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废墟搜索与辅助救援系列机器人
2017-09-08 08:43:47 来源: 作者:科学技术处 【 】 浏览:1751次 评论:0
    一、成果概况
    我国是一个自然灾害频发的国家,曾给人民生命财产造成巨大损失。历史救援案例总结,迫切需要高技术装备解决地震现场灾情信息快速获取、辅助科学决策与调度、幸存者快速搜索定位及幸存者安全营救等关键问题。
    针对地震现场救援灾情信息获取和幸存者搜索定位这一关键技术问题,开展了广泛的国内外调研,在需求分析和新技术调研的基础上,提出了引入机器人技术研制地震救援高技术装备的新思路。2007年,中国地震应急搜救中心与中国科学研究院沈阳自动化所、上海大学、北京航空航天大学等科研院所和高校,联合申报了国家863计划先进制造领域重点研发项目《废墟搜索与辅助救援系列机器人》。通过三年的努力,攻克了“面向复杂非结构化场景的三维自主重构、基于高程图的自主运动规划、集成偏摆机构和尾部推进机构、可变形履带式行走机构、多轴运动伺服控制与保护系统、多节点投放机构、典型地震废墟场景构建、基于GIS技术的多路载荷信息无线视频传输系统”等关键性核心技术,共同开发研制出我国第一批空中搜索探测飞行机器人、废墟缝隙搜索机器人、废墟洞穴搜索机器人和废墟表面搜索机器人等系列机器人工程样机,探索出一条科学、可行、实用的研究路线与方法,取得了十多项国家发明专利,填补了国内地震应急救援领域高技术装备的空白。废墟搜索与辅助救援系列机器人可根据废墟环境条件替代人类进入废墟开展搜索幸存者、有毒有害物质检测、传送救生食品药品、输送生命给养、投放救灾物资、快速大范围信息获取等方面代替人进入危险现场的执行救援任务,从而提高救援效率并有效保护施救人员安全。针对搜救机器人各项功能及作业特点,建设了国内第一个地震辅助搜救机器人综合性能试验与测试评价的典型模拟地震废墟场景,搭建了基于GIS技术的机器人辅助救援信息处理平台,研发了机器人综合性能测试评价软件系统,可满足搜救机器人开展不同科目的实验与测试。
    二、主要创新点
    1、适应废墟环境条件的系列废墟搜索与辅助救援机器人
    将用户需求和当时国际先进技术水平紧密结合,面向地震应急救援实际应用,确定合理的任务目标和技术参数指标,充分考虑各参加单位的技术优势和技术储备,进行任务分解。其次,根据地震后废墟现场的复杂情况,针对不同应用环境如废墟表面、内部和缝隙的搜索与辅助救援技术的迫切需求,提出研制可在废墟表面运动、可进入废墟内部运动、可在废墟缝隙间运动的三种机器人系统的功能要求和技术指标,成功研制出具有完全自主知识产权的“废墟缝隙搜索机器人、废墟洞穴搜索机器人、废墟表面搜索机器人和空中搜索探测飞行机器人”工程新机,填补了国内空白。
    2、基于CAN总线的控制系统
    机器人上采用集闭环控制、驱动于一体的驱动器,体积小巧,支持CAN2.0B协议,可以与工控机连接在一起,构成基于CAN总线的控制系统,具有结构简单,扩展方便的特性。
    3、基于Pelco协议的云台远程遥控
    地面站端可以控制车体云台的旋转、俯仰动作,并控制摄像机的视角,提高了对目标的搜索效率。
    4、模块化、可变形的新型仿生机构
    废墟洞穴搜索与辅助救援机器人首次将可变形概念应用于地震灾后搜救,是国内第一台面向废墟洞穴搜救的机器人系统,主要技术指标达到目前国内先进水平。模块化、可变形的仿生创新机构、一种可移动的机器人化生命探测设备是本课题的一大亮点。
    5、多功能搜索与辅助营救机构
    废墟缝隙搜索机器人同时具备了视频、音频、氧气输送和营养液输送等4种功能,实现功能集成创新,目前国内外仍无同类研究报道。
    6、废墟表面搜索机器人,采用4履带腿复合机构形式,具有很强的地形通过和抗倾翻能力。可搭载光学、声音、气体、生命、废墟环境重构、目标操作等应用载荷,完成多种救援任务。
    研制出轻量化废墟场景在线重构系统,可搭载于废墟救援机器人,用于机器人路径规划和远程操作,也可由救援人员携带,作为救援装备,用于洞穴、坍塌建筑内部等危险废墟环境信息探测。
