矿山钻孔救援探测机器人设计

基于矿山钻孔救援探测需求,针对现有探测机器人信息探测范围窄、探测距离较短、功能单一、无越障能力等问题,设计了一种矿山钻孔救援探测机器人。该机器人能够通过Φ225mm救援钻孔到达煤矿井下,利用携带的传感器和摄像头获取灾变区域的环境信息和被困人员信息,并将信息实时传到地面;以NI myRIO作为控制核心,采用LabVIEW图形化编程构建控制系统,利用有线通信方式实现机器人在灾变区域内的数据远程控制。试验结果表明:该机器人运动性能良好,具有体积小、质量轻、越障能力强等特点,可顺利通过救援孔,能够对井下环境信息进行实时检测和传输,为地面救援指挥中心决策提供了第一手资料。     

救援机器人技术研究进展

机器人救援是机器人应用的重要方面,与其相关的救援技术也正成为研究热点。本文主要从机械结构、定位和导航及多传感器融合等方面对救援机器人技术进行综述,并对救援机器人技术发展方向作出分析和展望。     

星球探测机器人导航定位技术研究进展

针对当前星球探测技术的发展,重点综述了国内外星球探测机器人导航定位技术的研究现状,分析了正面临并需要解决的关键性科学和技术问题,并预测和展望了星球探测机器人导航定位技术的发展趋势,提出了进一步的研发设想。     

矿山救援机器人群设计

针对目前矿山机器人适应性差、通信能力弱、机动性差等问题,设计了矿山救援机器人群。该机器人群主要包括通信机器人、搜救机器人、辅助救援机器人和数据处理中心。通信机器人利用超宽带雷达进行生命探测,找出被困人员的具体位置,同时通过内置中继设备保证救援过程中的信息传输;搜救机器人按照实时路径规划行驶并传回音频、视频、井下环境信息,在找到被困人员之后充当通信设备,构建救援人员与被困人员的通信渠道;辅助救援机器人包括负责打通救援路径的清障机器人和为被困人员输送救援物品的物资运送机器人;数据处理中心根据被困人员位置信息,通过GIS规划搜救机器人的搜救路线,并根据井下实时信息进行路径修正。机器人群中各类机器人相互协作、功能互补、信息统一化处理,可有效减少因灾后环境不明而带来的二次伤害,提高救援效率。     

矿井钻孔救援通信技术的研究进展及趋势

阐述了矿井钻孔救援通信技术原理,详细介绍了钻孔救援通信技术即钻孔救援探测技术、矿井救援指挥系统及可视化技术、钻孔救援高速传输及交换技术的国内外研究进展,指出了矿井救援通信技术亟需解决的问题及发展趋势:钻孔救援通信系统各功能组成上应相互独立又有机统一,使系统在功能升级过程中不影响其他功能的正常使用;钻孔救援通信技术在进行音、视频图像采集,灾难现场环境监测,通信和存储等环节上应有更高的准确性;进一步提高数据通信系统的可靠性,使钻孔救援通信系统本身具有自检及恢复功能,为矿井救援方案的制定提供有效参考;完善与救援通信设备配套的应用软件,确保救援中信息实时交互传输,具有逼真的现场感,便于指挥人员后续的决策;研究数据采集系统错误及误差的判定及预警技术,使探测到的救援信息准确无误,提高救援效率及成功率。     

煤矿探测机器人行走机构设计与步态分析

为了适应煤矿井下复杂地形,设计了一种煤矿探测机器人行走机构:躯体为圆形,6条腿均布在躯体四周;躯体及腿部采用高强度铝合金材料,整机仅800g。对该机器人直线行走步态、原地转向步态及其运动能力进行了分析。采用Solidworks和ADAMS软件建立了机器人仿真模型,对其进行仿真及样机试验,结果表明,机器人单次旋转动作的最大完成角度达24°,最多2次旋转操作即可完成任意角度转向;机器人直线行走时平均速度达0.1m/s,其位移、速度及加速度变化较规律,运动较平稳,没有出现剧烈抖动。     

