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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 礦用救災(zāi)蛇形機(jī)器人
- 小類：
- 機(jī)械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡(jiǎn)介：
- “礦用救災(zāi)蛇形機(jī)器人”是針對(duì)我國地礦資源豐富，賦存條件復(fù)雜，頻發(fā)礦難和震災(zāi)的現(xiàn)實(shí)研制的。作品主要用于礦災(zāi)或地震后極端環(huán)境的探測(cè)搜救工作。作品體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能實(shí)現(xiàn)模擬生物蛇的多種真實(shí)運(yùn)動(dòng)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(cè)量系統(tǒng)，能進(jìn)行災(zāi)后極端環(huán)境下的多維時(shí)空事故信息探測(cè)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(shí)間。
- 詳細(xì)介紹：
- 作品實(shí)現(xiàn)功能：蜿蜒前行/后退、鉆洞、越障、側(cè)移、蠕動(dòng)、爬坡、抬頭、擺頭、攀爬、纏繞等；外界多種時(shí)空信息獲取功能(瓦斯?jié)舛?、溫度、視覺等信息的無線探測(cè)、傳輸)。 作品特色：機(jī)器蛇控制系統(tǒng)和機(jī)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(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 目的：研制用于礦災(zāi)、震災(zāi)后極端環(huán)境下的探測(cè)搜救的機(jī)器蛇，以適應(yīng)非結(jié)構(gòu)環(huán)境的不可預(yù)測(cè)和危險(xiǎn)性；通過人機(jī)互動(dòng)深入環(huán)境內(nèi)部執(zhí)行任務(wù)，獲取現(xiàn)場(chǎng)信息，并有效傳輸。 思路：①在充分掌握國內(nèi)外文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)蛇形運(yùn)動(dòng)形態(tài)進(jìn)行理論分析，建立運(yùn)動(dòng)形態(tài)的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)模型，并用機(jī)構(gòu)學(xué)原理進(jìn)行多種運(yùn)動(dòng)模態(tài)設(shè)計(jì)。②用Pro/E進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)分析；為各關(guān)節(jié)節(jié)點(diǎn)控制提供轉(zhuǎn)角坐標(biāo)。③圖紙?jiān)O(shè)計(jì)、實(shí)物制作。④多種運(yùn)動(dòng)模式的編程，通過其多種運(yùn)動(dòng)模式的無線控制、自主避障及運(yùn)動(dòng)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(jī)器蛇的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)調(diào)試、控制程序調(diào)試和系統(tǒng)整體調(diào)試。 創(chuàng)新點(diǎn)：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(dāng)事故發(fā)生后，必須用有限的時(shí)間和資源對(duì)生存者搜救和礦難現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜環(huán)境信息探測(cè)，以贏得寶貴的搶救生命的時(shí)間。②研究思路創(chuàng)新：Pro/E輔助設(shè)計(jì)驗(yàn)證三維機(jī)器蛇機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真的正確性。③實(shí)踐特色創(chuàng)新：機(jī)器蛇的功能實(shí)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(dú)特的攀爬和纏繞能保持機(jī)器蛇在垂直表面靜止不下落。 技術(shù)關(guān)鍵：實(shí)現(xiàn)機(jī)器蛇三維空間運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)；實(shí)現(xiàn)多種運(yùn)動(dòng)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(biāo)：實(shí)現(xiàn)生物蛇幾類基本的運(yùn)動(dòng)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(jī)器蛇的運(yùn)動(dòng)形態(tài)參數(shù)、不同模式的運(yùn)動(dòng)速度及運(yùn)動(dòng)路線。
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 科學(xué)性：在分析蛇的多種運(yùn)動(dòng)形態(tài)：蜿蜒、蠕動(dòng)、側(cè)擺、攀爬和纏繞，用機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)出機(jī)器蛇的關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，通過Pro/E仿真模擬，設(shè)置機(jī)器蛇運(yùn)動(dòng)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(jìn)阻力，實(shí)現(xiàn)機(jī)器蛇的仿真爬行及三維空間關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)控制；以此對(duì)機(jī)器蛇模型進(jìn)行計(jì)算，得到影響機(jī)器蛇爬行速度的主要影響參數(shù)。機(jī)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(jìn)性：作品可模擬真蛇的幾類生物運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器蛇運(yùn)動(dòng)模式的多樣性，使其對(duì)環(huán)境的自適應(yīng)能力強(qiáng)；作品結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有模塊化和可重組特點(diǎn)，重心驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)使其運(yùn)動(dòng)更靈活性，運(yùn)動(dòng)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(jī)器蛇通過人機(jī)互動(dòng)實(shí)現(xiàn)了狹小物理空間環(huán)境的內(nèi)部多維時(shí)空信息探測(cè)，并能有效傳輸。機(jī)器蛇獨(dú)特的攀爬和纏繞及其自鎖特性，使其在實(shí)際礦災(zāi)搜救的任務(wù)中能表現(xiàn)得更靈活。
