基本信息
- 項目名稱：
- 礦用救災(zāi)蛇形機器人
- 小類：
- 機械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- “礦用救災(zāi)蛇形機器人”是針對我國地礦資源豐富，賦存條件復雜，頻發(fā)礦難和震災(zāi)的現(xiàn)實研制的。作品主要用于礦災(zāi)或地震后極端環(huán)境的探測搜救工作。作品體積小，結(jié)構(gòu)簡單，能實現(xiàn)模擬生物蛇的多種真實運動形態(tài)，其各電路模塊具有保證井下瓦斯環(huán)境下的本質(zhì)安全和自安防爆功能。通過智能系統(tǒng)的控制和搭建傳感測量系統(tǒng)，能進行災(zāi)后極端環(huán)境下的多維時空事故信息探測和人員搜救，為搶救方案的制定決策提供最直接依據(jù)，有效節(jié)約挽救礦難人員的時間。
- 詳細介紹：
- 作品實現(xiàn)功能：蜿蜒前行/后退、鉆洞、越障、側(cè)移、蠕動、爬坡、抬頭、擺頭、攀爬、纏繞等；外界多種時空信息獲取功能(瓦斯?jié)舛?、溫度、視覺等信息的無線探測、傳輸)。 作品特色：機器蛇控制系統(tǒng)和機械系統(tǒng)的井下本質(zhì)安全和自安防爆功能，保證了作品在井下使用的可能前景。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標
- 目的：研制用于礦災(zāi)、震災(zāi)后極端環(huán)境下的探測搜救的機器蛇，以適應(yīng)非結(jié)構(gòu)環(huán)境的不可預(yù)測和危險性；通過人機互動深入環(huán)境內(nèi)部執(zhí)行任務(wù)，獲取現(xiàn)場信息，并有效傳輸。 思路：①在充分掌握國內(nèi)外文獻的基礎(chǔ)上，對蛇形運動形態(tài)進行理論分析，建立運動形態(tài)的運動學、動力學模型，并用機構(gòu)學原理進行多種運動模態(tài)設(shè)計。②用Pro/E進行運動學、動力學分析；為各關(guān)節(jié)節(jié)點控制提供轉(zhuǎn)角坐標。③圖紙設(shè)計、實物制作。④多種運動模式的編程，通過其多種運動模式的無線控制、自主避障及運動方式切換，以滿足其在非結(jié)構(gòu)環(huán)境中的自適應(yīng)性。⑤完成機器蛇的機構(gòu)運動調(diào)試、控制程序調(diào)試和系統(tǒng)整體調(diào)試。 創(chuàng)新點：①應(yīng)用前景創(chuàng)新：自然災(zāi)害——礦井災(zāi)害和地震的頻發(fā)，當事故發(fā)生后，必須用有限的時間和資源對生存者搜救和礦難現(xiàn)場復雜環(huán)境信息探測，以贏得寶貴的搶救生命的時間。②研究思路創(chuàng)新：Pro/E輔助設(shè)計驗證三維機器蛇機構(gòu)運動仿真的正確性。③實踐特色創(chuàng)新：機器蛇的功能實現(xiàn)是建立在保證井下瓦斯環(huán)境下的本質(zhì)安全和自安防爆功能的基礎(chǔ)上。獨特的攀爬和纏繞能保持機器蛇在垂直表面靜止不下落。 技術(shù)關(guān)鍵：實現(xiàn)機器蛇三維空間運動的機構(gòu)設(shè)計和結(jié)構(gòu)實現(xiàn)；實現(xiàn)多種運動模式的物理控制和自主避障及無線信息采集、傳輸和處理；各電路模塊的本質(zhì)安全和自安防爆功能。攀爬和纏繞功能的自鎖特性。 主要技術(shù)指標：實現(xiàn)生物蛇幾類基本的運動模式：蜿蜒前行/后退、鉆洞、越障、沙地側(cè)移、爬坡、抬頭、攀爬、纏繞等。主要控制參數(shù)：機器蛇的運動形態(tài)參數(shù)、不同模式的運動速度及運動路線。
科學性、先進性
- 科學性：在分析蛇的多種運動形態(tài)：蜿蜒、蠕動、側(cè)擺、攀爬和纏繞，用機構(gòu)設(shè)計出機器蛇的關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，通過Pro/E仿真模擬，設(shè)置機器蛇運動模式的相鄰和過渡波形，使其身體關(guān)節(jié)沿合力方向排列，減小前進阻力，實現(xiàn)機器蛇的仿真爬行及三維空間關(guān)節(jié)運動控制；以此對機器蛇模型進行計算，得到影響機器蛇爬行速度的主要影響參數(shù)。機器蛇的各電路模塊具有保證井下瓦斯環(huán)境下的本質(zhì)安全和自安防爆功能。 先進性：作品可模擬真蛇的幾類生物運動，實現(xiàn)了機器蛇運動模式的多樣性，使其對環(huán)境的自適應(yīng)能力強；作品結(jié)構(gòu)簡單，具有模塊化和可重組特點，重心驅(qū)動的特點使其運動更靈活性，運動平穩(wěn)度高；各電路模塊具有本質(zhì)安全和自安防爆特性。機器蛇通過人機互動實現(xiàn)了狹小物理空間環(huán)境的內(nèi)部多維時空信息探測，并能有效傳輸。機器蛇獨特的攀爬和纏繞及其自鎖特性，使其在實際礦災(zāi)搜救的任務(wù)中能表現(xiàn)得更靈活。