一种新型煤矿救援机器人履带行走机构设计

从履带机构的结构复杂度、越障性能、可操作性以及履带的接地比压4个方面分析了现有煤矿救援机器人履带行走机构的优缺点,针对现有履带结构的优缺点设计了一种新型履带行走机构的结构;结合煤矿救援机器人的相关要求,给出了该新型结构主要尺寸的优化计算公式;根据所提出的计算公式,设计了CUMT-5型煤矿救援机器人。CUMT-5机器人的实际运行结果表明,该新型履带行走机构结构简单,越障性能好,具有良好的可操作性。     

基于最优探测的多机器人路径规划

目前,针对多机器人目标探测定位系统,机器人通常获取相对于目标的角度信息,然后进行融合实现定位目标。采用此种定位算法,机器人相对目标的距离越近、相邻机器人与目标之间的夹角越均匀,目标的定位精度越高。然而由于目标与机器人分布的随机性,在定位的过程中,通常无法同时保证机器人相对目标距离最近、夹角最优。那么如何实现多机器在探测目标过程中,每个时刻机器人对目标的定位精度最优?提出了多机器人最优探测路径规划算法。每个机器人在单位时间内按直线移动,那么机器人下一时刻的位置轨迹,即以当前位置为圆心的圆。根据机器人定位的精度模型标准,采用内点优化算法求解得到圆上的一点,使得精度模型标准取得最优值,即定位精度精度最高,这点即为下一时刻机器人的位置。由此不断求得机器人下一时刻的位置,即可获得机器人移动的路径。仿真结果表明,算法能够实现在多机器人探测定位目标过程中,协同路径规划保证每个时刻目标定位精度最优。     

可自动回撤煤矿探测机器人设计

为了解决煤矿井下探测机器人工作行程受限的难题,设计了一种可自主延长通信距离和自动回撤的煤矿探测机器人。当无线控制信号减弱时,机器人通过中继器弹射系统延长其无线通信距离;当无线控制信号突然中断时,机器人启动自动回撤功能,根据探测过程中已经记录的传感器数据按原路径回撤,自动回撤到安全位置。机器人自动回撤功能采用编码器与激光传感器数据集成的方法,并使用ICP算法进行双重数据匹配,以逐步调整机器人的位置和方向角,实现较高的回撤精度。测试结果表明,该机器人具有工作行程距离长的特点和自动回撤功能,可以在未知的煤矿灾难现场稳定、安全地工作,可替代煤矿救援人员深入煤矿井下完成初期危险的探测工作,为进一步的救援提供重要的现场数据信息。     

钻孔救援高速调制解调器设计

针对钻孔救援中铠装电缆作为通信线路存在通信速率低的问题,设计了一种高速调制解调器。该高速调制解调器以DSP芯片TMS320F2812为核心,结合可编程逻辑器件FPGA进行信号的采样与捕获,并运用二进制振幅键控调制解调方式,对传输的基带信号进行载波调制与解调。测试结果表明,在1 000m长的救援通信线路中,该高速调制解调器可有效提升信号的传输速率及抗干扰性,数据传输速率高于1 Mbit/s。     

Mobile robots in mine rescue and recovery

Mining accidents have occurred since the early days of mining. Therewere a total of 525 mining disasters (incidents with five or more fatalities) in both coal and metal/nonmetal mines from 1900 through 2007 in the United States, resulting in 12,823 fatalities [1]. Most of these disasters involve mine rescue teams, which are specially trained to perform search and rescue operations in extremely hostile environments. Robots have a great potential to assist in these underground operations, searching ahead of rescue teams and reporting conditions that may be hazardous to the teams. When explosive conditions exist or when heavy smoke or unstable ground conditions prevent team members from entering a mine, robots can become an invaluable tool.     

