基于多足吸附式機(jī)器人的應(yīng)用前景分析

馬娜娜 陳鑫 熊君尹 張靖廉

摘 要：本文的“多足吸附式機(jī)器人”增設(shè)了多種傳感器模塊、紅外測(cè)距、AI全景攝像頭等功能，提高了機(jī)器人在復(fù)雜地形上的工作效率，有助于AI技術(shù)應(yīng)用和大數(shù)據(jù)分析的發(fā)展。本文從發(fā)展現(xiàn)狀、結(jié)構(gòu)功能應(yīng)用兩方面展開論述，并對(duì)“多足吸附式機(jī)器人”的應(yīng)用前景做出了分析。

關(guān)鍵詞：救援;勘探;多足機(jī)器人

1.引言

“多足吸附式機(jī)器人”在傳統(tǒng)搜救機(jī)器人的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，將履帶式和輪式改用多足式設(shè)計(jì)，提高了在復(fù)雜地形的工作效率;在技術(shù)設(shè)計(jì)上，增加了AI全景攝像頭遠(yuǎn)程圖像傳輸和視覺網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)導(dǎo)航功能，提高了“多足吸附式機(jī)器人”的信息采集和路徑規(guī)劃能力。目前，“多足吸附式機(jī)器人”在災(zāi)區(qū)救援和資源勘探應(yīng)用廣泛，有著極大的發(fā)展前景。

2.在救援、勘測(cè)方面的發(fā)展現(xiàn)狀分析

2.1災(zāi)區(qū)和礦難救援發(fā)展現(xiàn)狀

我國(guó)是世界上自然災(zāi)害種類最多的國(guó)家，其中地震是一種破壞力極大的自然災(zāi)害，會(huì)引起泥石流、山體滑坡、水災(zāi)等一系列次生災(zāi)害，嚴(yán)重威脅著人們的生命和財(cái)產(chǎn)安全。

傳統(tǒng)救援方式中，在地面交通完全癱瘓物資運(yùn)輸車又不能正常行進(jìn)的情況下，只能依靠救援隊(duì)伍徒步背著物資趕往災(zāi)區(qū)，費(fèi)時(shí)又費(fèi)力，救援過程中憑人力也不容易發(fā)現(xiàn)廢墟下的傷者，有時(shí)為了防止災(zāi)后瘟疫，救援人員通常需要手動(dòng)噴霧進(jìn)行消毒，很容易將自己感染。而“多足吸附式機(jī)器人”能替代救援人員進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域，通過多傳感器的信息交融分析環(huán)境危險(xiǎn)性以及確定受難人員位置，并自動(dòng)生成位置信息傳輸給救援人員，方便救援人員進(jìn)行救援。

2.2無人區(qū)和地質(zhì)礦產(chǎn)資源勘探的發(fā)展現(xiàn)狀

目前，我國(guó)還沒有完全了解地質(zhì)資源的狀況，缺乏對(duì)地質(zhì)資源的種類、地質(zhì)條件等方面的了解，缺乏相關(guān)的勘探開發(fā)數(shù)據(jù)。以我國(guó)對(duì)頁(yè)巖氣資源的勘探開發(fā)為例，我國(guó)對(duì)頁(yè)巖的含氣量、含氣性還不夠了解，并且資源勘探開發(fā)的關(guān)鍵性技術(shù)還不夠先進(jìn)，在技術(shù)方面還有待提高。對(duì)于存在的問題，目前主流的方式有物探、鉆探、刻槽等技術(shù)手段[1]，更加先進(jìn)的技術(shù)有輪式勘探機(jī)器人和履帶式勘探機(jī)器人。本團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的“多足吸附式機(jī)器人”能為人類提供地理和資源信息，方便人類進(jìn)一步勘探。

3.結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)

3.1多足吸附式機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)

如圖1所示，在機(jī)器人的本體機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)上，本團(tuán)隊(duì)采用舵機(jī)控制板直接控制18個(gè)舵機(jī)，“多足吸附式機(jī)器人”的每條腿上有三個(gè)舵機(jī)，這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)更加自由的移動(dòng)，有較強(qiáng)的地形適應(yīng)能力和運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性。

3.2爬壁功能

“多足吸附式機(jī)器人”結(jié)構(gòu)小巧，能夠靈活的在地形復(fù)雜和空間狹小的災(zāi)區(qū)行走。如圖2所示，在足上我們采用“爬壁”的方式，能自主識(shí)別壁面材質(zhì)，進(jìn)行吸附方式的自主切換，幫助人們?nèi)轿坏奶綔y(cè)，采用了磁吸附和負(fù)壓吸附相結(jié)合的復(fù)合吸附方式進(jìn)行設(shè)計(jì)[2]，完成復(fù)雜壁面作業(yè)，在運(yùn)動(dòng)過程中，“多足吸附式機(jī)器人”通過腿部的彈簧減震，在路面不平整時(shí)能及時(shí)調(diào)整位姿，越過路面障礙。