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 2009年3月在學院挑戰(zhàn)杯預(yù)賽中獲一等獎； 2009年4月在學校舉辦的第三屆挑戰(zhàn)杯決賽中獲一等獎； 2009年5月在鄭州大學舉辦的河南省第七屆挑戰(zhàn)杯比賽中獲一等獎。
作品所處階段
- 第三代機器蛇研制改進階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
作品可展示的形式
- 現(xiàn)場演示
使用說明,技術(shù)特點和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預(yù)測
- 使用說明：通過上位機調(diào)用運動程序模塊實現(xiàn)機器蛇不同運動模式。信息采集模塊實時現(xiàn)場信息采集，并根據(jù)需要進行無線傳輸，進而實現(xiàn)其無線控制，進行信息探測及人員搜救。 技術(shù)特點：機器蛇體積小、運動靈活、通過無線傳輸指令能實現(xiàn)生物蛇的多種運動模式，實現(xiàn)事故現(xiàn)場多維信息采集和傳輸。 優(yōu)勢：①體積小、重心驅(qū)動使其有良好的適應(yīng)性。②多類運動形式，適應(yīng)多種環(huán)境作業(yè)。③模塊化設(shè)計提高系統(tǒng)的可裝配性、可靠性和維護性。④結(jié)構(gòu)可密封，適于極端環(huán)境作業(yè)。 適應(yīng)范圍：極端環(huán)境下，如礦災(zāi)后人員搜救及現(xiàn)場信息探測；狹小空間信息探測；星際探索等對非結(jié)構(gòu)環(huán)境的探測等。 應(yīng)用前景：煤炭行業(yè)采空區(qū)內(nèi)瓦斯?jié)舛鹊牟蓸雍头治觯坏V災(zāi)等事故后極端環(huán)境下的搜救；軍事偵察、地下管道等非結(jié)構(gòu)環(huán)境下作業(yè)。 市場分析和效益預(yù)測：機器蛇體積小，運動靈活，可對現(xiàn)實和科學研究中許多不能到達或不能直接觀察的地方進行信息探測。管道機器人就是機器蛇的一種，隨該技術(shù)的發(fā)展，機器蛇會在科學研究和現(xiàn)實生活中扮演越來越重要的角色。
同類課題研究水平概述
- 第一臺機器蛇由東京工業(yè)大學在1972年研制。它由電機驅(qū)動的單自由度關(guān)節(jié)串聯(lián)而成，每一關(guān)節(jié)安裝一對被動輪，用以改變機器蛇運動的縱橫摩擦系數(shù)比，可實現(xiàn)平面蜿蜒運動。而后的幾代樣機，如ACM-R2采用差動驅(qū)動的兩自由度關(guān)節(jié)實現(xiàn)三維空間運動；ACM-R3由單關(guān)節(jié)模塊回轉(zhuǎn)軸線互相垂直連接實現(xiàn)直接單元驅(qū)動，能完成平面蜿蜒運動、側(cè)向滾動、螺旋運動、近S曲線等運動形式。 其后，美國加利福尼亞學院的Chrikjian從超冗余度角度對機器蛇的機構(gòu)和運動理論研究，提出采用變幾何珩架結(jié)構(gòu)（VGT）作為機器蛇的基本構(gòu)架形式。日本NEC公司開發(fā)研制的一種由剛性體關(guān)節(jié)相連的機器蛇機構(gòu)能完成三維空間運動；但因剛性體單元較長，它不能仿生物蛇的運動。后來美國的JPL實驗室采用NEC的設(shè)計研制JPL機器蛇，用于空間站探索。德國KarlL.Paap研制(GMD)，該樣機每節(jié)由兩個橡膠關(guān)節(jié)組成，一個單元有四組驅(qū)動實現(xiàn)了各方向的靈活運動，缺點是由于抬起的重力，關(guān)節(jié)產(chǎn)生失控的扭動。美國NASA改進卡耐基梅隆大學(CMU) 研制的機器蛇，實現(xiàn)了多種運動。法國、意大利、瑞士等各國學者相繼開展了相關(guān)課題的研究。 國內(nèi)，上海交通大學于1999年研制出我國第一臺微小型機器蛇樣機。北京航空航天大學研制出一個電機驅(qū)動、計算機控制、特殊鉸桿式同步萬向節(jié)連接的6自由度柔性臂RT-1柔體機器蛇。中科院沈陽自動化所機器人開放實驗室提出的可重構(gòu)機器蛇設(shè)計采用正交串聯(lián)結(jié)構(gòu)，可完成蠕動、游動、滾轉(zhuǎn)等運動。國防科技大學研制的機器蛇在國內(nèi)報道最早，由最初的二維結(jié)構(gòu)、依靠從動輪前進，發(fā)展到現(xiàn)在的能在水中游動。燕山大學研制出具有并聯(lián)機構(gòu)的機器蛇。2008年上海交通大學實現(xiàn)了機器蛇的纏繞功能。 目前機器蛇的研究正朝以下方向發(fā)展：用可重構(gòu)結(jié)構(gòu)具有的通用性、魯棒性和經(jīng)濟性實現(xiàn)要完成未知任務(wù)的自決策重構(gòu)功能，以適應(yīng)環(huán)境變化；運動自主控制實現(xiàn)主體協(xié)調(diào)通訊和其它模塊協(xié)調(diào)通訊；能量自給功能實現(xiàn)對自身傳感器和執(zhí)行器的控制，使機器蛇小型和輕型化，解決其長時間能量自給。