煤矿救援机器人结构设计及分析

针对矿井地貌环境的非结构性和复杂性,为了提高救灾机器人的越障能力和实际救援能力,分析了轮式救援机器人行走系统的力学系统原理,提出了机器人六轮行走机构的设计方案。六轮移动机器人采用电动推杆为升降系统提供动力;采用独立悬挂系统,减小了车身的倾斜和震动;采用集中控制-分布驱动方式,有利于运动机构性能的发挥;能够根据地形特征调整自己的底座结构,有很强的越障能力和对非结构化地形的适应能力。     

煤矿救援机器人结构设计及分析

针对矿井地貌环境的非结构性和复杂性,为了提高救灾机器人的越障能力和实际救援能力,分析了轮式救援机器人行走系统的力学系统原理,提出了机器人六轮行走机构的设计方案。六轮移动机器人采用电动推杆为升降系统提供动力;采用独立悬挂系统,减小了车身的倾斜和震动;采用集中控制-分布驱动方式,有利于运动机构性能的发挥;能够根据地形特征调整自己的底座结构,有很强的越障能力和对非结构化地形的适应能力。     

Real-time motion detection based on SW/HW-codesign for walking rescue robots

In a rescue operation walking robots offer a great deal of flexibility in traversing uneven terrain in an uncontrolled environment. For such a rescue robot, each motion is a potential vital sign and the robot should be sensitive enough to detect such motion, at the same time maintaining high accuracy to avoid false alarms. However, the existing techniques for motion detection have severe limitations in dealing with strong levels of ego-motion on walking robots. This paper proposes an optical flow-based method for the detection of moving objects using a single camera mounted on a hexapod robot. The proposed algorithm estimates and compensates ego-motion to allow for object detection from a continuously moving robot, using a first-order-flow motion model. Our algorithm can deal with strong rotation and translation in 3D, with four degrees of freedom. Two alternative object detection methods using a 2D-histogram based vector clustering and motion-compensated frame differencing, respectively, are examined for the detection of slow- and fast-moving objects. The FPGA implementation with optimized resource utilization using SW/HW codesign can process video frames in real-time at 31 fps. The new algorithm offers a significant improvement in performance over the state-of-the-art, under harsh environment and performs equally well under smooth motion.     

矿井救灾机器人自主定位方法研究

介绍了矿井救灾机器人自主定位系统的构成和基于航迹推算的自主定位方法,提出了改进的自主定位方法,即使用具备衰减指数因子的有限记忆卡尔曼方法,并以逐级滤波的方式融合多传感器信息。Matlab仿真结果表明,该方法可以稳定地实现0.5m的跟踪精度;通过实体机器人实验验证了本文提出的矿井救灾机器人自主定位方法的有效性。     

煤矿救灾机器人灾变环境侦测技术探讨

在分析传统的煤矿救灾机器人突水水源、火灾及瓦斯浓度侦测技术原理和特点的基础上,提出了基于无线自组网的煤矿救灾机器人突水水源侦测方法、基于大数据的煤矿救灾机器人火灾侦测方法、基于多源信息融合的煤矿救灾机器人瓦斯浓度侦测方法,可有效提高煤矿救灾机器人突水水源、火灾及瓦斯浓度侦测的准确率。指出了煤矿救灾机器人灾变环境侦测技术将深度融合云计算、人工智能、物联网等现代信息技术,从而全面提升煤矿救灾机器人灾变环境侦测结果的可靠性。     

煤矿救灾机器人动力电源研究

针对机器人电源系统的需求,分析并比较了磷酸铁锂电池、超级电容以及磷酸铁锂电池并联超级电容的混合电源的性能,认为磷酸铁锂电池较适合作为煤矿救灾机器人的动力电源;研究了磷酸铁锂电池的小电流放电特性,建立了相应的放电模型,并据此对24V,40A.h的电池进行理论计算,得出结论:放电电流在30A以下时,电池自身消耗的能量可以控制在12%以下,降低输出电流可以降低电池自身的能量消耗,增加输出的能量。     

Rats, robots, and rescue

In early May, media inquiries started arriving at my office at the Center for Robot-Assisted Search and Rescue (www.crasar.org). Because I'm CRASAR's director, I thought the press was calling to follow up on the recent humanitarian award given to the center's founder, John Blitch, for successfully using small, backpackable robots at the World Trade Center disaster. Instead, I found they were asking me to comment on the "roborats" study in the 2 May 2002 Nature. In this study, rats with medial force brain implants underwent operant conditioning to force them into a form of guided behavior, one aspect of which was thought useful for search and rescue. The article's closing comment suggested that a guided rat could serve as both a mobile robot and a biological sensor. Although a roboticist by training, I'm committed to any technology that will help save lives while reducing the risk to rescuers. But rats?.