基本信息
- 项目名称：
- 自组网煤矿救灾机器人
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 信息技术
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 煤矿事故发生后，环境的复杂性和危险性使得救援人员无法接近现场进行侦查或施救。本项目针对这一应用背景，设计了自组网煤矿救灾机器人，机器人采用多段履带可变结构设计，在复杂地形环境下具备优秀的通过能力；可深入井下通过自组网方式建立通信链路，以解决远距离通信的难题；机器人带有功能完备的环境监测器、生命探测器和音视频采集装置，实现事故现场环境的远程监测评估，为救援活动提供决策依据，有效地提高灾难救援的效率。
- 详细介绍：
- 本项目从煤矿事故现场的实际环境出发，设计了带有翻转臂机构的可变结构履带机器人，研发了机器人底层驱动和运动控制系统，增强了机器人在复杂地形条件下的通过能力。救灾机器人以PC104工控计算机为控制核心，搭载了环境监测系统、音频和视频采集系统。环境监测器以ARM处理器为核心，包含了矿用温度、湿度、气压、一氧化碳、甲烷、氧气、粉尘等传感器，并预留8路全时功能复用，增强扩展能力；同时具备生命探测功能，可及时发现并定位井下被困人员；采用IEEE 802.11n标准组建无线通信网络作为数据传输通道，设计制作了网络中继节点，在此基础上以WDS组网方式建立高速、稳定可靠的数据链路。基于ARM嵌入式平台和Android操作系统设计了救灾机器人的手持终端，该手持终端通过C/S网络模型与救灾机器人之间进行数据交换。视频信号以H.264压缩编码格式通过RTP实时传输控制协议发送到手持终端，救灾人员可通过功能完备的手持终端查看事故现场的环境监测数据和音频视频信息，并可对机器人进行远程控制，提高了救援工作的效率和安全性。 该自组网救灾机器人已经完成原型制作并进行了功能测试，目前正与煤炭科学研究院沈阳分院联合进行本质安全和隔爆设计，获得证书后可以下井测试并进行推广应用。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 创新点： （1）可变结构多段履带设计：四段履带摆臂机器人可通过旋转臂的运动调整高度和姿态，在复杂环境下具备优异的通过能力； （2）具备无线自组网功能：采用了IEEE802.11n无线网络技术，以WDS方式自组网，实现井下长距离、高速数据通信； （3）功能完善的环境监测器：包含了大部分井下常用传感器，预留8路传感器输入接口，8路接口可实现全时功能复用。 （4）功能完善的手持终端：手持终端轻便小巧、功能完善。不但可以控制机器人在井下作业，还能获取井下环境监测数据、音频和视频信息。 技术关键： （1）可变结构履带机器人机械结构设计 （2）无线网络中继和自组网方法 （2）多功能环境监测器的研制 （3）基于Android系统的远程控制终端的实现 主要技术指标： （1）尺寸：300*450*100mm （2）重量： 20kg （2）运行时间：4小时 （3）最大速度：40米/分钟 （4）执行结构：多段履带 （5）能源动力：24V动力锂电池 （6）超声波测距：20cm至4m （7）图像清晰度：420线 （8）照明系统：5W LED （9）拾音距离：5m （10）通信距离：2km （11）通信速率：5-142Mbps （12）生命探测范围：2-6米，360° （13）环境监测：温度、湿度、氧气浓度、一氧化碳浓度、甲烷浓度、粉尘等 （14）工作环境：道路、斜坡、台阶、岩石、沙地、铁轨、泥泞、凹陷、沟渠 （15）工作温度：-10℃~80℃
科学性、先进性
