUS第一台工业机器人。当时库卡公司属Quandt集团旗下，而Quandt家族则于1980年退出。公司成为一个上市公司。1995年库卡机器人技术脱离库卡焊接及机器人有限公司独立成立有限公司，与库卡焊接设备有限公司（即后来的库卡系统有限公司），同属属于库卡股分公司（前身IWKA集团）。现今库卡专注于向工业生产过程提供先进的自动化解决方案。 库卡机器人公司目前全球拥有3150名员工（2012年9月30日数据），其总部在德国奥格斯堡。公司主要客户来自汽车制造领域，但在其他工业领域的运用也越来越广泛。 重要发展 1971 –为Daimler-Benz建成欧洲第一台焊接传输线。 1973 –库卡建成全球第一台六轴机电驱动的工业机器人FAMULUS。1976 – IR 6/60 –全新的机器人类型六轴机电驱动带角手。 1989 –新一代工业机器人诞生–无刷电机的使用降低了维护成本提高了技术可用性。 2007 –库卡…titan“ - 当时最强大的6轴工业机器人，被计入吉尼斯纪录。2010 – KR QUANTEC系列工业机器人贴补了机器人家庭中载重90-300公斤工作范围达3100毫米这一部分的空白。 2012 –最新小型机器人系列KR AGILUS上市。 ABB是全球领先的电力和自动化集团，总部设在瑞士。ABB集团业务遍布全球100多个国家，拥有120,000名员工。在中国的13,000名员工，在60 个不同城市服务于26家本地企业和38个销售与服务分公司。 ABB致力于研发、生产机器人已有30多年的历史并且拥有全球160000多套机器人的安装经验。作为工业机器人的先行者以及世界领先的机器人制造厂商，在瑞典、挪威和中国等地设有机器人研发、制造和销售基地。ABB
煤矿救援机器人研究现状及关键技术 1、煤矿救援机器人工作环境 煤矿救援机器人工作的环境，往往是结构化地形环境和非结构化地形环境的综合。 （1）井下巷道的布局、轨道、水沟、人行道、管道和电缆等的铺设以及各种设备的布置都是根据矿井实际需要，按照国家或行业标准建造，这些都属于结构化地形。 （2）井下主要有火灾、水灾、顶板事故、瓦斯事故和煤尘事故五大灾害。瓦斯爆炸是煤矿最严重的灾害事故，爆炸产生的高温高压使附近的气体产生巨大的冲击波，造成井下设施的破坏。冲击波扬起的煤尘参与爆炸，产生更大的破坏力，引发顶板冒落、煤壁片帮以及设备翻倒等事故。这种地形是复杂的非结构化地形。 2、国内外研究现状 （1）国外研究现状 1998年Sandia智能系统机器人研究中心研制了“RATLER机器人”，该机器人采用无线控制，利用自身携带的摄像头,可以识别煤矿的入口，同时传回有用的周围环境信息。 图1 RATLER机器人 卡内基梅隆大学研制了Groundhog四轮驱动机器人，用于检测矿井有害气体浓度和对井下巷道进行三维成像，通过电缆将测得数据传到地面指挥人员。但在首次试验时，机器人进入到距离矿井口30米处，因计算机进水，而被迫中止。
图2 Groundhog侦查机器人 图3为2006年美国东部西弗吉尼亚州阿普舒尔县萨戈（Sago）煤矿发生矿难运用的机器人。2007年8月美国Utah州发生煤矿事故，救援人员派出了University of South Florida研制的图4所示救援机器人，但因机器人中途行进过程中陷入泥潭而受阻。 图3 美国救援机器人图4南佛罗里达救援机器人 Gemini Scout是美国职业安全与健康中心资助圣帝亚国家实验室研制的一款矿井救灾机器人，如下图所示。它为履带式双节机器人，长1.2m，宽0.7m，在身体上方有一个高出机体的摄像机桅杆，其上安装了一个能透过烟雾和尘埃的红外摄像头，配置了有毒气体传感器和爆炸气体传感器。由一个灵活的关节连接身体的两节，使它能够通过复杂的地形和狭窄的角落。采用遥控方式，由于无线控制容易受到井下环境的干扰，它同时以光纤通信装置为备用，以保障通信畅通。它能够先于搜救人员进入危险的环境，为救援提前感知现场情况，当它寻找到伤员时，能够引导伤员到安全的环境，提供氧气、水、药品等必需品，它还能改装成能将伤员搬动或拖到安全地点的救援机器人。
