基本信息
- 項目名稱：
- 自組網(wǎng)煤礦救災(zāi)機器人
- 小類：
- 信息技術(shù)
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 煤礦事故發(fā)生后，環(huán)境的復(fù)雜性和危險性使得救援人員無法接近現(xiàn)場進行偵查或施救。本項目針對這一應(yīng)用背景，設(shè)計了自組網(wǎng)煤礦救災(zāi)機器人，機器人采用多段履帶可變結(jié)構(gòu)設(shè)計，在復(fù)雜地形環(huán)境下具備優(yōu)秀的通過能力；可深入井下通過自組網(wǎng)方式建立通信鏈路，以解決遠距離通信的難題；機器人帶有功能完備的環(huán)境監(jiān)測器、生命探測器和音視頻采集裝置，實現(xiàn)事故現(xiàn)場環(huán)境的遠程監(jiān)測評估，為救援活動提供決策依據(jù)，有效地提高災(zāi)難救援的效率。
- 詳細介紹：
- 本項目從煤礦事故現(xiàn)場的實際環(huán)境出發(fā)，設(shè)計了帶有翻轉(zhuǎn)臂機構(gòu)的可變結(jié)構(gòu)履帶機器人，研發(fā)了機器人底層驅(qū)動和運動控制系統(tǒng)，增強了機器人在復(fù)雜地形條件下的通過能力。救災(zāi)機器人以PC104工控計算機為控制核心，搭載了環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)、音頻和視頻采集系統(tǒng)。環(huán)境監(jiān)測器以ARM處理器為核心，包含了礦用溫度、濕度、氣壓、一氧化碳、甲烷、氧氣、粉塵等傳感器，并預(yù)留8路全時功能復(fù)用，增強擴展能力；同時具備生命探測功能，可及時發(fā)現(xiàn)并定位井下被困人員；采用IEEE 802.11n標準組建無線通信網(wǎng)絡(luò)作為數(shù)據(jù)傳輸通道，設(shè)計制作了網(wǎng)絡(luò)中繼節(jié)點，在此基礎(chǔ)上以WDS組網(wǎng)方式建立高速、穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)鏈路?；贏RM嵌入式平臺和Android操作系統(tǒng)設(shè)計了救災(zāi)機器人的手持終端，該手持終端通過C/S網(wǎng)絡(luò)模型與救災(zāi)機器人之間進行數(shù)據(jù)交換。視頻信號以H.264壓縮編碼格式通過RTP實時傳輸控制協(xié)議發(fā)送到手持終端，救災(zāi)人員可通過功能完備的手持終端查看事故現(xiàn)場的環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)和音頻視頻信息，并可對機器人進行遠程控制，提高了救援工作的效率和安全性。 該自組網(wǎng)救災(zāi)機器人已經(jīng)完成原型制作并進行了功能測試，目前正與煤炭科學(xué)研究院沈陽分院聯(lián)合進行本質(zhì)安全和隔爆設(shè)計，獲得證書后可以下井測試并進行推廣應(yīng)用。
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
- 創(chuàng)新點： （1）可變結(jié)構(gòu)多段履帶設(shè)計：四段履帶擺臂機器人可通過旋轉(zhuǎn)臂的運動調(diào)整高度和姿態(tài)，在復(fù)雜環(huán)境下具備優(yōu)異的通過能力； （2）具備無線自組網(wǎng)功能：采用了IEEE802.11n無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，以WDS方式自組網(wǎng)，實現(xiàn)井下長距離、高速數(shù)據(jù)通信； （3）功能完善的環(huán)境監(jiān)測器：包含了大部分井下常用傳感器，預(yù)留8路傳感器輸入接口，8路接口可實現(xiàn)全時功能復(fù)用。 （4）功能完善的手持終端：手持終端輕便小巧、功能完善。不但可以控制機器人在井下作業(yè)，還能獲取井下環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)、音頻和視頻信息。 技術(shù)關(guān)鍵： （1）可變結(jié)構(gòu)履帶機器人機械結(jié)構(gòu)設(shè)計 （2）無線網(wǎng)絡(luò)中繼和自組網(wǎng)方法 （2）多功能環(huán)境監(jiān)測器的研制 （3）基于Android系統(tǒng)的遠程控制終端的實現(xiàn) 主要技術(shù)指標： （1）尺寸：300*450*100mm （2）重量： 20kg （2）運行時間：4小時 （3）最大速度：40米/分鐘 （4）執(zhí)行結(jié)構(gòu)：多段履帶 （5）能源動力：24V動力鋰電池 （6）超聲波測距：20cm至4m （7）圖像清晰度：420線 （8）照明系統(tǒng)：5W LED （9）拾音距離：5m （10）通信距離：2km （11）通信速率：5-142Mbps （12）生命探測范圍：2-6米，360° （13）環(huán)境監(jiān)測：溫度、濕度、氧氣濃度、一氧化碳濃度、甲烷濃度、粉塵等 （14）工作環(huán)境：道路、斜坡、臺階、巖石、沙地、鐵軌、泥濘、凹陷、溝渠 （15）工作溫度：-10℃~80℃
科學(xué)性、先進性