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- 2009年3月在學(xué)院挑戰(zhàn)杯預(yù)賽中獲一等獎(jiǎng)； 2009年4月在學(xué)校舉辦的第三屆挑戰(zhàn)杯決賽中獲一等獎(jiǎng)； 2009年5月在鄭州大學(xué)舉辦的河南省第七屆挑戰(zhàn)杯比賽中獲一等獎(jiǎng)。
作品所處階段
- 第三代機(jī)器蛇研制改進(jìn)階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
作品可展示的形式
- 現(xiàn)場(chǎng)演示
使用說明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)
- 使用說明：通過上位機(jī)調(diào)用運(yùn)動(dòng)程序模塊實(shí)現(xiàn)機(jī)器蛇不同運(yùn)動(dòng)模式。信息采集模塊實(shí)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)信息采集，并根據(jù)需要進(jìn)行無線傳輸，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)其無線控制，進(jìn)行信息探測(cè)及人員搜救。 技術(shù)特點(diǎn)：機(jī)器蛇體積小、運(yùn)動(dòng)靈活、通過無線傳輸指令能實(shí)現(xiàn)生物蛇的多種運(yùn)動(dòng)模式，實(shí)現(xiàn)事故現(xiàn)場(chǎng)多維信息采集和傳輸。 優(yōu)勢(shì)：①體積小、重心驅(qū)動(dòng)使其有良好的適應(yīng)性。②多類運(yùn)動(dòng)形式，適應(yīng)多種環(huán)境作業(yè)。③模塊化設(shè)計(jì)提高系統(tǒng)的可裝配性、可靠性和維護(hù)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(chǎng)信息探測(cè)；狹小空間信息探測(cè)；星際探索等對(duì)非結(jié)構(gòu)環(huán)境的探測(cè)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?；礦災(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(chǎng)分析和效益預(yù)測(cè)：機(jī)器蛇體積小，運(yùn)動(dòng)靈活，可對(duì)現(xiàn)實(shí)和科學(xué)研究中許多不能到達(dá)或不能直接觀察的地方進(jìn)行信息探測(cè)。管道機(jī)器人就是機(jī)器蛇的一種，隨該技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器蛇會(huì)在科學(xué)研究和現(xiàn)實(shí)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(tái)機(jī)器蛇由東京工業(yè)大學(xué)在1972年研制。它由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的單自由度關(guān)節(jié)串聯(lián)而成，每一關(guān)節(jié)安裝一對(duì)被動(dòng)輪，用以改變機(jī)器蛇運(yùn)動(dòng)的縱橫摩擦系數(shù)比，可實(shí)現(xiàn)平面蜿蜒運(yùn)動(dòng)。而后的幾代樣機(jī)，如ACM-R2采用差動(dòng)驅(qū)動(dòng)的兩自由度關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)三維空間運(yùn)動(dòng)；ACM-R3由單關(guān)節(jié)模塊回轉(zhuǎn)軸線互相垂直連接實(shí)現(xiàn)直接單元驅(qū)動(dòng)，能完成平面蜿蜒運(yùn)動(dòng)、側(cè)向滾動(dòng)、螺旋運(yùn)動(dòng)、近S曲線等運(yùn)動(dòng)形式。 其后，美國加利福尼亞學(xué)院的Chrikjian從超冗余度角度對(duì)機(jī)器蛇的機(jī)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)理論研究，提出采用變幾何珩架結(jié)構(gòu)（VGT）作為機(jī)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(jī)器蛇機(jī)構(gòu)能完成三維空間運(yùn)動(dòng)；但因剛性體單元較長，它不能仿生物蛇的運(yùn)動(dòng)。后來美國的JPL實(shí)驗(yàn)室采用NEC的設(shè)計(jì)研制JPL機(jī)器蛇，用于空間站探索。德國KarlL.Paap研制(GMD)，該樣機(jī)每節(jié)由兩個(gè)橡膠關(guān)節(jié)組成，一個(gè)單元有四組驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)了各方向的靈活運(yùn)動(dòng)，缺點(diǎn)是由于抬起的重力，關(guān)節(jié)產(chǎn)生失控的扭動(dòng)。美國NASA改進(jìn)卡耐基梅隆大學(xué)(CMU) 研制的機(jī)器蛇，實(shí)現(xiàn)了多種運(yùn)動(dòng)。法國、意大利、瑞士等各國學(xué)者相繼開展了相關(guān)課題的研究。 國內(nèi)，上海交通大學(xué)于1999年研制出我國第一臺(tái)微小型機(jī)器蛇樣機(jī)。北京航空航天大學(xué)研制出一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)、計(jì)算機(jī)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(jī)器蛇。中科院沈陽自動(dòng)化所機(jī)器人開放實(shí)驗(yàn)室提出的可重構(gòu)機(jī)器蛇設(shè)計(jì)采用正交串聯(lián)結(jié)構(gòu)，可完成蠕動(dòng)、游動(dòng)、滾轉(zhuǎn)等運(yùn)動(dòng)。國防科技大學(xué)研制的機(jī)器蛇在國內(nèi)報(bào)道最早，由最初的二維結(jié)構(gòu)、依靠從動(dòng)輪前進(jìn)，發(fā)展到現(xiàn)在的能在水中游動(dòng)。燕山大學(xué)研制出具有并聯(lián)機(jī)構(gòu)的機(jī)器蛇。2008年上海交通大學(xué)實(shí)現(xiàn)了機(jī)器蛇的纏繞功能。 目前機(jī)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(jì)性實(shí)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(yùn)動(dòng)自主控制實(shí)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(shí)現(xiàn)對(duì)自身傳感器和執(zhí)行器的控制，使機(jī)器蛇小型和輕型化，解決其長時(shí)間能量自給。