履带式救援机器人 班级： 指导教师： 组长： 组员： 综合实习报名表 .doc proe全套装配-零件 模型.zip 实物运行动画.3gp 效果图.rar
目录 履带式救援机器人 (1) 第一章 (3) 概述1.1 (3) 设计背景1.2 (3) 第二章产品说明书 (3) 2.1 产品简介 (3) 2.1.1 产品结构 (4) 2.1.2 产品使用方法 (4) 2.2 创新设计及原理 (5) 第三章机构设计原理及参数计算 (5) 第四章产品的成本计算及其推广 (7) 4.1 成本计算 (7) 4.2产品的推广 (7) 结束语 (8) 附件 (8)
第一章 概述1.1 在本次机械专业综合实习中，我们抽中的选题为“救援机器人”。根据实际生产状况，实际救援需要等因素，综合考虑后我们设计并制作了此履带式救援机器人。该机器人由动力车和拖车部分组成。 设计背景1.2 生活中，人们难免会遇到意外或者灾难，这时候就涉及到救援的问题。救援的高效与否直接决定了人身安全的保护是否有效。有时候在某些极端或非常的条件下，人无法完成某些救援过程中的动作，这时，就需要寻求另外的措施来快速解决问题。其措施中使用机器人即为一个既方便又有效的取向。机器人的功能也很多，此次我们为解决救援过程中物资供给问题，就设计了专供运送物资的履带式救援机器人。 第二章产品说明书 2.1 产品简介 该机器人通过远程遥控，模拟救援中救生物资的远程输送。 电子部分： 该救援机器人使用12V高扭矩电机，动力可靠。遥控电路标准化程度高，可便捷地扩充功能。 机械部分： 该机器人使用履带传动，爬升技能良好，可轻松爬上30°左右斜坡。在泥土，草地，沙石地中也有良好的地形适应力。
国内外机器人发展的现状及发展动向 机器人技术毫无疑问是未来的战略性高技术，充满机遇和挑战。目前，国际上机器人市场大概有80亿至100亿，其中工业机器人占的比重最大。2025年，整个机器人市场将达到500亿，服务机器人从原来的300多万台增加到1200多万台，特种机器人（如：排爆机器人、医疗机器人等）的呼声也越来越高。另外，微软等IT企业，丰田、奔驰等汽车公司，甚至还有家具、卫生洁具企业都纷纷参与机器人的研制。 美国和日本多年来引领国际机器人的发展方向，代表着国际上机器人领域的最高科技水平。目前，日本除了比较关注特种机器人和服务机器人以外，还注重中间件的研制。然而，近年来日本基本上在做模仿性的工作，突破性技术比较少。而美国在机器人领域的技术开发方面，一直保持着世界领先地位。再有，美国主要做高附加值的产业，比如军用机器人，目前世界销售的9000台军用机器人之中，有60%来自美国。比如：美国最近研制成功的Big Dog军用机器人，能负重100公斤，行进速度跟人相当，每小时达到五公里，还能适应各种地形，即使是在侧面受到冲击时也能保持很好的系统稳定性。 在各种机器人中，工业机器人应用较早，发展最为成熟。同时，技术的不断进步一直在牵引着机器人学科的发展，使机器人的应用领域从工业机器人扩展到特种机器人和服务机器人等。机器人技术也正越来越深刻地影响着我们的生活。机器人不但将在工厂、实验室与人一起工作，还将在车站、机场、码头、交通路口为人们指引路径、回答问题、帮助行人。机器人还将步入千家万户，为老人端茶送水，护理伤病人等等。未来机器人将会越来越广泛地进入人类社会，人类对机器人的依赖会如同现时对待计算机一样，即使是短时间的离开都可能会造成很大不便。 机器人化是先进制造领域的重要标志和关键技术，针对先进制造业生产效率提高的诸多瓶颈问题，尤其是在汽车产业中，机器人得到了广泛的应用。如在毛坯制造(冲压、压铸、锻造等)、机械加工、焊接、热处理、表面涂覆、上下料、装配、检测及仓库堆垛等作业中，机器人都已逐步取代了人工作业。目前汽车制