- （1）采用可變結(jié)構(gòu)多段履帶設(shè)計，在道路、斜坡、臺階、巖石、沙地、鐵軌、泥濘、凹陷、溝渠等復(fù)雜環(huán)境下具備優(yōu)異的通過能力，可以翻越高度大于或深度小于自身兩倍的障礙物或深度，處于國內(nèi)領(lǐng)先水平； （2）采用了IEEE802.11n無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，以WDS方式自組網(wǎng)，井下通信距離最高可達2000m，在國內(nèi)尚屬首創(chuàng)； （3）制作了功能完善的環(huán)境監(jiān)測器，該監(jiān)測器包含了礦用溫度、濕度、氧氣濃度、一氧化碳濃度、甲烷濃度、粉塵等大部分井下常用傳感器，為便于系統(tǒng)擴展，還預(yù)留了8路傳感器輸入接口，8路接口可實現(xiàn)全時功能復(fù)用，在類似設(shè)備中功能和性能指標處于領(lǐng)先水平； （4）機器人搭載了自主研發(fā)的生命探測器，可以井下被困人員實現(xiàn)360度探測，探測距離最大可達6m，對靜止目標識別率高，誤報率低，達到了國內(nèi)先進水平。
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 2011年5月，遼寧省“挑戰(zhàn)杯”大學(xué)生課外學(xué)術(shù)作品競賽特等獎
作品所處階段
- 中試階段： 完成原型制作和功能測試，目前正與煤炭科學(xué)研究院沈陽分院聯(lián)合進行本質(zhì)安全和隔爆設(shè)計
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 專利授權(quán)、合作生產(chǎn)
作品可展示的形式
- 實物、產(chǎn)品；現(xiàn)場演示；圖片；錄像
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
- 自組網(wǎng)煤礦救災(zāi)機器人系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，對井下復(fù)雜環(huán)境適應(yīng)能力強，彌補了現(xiàn)有煤礦救災(zāi)機器人的多種不足，能夠幫助救援人員迅速、準確地開展救災(zāi)活動，為救災(zāi)工作提供決策依據(jù)，有效地提高災(zāi)難救援的效率。在礦難救援中應(yīng)用本系統(tǒng)，對救災(zāi)工作的高效開展和保障救援人員自身安全都具有重要的意義，能夠極大地提高煤礦事故應(yīng)急處理和救災(zāi)能力。 該自組網(wǎng)救災(zāi)機器人已經(jīng)完成原型制作并進行了功能測試，實踐證明系統(tǒng)運行有效可靠，目前正在與煤炭科學(xué)研究院沈陽分院聯(lián)合進行本質(zhì)安全和隔爆設(shè)計，獲得證書后可以下井測試并進行推廣應(yīng)用。我們將進一步完善產(chǎn)品，使其早日為我國煤礦事故救援活動貢獻力量。
同類課題研究水平概述
- 1、國外研究狀況 美國智能系統(tǒng)與機器人中心開發(fā)的礦井探索機器人 RATLER安裝了紅外攝像機、無線射頻信號收發(fā)器、危險氣體傳感器，采用遙控方式控制。1998 年，曾在井下進行了試驗，無線直線遙控距離僅為 76 米，通信距離較短。未見其在煤礦應(yīng)用的新報道。 美國佛羅里達大學(xué)研制的礦井搜索機器人Simbot可攜帶數(shù)字低照度攝像機和基本氣體監(jiān)視組件，發(fā)現(xiàn)受害礦工，探測氧氣和甲烷氣體含量。但是該機器人體積較小，其運動距離、續(xù)航能力和通信距離等受到嚴重制約。 美國卡內(nèi)基梅隆大學(xué)機器人研究中心開發(fā)的全自主礦井探測機器人土撥鼠，主要用途是探測井下環(huán)境，精確繪制井下立體地圖。該機器人使用普通輪式結(jié)構(gòu)，對復(fù)雜地形的適應(yīng)能力弱，難以滿足煤礦事故救災(zāi)的要求。 Remotec 公司制造的 V2 煤礦救援機器人，安裝有導(dǎo)航和監(jiān)控攝像機、氣體傳感器和一個機械臂，具有夜視能力和兩路語音通訊功能。使用光纖傳送礦井環(huán)境信息和視頻信息。但該機器人體積龐大，難以在事故后狹窄的巷道中運行。 2、國內(nèi)研究狀況 中國礦業(yè)大學(xué)研制的 CUMT-Ⅰ型礦井搜救機器人，是我國第一臺用于煤礦救援的機器人。該機器人裝備有低照度攝像機、氣體傳感器和溫度傳感器等設(shè)備。但是該機器人采用點對點遙控方式進行控制，不具備自組網(wǎng)能力，在井下有效控制距離僅為300米。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)機器人研究所為唐山開誠電器有限公司研制了煤礦井下探測機器人。該機器人為三節(jié)履帶機構(gòu)形式，具備井下視頻音頻信號采集及溫度、風(fēng)速、CO、CH4 傳感器的數(shù)據(jù)采集功能。該機器人使用礦用電纜進行供電和數(shù)據(jù)傳輸，運動能力和通信距離收到電纜的嚴重制約。 山東省科學(xué)院自動化研究所、沈陽新松機器人自動化有限公司研制的井下探險搜救機器人搭載了三自由度的機械臂，在其末端安裝了探測傳感器、紅外攝像頭、音頻設(shè)備等。機器人采用光纖通信，制約了通信距離和機器人的活動能力。 此外，山東大學(xué)針對履帶式井下探測機器人的底層控制系統(tǒng)進行了研究與設(shè)計。成都理工大學(xué)提出了一套搜救機器人的標準描述方法，形成搜救機器人的最瘦特征描述表。西安科技大學(xué)對適合煤礦救援機器人的礦山地理信息系統(tǒng)進行了研究。