- （1）采用可变结构多段履带设计，在道路、斜坡、台阶、岩石、沙地、铁轨、泥泞、凹陷、沟渠等复杂环境下具备优异的通过能力，可以翻越高度大于或深度小于自身两倍的障碍物或深度，处于国内领先水平； （2）采用了IEEE802.11n无线网络技术，以WDS方式自组网，井下通信距离最高可达2000m，在国内尚属首创； （3）制作了功能完善的环境监测器，该监测器包含了矿用温度、湿度、氧气浓度、一氧化碳浓度、甲烷浓度、粉尘等大部分井下常用传感器，为便于系统扩展，还预留了8路传感器输入接口，8路接口可实现全时功能复用，在类似设备中功能和性能指标处于领先水平； （4）机器人搭载了自主研发的生命探测器，可以井下被困人员实现360度探测，探测距离最大可达6m，对静止目标识别率高，误报率低，达到了国内先进水平。
获奖情况及鉴定结果
- 2011年5月，辽宁省“挑战杯”大学生课外学术作品竞赛特等奖
作品所处阶段
- 中试阶段： 完成原型制作和功能测试，目前正与煤炭科学研究院沈阳分院联合进行本质安全和隔爆设计
技术转让方式
- 专利授权、合作生产
作品可展示的形式
- 实物、产品；现场演示；图片；录像
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 自组网煤矿救灾机器人系统稳定可靠，对井下复杂环境适应能力强，弥补了现有煤矿救灾机器人的多种不足，能够帮助救援人员迅速、准确地开展救灾活动，为救灾工作提供决策依据，有效地提高灾难救援的效率。在矿难救援中应用本系统，对救灾工作的高效开展和保障救援人员自身安全都具有重要的意义，能够极大地提高煤矿事故应急处理和救灾能力。 该自组网救灾机器人已经完成原型制作并进行了功能测试，实践证明系统运行有效可靠，目前正在与煤炭科学研究院沈阳分院联合进行本质安全和隔爆设计，获得证书后可以下井测试并进行推广应用。我们将进一步完善产品，使其早日为我国煤矿事故救援活动贡献力量。
同类课题研究水平概述
- 1、国外研究状况 美国智能系统与机器人中心开发的矿井探索机器人 RATLER安装了红外摄像机、无线射频信号收发器、危险气体传感器，采用遥控方式控制。1998 年，曾在井下进行了试验，无线直线遥控距离仅为 76 米，通信距离较短。未见其在煤矿应用的新报道。 美国佛罗里达大学研制的矿井搜索机器人Simbot可携带数字低照度摄像机和基本气体监视组件，发现受害矿工，探测氧气和甲烷气体含量。但是该机器人体积较小，其运动距离、续航能力和通信距离等受到严重制约。 美国卡内基梅隆大学机器人研究中心开发的全自主矿井探测机器人土拨鼠，主要用途是探测井下环境，精确绘制井下立体地图。该机器人使用普通轮式结构，对复杂地形的适应能力弱，难以满足煤矿事故救灾的要求。 Remotec 公司制造的 V2 煤矿救援机器人，安装有导航和监控摄像机、气体传感器和一个机械臂，具有夜视能力和两路语音通讯功能。使用光纤传送矿井环境信息和视频信息。但该机器人体积庞大，难以在事故后狭窄的巷道中运行。 2、国内研究状况 中国矿业大学研制的 CUMT-Ⅰ型矿井搜救机器人，是我国第一台用于煤矿救援的机器人。该机器人装备有低照度摄像机、气体传感器和温度传感器等设备。但是该机器人采用点对点遥控方式进行控制，不具备自组网能力，在井下有效控制距离仅为300米。 哈尔滨工业大学机器人研究所为唐山开诚电器有限公司研制了煤矿井下探测机器人。该机器人为三节履带机构形式，具备井下视频音频信号采集及温度、风速、CO、CH4 传感器的数据采集功能。该机器人使用矿用电缆进行供电和数据传输，运动能力和通信距离收到电缆的严重制约。 山东省科学院自动化研究所、沈阳新松机器人自动化有限公司研制的井下探险搜救机器人搭载了三自由度的机械臂，在其末端安装了探测传感器、红外摄像头、音频设备等。机器人采用光纤通信，制约了通信距离和机器人的活动能力。 此外，山东大学针对履带式井下探测机器人的底层控制系统进行了研究与设计。成都理工大学提出了一套搜救机器人的标准描述方法，形成搜救机器人的最瘦特征描述表。西安科技大学对适合煤矿救援机器人的矿山地理信息系统进行了研究。