国内外机器人发展现状及发展动向 一、全球机器人行业现状 (一)全球机器人行业现状 1、行业发展：增长态势延续 (1)预计2017年全球工业机器人销售量25万台 从2008年第四季度起，全球金融风暴导致工业机器人的销量急剧下滑。2010年全球工业机器人市场逐渐由2009年的谷底恢复。 2011年是全球工业机器人市场自1961年以来的行业顶峰，全年销售达16.6万台。2012年全球工业机器人销量为15.9万台，略有回落，主要原因是电气电子工业领域的销量有所下滑，但汽车工业机器人销量延续增长态势。 随着全球制造业产能自动化水平提升，特别是中国制造业升级，我们估计到2017年全球工业机器人销量达到25万台，年复合增长率9.5%. (2)预计到2017年全球工业机器人市场容量2700亿 2012年全球机器人本体市场容量为530亿元，本体加集成市场容量按本体大约三倍算，估计1600亿元。 估计2013年至2017年，包含本体和集成在内的全球工业机器人市场，年复合增长率约为11%。预计2017年全球工业机器人市场容量将达到2700亿元。 (3)预计到2017年全球服务机器人市场容量接近500亿 根据IFR数据，2012年全球个人(或家庭)用服务机器人市场容量为73亿元，公共服务机器人市场容量为208亿元。目前看公共服务机器人产业化走在前面，市场容量更大。 预计2013-2017年个人(或家庭)用服务机器人市场容量增长率为7%，公共服务机器人市场容量年均复合增长率为17%。到2017年，全球服务机器人市场容量将接近500亿元。如果智能家居算是广义的服务机器人，服务机器人市场容量会大很多。 2、全球机器人行业布局：日欧产业优势明显，中国市场潜力巨大 (1)工业机器人市场销量与存量 全球工业机器人本体市场以中欧美日为主。日、美、德、韩、中五国存量占全球比例达71.24%，销量达69.92%。 截至2012年底，全球机器人累计销量达到247万台。机器人平均使用寿命为12年，最长15年。估计现在全球机器人存量在120万台-150万台之间。 分区域看，亚洲/澳洲增幅达到9%。亚洲增幅主要由中国需求拉动，因为中国2012年工业机器人销量增幅达到30%。 分生产地和消费地看，日本是唯一的工业机器人净出口国，拥有全球最大的机器人产能，占据全球机器人产量的66%。机器人消费地最大的区域是除日本以外的亚洲地区，占比约34%，而且是以中国市场为主。 (2)全球工业机器人与机床行业销量的对比 工业机器人销量占机床销量比反映各国机器人使用情况。这个比例的上升在一定程度上代表着这个国家机器人普及水平的提升。我们给出美日德中四国的机器人销量占机床销量比，从这个数据和历年的变化趋势看各国机器人行业的发展状况。 美日德三国的机器人销量占机床销量比稳定在一定区间内(15%-25%)，表明
-370-工业机器人的应用和发展趋势 无锡工艺职业技术学院 郁 晗 【摘要】随着科技进步，工业机器人的应用也不断增大，不同行业对于工业机器人的要求不同，因此很有必要对工业机器人进行深入的研究和分析，这将能够很大的提高其社会生产效率。 【关键词】工业机器人技术；发展现状；发展趋势 0.引言 工业机器人出现于20世纪60年代，并在不断升级发展着。由于工业机器人是结合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多门学科相互交互而形成的高新科技，在当代的研究非常的活跃。由于机器人不怕苦、不怕累，他们能够长期从事单调、重复的体力劳动,并能够在更复杂的领域替代人工作业。 据悉，世界工业机器人行业4大巨头瑞士ABB、日本FANUC发那科、日本YASKAWA安川电机、德国KUKA库卡都在中国设立了分公司，连同其他进口品牌，在中国市场的占有率达到8成以上。 作为世界上最大的制造业国家，中国市场对机器人产业意义重大。根据IFR(国际机器人联盟)的研究，到2014年，全球每年新安装工业机器人将达到16.67万台，届时我国工业机器人年装机量将超过日本，达到近3.2万台，将占到世界总量的20%。 1.工业机器人概念、组成、分类、技术前景 1.1 工业机器人的概念 工业机器人是面向工业领域的多关节机械手或多自由度的机器人。