    7、研制了空中搜索探测飞行机器人飞行平台和自主飞行控制系统,实现了全自主起降、定点悬停、超视距航迹飞行,具备较强的抗风扰、抗低温雨雪的野外环境适应能力;集成了搜索探测可见光和红外载荷,实现了大范围灾情信息获取和重点区域定点侦察观测功能。
    8、建设了国内第一个地震辅助搜救机器人综合测试与评价实验室。该实验室主要包括:模拟地震废墟场景、测试监控系统、数据采集系统、效能评价系统和显示系统。其中模拟地震废墟环境具有模块化、可重构的功能,可组合多种废墟场景,可满足不同类型机器人开展不同功能科目的重复性实验。并实现了机器人试验与测试的全方位监控追踪和实验数据的自动采集分析与评价,可为各类搜救机器人开展不同科目的实验与测试提供服务。同时获取和积累大量实验数据,对未来搜索类机器人装备的功能改进和营救类机器人装备的开发研制提供了科学依据。
    三、应用效益及前景
    2013年4月20日8点15分四川省雅安市芦山县发生7.0级地震,本项目成果空中搜索飞行机器人和废墟搜索可变形洞穴机器人第一时间随着国家地震灾害紧急救援队奔赴灾区执行现场搜索任务,其中空中飞行机器人对灾区现场进行大范围宏观灾情调查及重点目标的详细勘察,实时提供了拥堵道路和房屋倒塌的视频信息,为我救援队开展搜索排查救援决策提供了科学依据,也为当地政府的抗震救灾和灾民安置工作提供了决策依据。
    这是863项目成果首次在地震现场实际救援工作中应用,废墟搜索与辅助救援系列机器人配合国家地震专业救援队伍开展现场灾情快速获取和在危险废墟内部搜索幸存者,有效地提高了地震现场救援工作效率,受到了国家地震紧急救援队、中国地震局领导的高度评价,同时受到了科技部领导的高度关注。
    中国地震局专家携带废墟搜救可变形机器人,参加了科技部组织的2014年“科技列车湘西行”和2015年“科技列车赣南行”等科普活动,参加了北京市2015年“防灾减灾日”活动,提高了公众对地震救援机器人的认识,获得了良好的社会效益。
    另外,废墟搜索与辅助救援机器人系统还面向地震应急救援,通过参与专业救援队的培训和演练开展示范应用,通过多次在地震灾害训练废墟和地震救援演习中的应用中完成了各项功能测试,取得了较好的应用效果。
    同时,本研究成果正在开展产品化研究,针对实际应用环境的复杂性和多样性开展针对性的优化改进,进一步提高安全性、可靠性和稳定性,产业化工作也正在规划之中,已与相关有意向的企业进行了接洽。
    四、成果信息
    1、获奖情况
    废墟搜索与辅助救援机器人系统,2014年获得中国地震局防震减灾科技成果二等奖。
    2、项目来源
    国家863计划。
    3、成果完成单位:
    中国地震应急搜救中心、中国科学院沈阳自动化研究所、中国科学院自动化研究所、中国科学院合肥物质科学研究院、上海大学和北京航空航天大学。

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地震辅助搜救机器人综合性能试验与测试评价实验室

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空中飞行机器人在四川芦山地震现场救援中

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可变形洞穴机器人在在四川芦山地震现场救援中

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可变形洞穴机器人在在四川芦山地震现场救援中

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多功能缝隙机器人工程样机

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空中飞行机器人在四川芦山地震现场救援中

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搜救机器人在科技列车赣南行活动中深受中小学生欢迎
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