现代的工业机器人还可以根据人工智能技术制定的原则纲领行动。从工业机器人的用途而言，其主要完成的是通过计算机来控制机器人的自主自动化控制系统。 1.2 工业机器人的组成 工业机器人的主要是由三大部分组成：机器人主体、驱动管理、计算机控制系统。具体而言，机器人主体是机器人所需要的操作机械，例如机械手腕、机械臂部、行走设备等，这是构成机器人运行的主体。驱动管理部件主要功能是将计算机控制命令转化成为机械语言，进而实现。控制系统是按照输入流程，对驱动程序、执行机构发出指令信息，并对其进行信息控制。 图1、2为一个工业机器人机械手和其工作 原理图 图1 机械手系统 如图1所以，机械手系统由三套伺服器和 伺服电机组成，分别为X、Y和Z轴，控制板卡 上有三路脉冲+方向输出，可以单独对X、Y和Z 轴进行控制。其中Z轴处于垂直位置，为防止 掉电在重力作用下掉下来，需使用带抱闸的电 机。 图2 伺服驱动器工作原理图 伺服驱动器工作在位置模式，以X轴为 例，系统原理图如图2所示。通过脉冲控制卡 的脉冲输出来控制伺服电机，方向信号控制电 机的运转方向。 Y轴Z轴与X轴控制原理相同。 1.3 工业机器人的分类 (1)移动机器人(AGV) 移动机器人(AGV)是工业机器人的一种类 型，它由计算机控制，具有移动、自动导航、 多传感器控制、网络交互等功能，它可广泛应 用于机械、电子、纺织、卷烟、医疗、食品、 造纸等行业的柔性搬运、传输等功能，也用 于自动化立体仓库、柔性加工系统、柔性装配 系统(以AGV作为活动装配平台)；同时可在车 站、机场、邮局的物品分捡中作为运输工具。 (2)点焊机器人 点焊机器人主要用于汽车整车的焊接工 作，生产过程由各大汽车主机厂负责完成。国 际工业机器人企业凭借与各大汽车企业的长期 合作关系，向各大型汽车生产企业提供各类点 焊机器人单元产品并以焊接机器人与整车生产 线配套形式进入中国，在该领域占据市场主导 地位。 (3)激光加工机器人 激光加工机器人是将机器人技术应用于 激光加工中，通过高精度工业机器人实现更加 柔性的激光加工作业。本系统通过示教盒进行 在线操作，也可通过离线方式进行编程。该系 统通过对加工工件的自动检测，产生加工件的 模型，继而生成加工曲线，也可以利用CAD数 据直接加工。可用于工件的激光表面处理、打 孔、焊接和模具修复等。 1.4 工业机器人的经济效益 工业机器人是现代工业自动化发展到一定 阶段的必然产物，它主要基于计算机自动化控 制和电子物理相互结合。 采用工业机器人还有如下优点：第一， 改善劳动条件，逐步提高生产效率；第二，更 强与可控的生产能力，加快产品更新换代；第 三，提高零件的处理能力与产品质量；第四， 消除枯燥无味的工作，节约劳动力；第五，提 供更安全的工作环境，降低工人的劳动强度， 减少劳动风险；第六，提高机床；第七，减少 工艺过程中的工作量及降低停产时间和库存； 第八，提高企业竞争力。 2.我国机器人技术的发展 2.1 国内工业机器人的现状 我国工业机器人起步比较晚技术与国外的 相比还是有着一定的差距。虽然我国在某些关 键技术上有所突破,但还是缺乏整体核心技术 的突破，具有中国知识产权的工业机器人则很 少。目前我国工业机器人技术水平不是很高， 特别是在制造工艺与装备方面，不能生产高精 密、高速与高效的关键部件。我国目前取得较 大进展的机器人技术有：数控机床关键技术与 装备、隧道掘进机器人相关技术、工程机械智 能化机器人相关技术、装配自动化机器人相关 技术。现已开发出金属焊接、喷涂、浇铸装 配、搬运、包装、激光加工、检验、真空、自 动导引车等的工业机器人产品，主要应用于汽 车、摩托车、工程机械、家电等行业。 2.2 制约我国工业机器人的因素 制约我国机器人技术发展的瓶颈是市场， 换句话说，就是对机器人的应用需求。工业机 器人发展长期以来受限于成本较高与国内劳动 力价格低廉的状况，随着中国经济持续快速的 发展，近几年的国民生产总值年平均增长率更 是保持在9%左右，人民生活水平不断地提高， 劳动力供应格局已经逐步从“买方”市场转为 “卖方”市场、由供远大于求转向供求平衡。 作为制造业主力的农民工也从早期的仅解决温 饱问题到现在对薪资和工作条件提出了更高的 要求。这些情况使得许多劳动密集型企业为了 提高劳动生产率所采用的增加工人数量、延长 工人劳动时间的方法变得成本高昂，同时也受 到法律的限制和政策的阻碍。无论是企业还是 社会都认识到必须采取从改善机器设备入手， 提高技术和资金的密集度来减少用工量以应对 这种改变。总之，劳动力过剩程度降低、单个 工人成本上升、对产品质量更高的要求、国家 对装备制造业的重视等变化改善了机器人的使 用环境，工业机器人及技术在中国已逐步得到 了政府和企业的重视。随着机器人知识的广泛 普及，人们对于各种机器人的了解与认识逐步 深化，利用机器人技术提升我国工业发展水 平、从制造业大国向强国转变，提高人民生活 质量成为全社会的共识。 2.3 如何解决制约我国工业机器人的因素 一是随着我国经济的快速发展，中国机 器人界要能提供质量稳定可靠，价格适宜的各 类机器人商品,要做到这一点，产业化是提高 质量、降低成本的必由之路，是扩大市场销售 (包括出口)量的前提，而现时，中国机器人的 产业化还有一段路程要走。 二是有关各方(包括主管部门和企业界) 要加深工业机器人对稳定提高工业产品质量和 劳动生产率、快速满足商品更新换代要求的突 出作用的认识。才能有决心在工业机器人这一 高新技术领域采取“高投人高产出”的战略措 施。 三是要解决用好机器人的问题，主管部门 除继续鼓励机器人研制生产单位和用户紧密结
( 安全技术 ) 单位：_________________________ 姓名：_________________________ 日期：_________________________ 精品文档 / Word文档 / 文字可改 浅析消防救援机器人发展和应 用分析(最新版) Technical safety means that the pursuit of technology should also include ensuring that people make mistakes
浅析消防救援机器人发展和应用分析(最 新版) 1前言 从20世纪80年代初开始，我国国民经济迅速而稳步增长，各类工业得到了迅速发展，但各类危险场所的火灾以及由火灾引发的爆炸伤人事故也随之不断发生，已成为现代火灾扑救的一大难题。另外，化学危险品泄漏伴随的毒性、腐蚀性给消防人员的自身安全带来了严重的威胁，在没有对现场进行充分侦检和分析的情况下，盲目地采取行动，不仅不能取得预期的效果，而且往往会造成无辜生命的牺牲，付出惨重的代价。 2消防人员抢险救援时的弊端 目前我国消防部队在灾害现场展开抢险救援战斗时，首先要派侦查人员侦查灾害现场，了解灾害现场情况后方可作出处置决策。
由于采用人工侦察手段，必然存在下述问题： (1)侦察小组(一般由2—3人组成)之间常用通讯绳作为联络手段，相互交流困难； (2)消防人员在有毒、有害、缺氧、浓烟、放射性等室内外危险灾害现场进行侦察，有可能造成中毒、窒息等事故； (3)消防人员在易坍塌建筑物、大型仓库堆垛等灾害现场进行侦察，有可能发生坠落或被坍塌物砸中，造成人身伤害事故； (4)消防人员在进入不明情况的灾害现场时，无法事先确定所佩戴的个人防护装备和侦检设备是否安全合理； (5)消防人员配备的便携式探测装备数量有限，无法实时定量的探测灾害现场各种数据参数； (6)消防人员侦察到的现场情况，无法在第一时间向后方指挥员报告； (7)由于消防人员穿着防护服装、配备防护装备，本身负荷已较重，再要进行如清障、开关阀门、抢救遇难人员等工作具有一定困难；
多功能救援机器人 中国在十一五期间，已经将“废墟搜索与辅助救援机器人”项目列入国家863重点项目，由中科院沈阳自动化所机器人学国家重点实验室与中国地震应急搜救中心联合承担研制，并成功研制出“废墟可形变搜救机器人、机器人化生命探测仪、旋翼无人机”三款机器人。这三款机器人曾经被国家地震局评为十一五以来最具应用实效的10项科技成果之一。日本一些科学家研制出一种可以在废墟中爬行的机器人，他们可以承担营救被困于地震废墟中的幸存者重任。但是目前市场上救援机器人适用性单一，造价不菲。 本文将提出一种多功能救援机器人，可应用于火灾，地震，森林搜救等场景，采用自动控制和手动控制两种方式，实现无线数据传输，生命信息定位等功能。多功能救援机器人以履带作为骨架，兼以80c51单片机的主控系统，结合无线视频传输、生命信息及时定位等技术，实现对事故现场环境的检测。 同时，多功能救援机器人利用各种传感器，如温度传感器、气体浓度传感器、超声波传感器、红外传感器等，经过数据采集数据处理和数据输出，完成对事故现场环境检测如温度、湿度二氧化碳浓度的采集。可通过无线技术与移动设
备连接，实现手动控制和自动控制，更加具有实用性、灵活性，更加人性化、智能化。 多功能机器人应用范围广，可广泛用于火灾、地震、森林搜救等多种场景。 系统整体设计包括以下结构 1、MCU芯片采用加强型51单片机STC12C5A60S2单片机，除了具有52单片机的全部功能外，还有丰富的外设，包括3个时钟输出口，外部中断I/O口7路，传统的下降沿中断或电平触发中断，并新增支持上升沿中断的PCA模块，power down模式可由外部中断唤醒，有两路PWM，A/D转换。 2、循迹模块采用四只TRCT红外对管，分别置于小车车身前轨道的两侧，根据两只光电开关接受到白线与黑线的情况来控制小车转向来调整车向。 3、由于进入障碍区之后，只要判断小车的前方和偏左方向有无障碍即可，所以障碍物的检测采用反射式光电传感器。 ] 4、电机驱动模块使用功率三极管作为功率放大器的输出控制直流电机。线性型驱动的电路结构简单原理简单，成本低，加速能力强，但是功率损耗大，发热厉害，因此采用l298专用芯片。用单片机控制占空比即可调的PWM波，从而精确控制电机的转速。内置电路效率高。 5、图像传输采用路由器挂载摄像头的方式，使图像可
关于救生机器人的创新性研究 摘要：本文通过全面的介绍救生机器人的创意产生，制造方法和使用方法等全部过程。方法科学，创意新颖，具有较强的可行性，和市场前景。本产品综合了机械设计方面，以及电子技术方面的知识。做到机械和控制的很好的融合。机械方面的创新，主要体现在对机器人越障能力的研发；电子方面，则主要运用了单片机的优越可编程控制能力，和无线电技术的遥控功能。其中产品的最关键技术之一是运用了红外探测仪高灵敏的感测能力。该救生机器人很好的将以上几种技术进行了巧妙融合，起到很好的效果。救生机器人主要应用于，地震、塌方、以及火灾救援的等方面的灾难事故的救生工作中，以期降低人工救援的风险，和提高救援效率。 关键词：履带模块化建模单片机无线电红外探测 5.12大地震的巨大破坏能力，以及其带来的巨大损失牵动了每一个华人的心。在举国上下开展大救援的过程中，作者针对事故现场救援难度大，救援人员生命安全无可靠保证，以及救援速度缓慢等弊端，开发、研制了一款旨在降低救援风险，加快救援速度的救生机器人。本产品制作方法科学，创意新颖，具有较强的可行性，和较好的市场前景。产品综合了机械设计方面，以及电子技术方面的知识。做到机械和控制的很好的融合。机械方面的创新，主要体现在对机器人越障能力的研发；电子方面，则主要运用了单片机的优越可编程控制能力，和无线电技术的遥控功能。其中产品的最关键技术之一是运用了红外探测仪高灵敏的感测能力。该救生机器人很好的将以上几种技术进行了巧妙融合，起到很好的效果。救生机器人主要应用于，地震、塌方、以及火灾救援的等方面的灾难事故的救生工作中，以期降低人工救援的风险，和提高救援效率。 1、机器人动力驱动越障系统的设计 1.1底盘和传动装置的设计 机器人的驱动装置运用了传统的履带式。但在此产品较传统的履带式机器人有了较大的改进。在设计过程中，考虑到救援现场的复杂地形条件，参考了变位履带设计【1】方案，对传统履带式进行了改进设计。设计如图：