3.3多種傳感器

礦下的環(huán)境復(fù)雜，里面可能含有很多有害氣體，為了保障救援人員以及被困人員的生命安全，我們?cè)凇岸嘧阄绞綑C(jī)器人”正前方安裝了檢測(cè)有害氣體的化學(xué)傳感器[3]，通過超聲波傳感器測(cè)距，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)避障[4]。紅外檢測(cè)技術(shù)具有無接觸，檢測(cè)結(jié)果可視化、測(cè)溫范圍廣、檢測(cè)速度快等諸多應(yīng)用優(yōu)勢(shì)[5]。它能代替人們進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)，進(jìn)行有害氣體的檢測(cè)以及地形分析，感測(cè)周圍環(huán)境，獲得當(dāng)前位置信息與周邊環(huán)境信息，并能第一時(shí)間將井下信息傳遞給工作人員。將此技術(shù)應(yīng)用在“多足吸附式機(jī)器人”中巡查礦井機(jī)器的安全性，大大節(jié)省了人們的時(shí)間。

3.4機(jī)械夾手和全景攝像頭

在勘探資源的過程中，如圖3所示，我們運(yùn)用了一個(gè)小型的機(jī)械夾手裝置在機(jī)器人的前端，在需要取樣時(shí)，它可以?shī)A取樣品，極大的方便了人們的工作。

如圖4所示，利用全景攝像頭對(duì)周圍環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)拍攝，完成取景、成景動(dòng)作，將照片或視頻信息遠(yuǎn)程傳輸至電腦（手機(jī)），實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控?；谝曈X網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的導(dǎo)航功能通過采集導(dǎo)航區(qū)域的實(shí)時(shí)圖像信息，并將其傳輸至智能處理系統(tǒng)，生成動(dòng)態(tài)地圖，從而規(guī)劃?rùn)C(jī)器人“可通行路徑”，實(shí)現(xiàn)視覺導(dǎo)航。

4.前景分析

4.1多足吸附式機(jī)器人在救援方面的應(yīng)用前景分析

4.1.1災(zāi)區(qū)救援

救援機(jī)器人可以替代或輔助人工在災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施救援，尤其是在人、犬或其他探測(cè)設(shè)備無法到達(dá)的狹小空間 （例如直徑小于1米的孔洞），或可能對(duì)救援人員帶來傷害的危險(xiǎn)環(huán)境 （如?；翻h(huán)境、核輻射環(huán)境等） 發(fā)揮重要作用。例如地震搜救機(jī)器人在國(guó)內(nèi)主要應(yīng)用在參與蘆山7.0級(jí)地震救援行動(dòng)。在現(xiàn)場(chǎng)勘查、人員探測(cè)等方面發(fā)揮了重大作用。災(zāi)后廢墟環(huán)境有很多特別狹小的孔洞，普通履帶式廢墟搜救機(jī)器人難以進(jìn)入，足式機(jī)器人是模仿人或四足、多足動(dòng)物行為模式而研發(fā)的仿生機(jī)器人， 具有較強(qiáng)的越障能力。為了克服墻壁、臺(tái)階等環(huán)境給救援帶來的困難，我們的“多足吸附式機(jī)器人”能夠通過高密度的聚合物或特殊機(jī)構(gòu)吸附在墻壁上爬行，完成相應(yīng)的救援工作。

4.1.2礦難救援

煤礦下環(huán)境復(fù)雜，若事故發(fā)生后，需第一時(shí)間開展救援工作，傳統(tǒng)的救援方案會(huì)第一時(shí)間安排救援人員入礦開展救援，在礦下環(huán)境未知的情況下，可能會(huì)受到可能會(huì)面臨冒落、高溫、粉塵、瓦斯爆炸、有害氣體積聚等威脅，對(duì)救援人員及受難人員的生命安全造成威脅[6]。我們利用“多足吸附式機(jī)器人”對(duì)事故礦井環(huán)境勘測(cè)，通過WiFi無線網(wǎng)絡(luò)與地面人員進(jìn)行通信，利用現(xiàn)場(chǎng)控制器高效處理傳感器感知信號(hào)，了解礦井下復(fù)雜情況，精確定位受困礦工位置，靈活完成避障動(dòng)作，監(jiān)測(cè)井下煙霧、瓦斯、CO和O2等濃度，與地面救援中心現(xiàn)場(chǎng)通信，制定救援方案，遠(yuǎn)程指導(dǎo)救援工作。

4.2多足吸附式機(jī)器人在勘探方面的應(yīng)用前景分析

4.2.1無人區(qū)勘探

火山噴發(fā)是地球自形成以來就一直存在的一種自然現(xiàn)象，它將地球內(nèi)部物質(zhì)帶至地表， 為地球上生命的起源和演化提供了物質(zhì)基礎(chǔ)， 還為現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展提供了許多重要的礦產(chǎn)資源。[7]利用靈活的行走方式和先進(jìn)的技術(shù)特點(diǎn)代替勘探人員前往火山附近采集火山噴發(fā)物及附近礦石樣本，促進(jìn)火山資料庫(kù)的進(jìn)一步完善及協(xié)助科研人員進(jìn)行樣品鑒定分析等工作。

考古是尋找和獲取古代人類社會(huì)的實(shí)物遺存，以及如何依據(jù)這些遺存來研究人類歷史的科研工作。我們由古代遺跡、遺物同周圍土壤的電阻率不同，并存在著磁性差異，可用“多足吸附式機(jī)器人”紅外探測(cè)、雷達(dá)監(jiān)測(cè)、氣體檢測(cè)等技術(shù)代替科研工作者完成提前考察地形、收集樣品等工作。

4.2.2地質(zhì)礦產(chǎn)資源勘探

礦產(chǎn)作為重要的基礎(chǔ)能源，是我國(guó)社會(huì)生產(chǎn)建設(shè)的基礎(chǔ)?？茖W(xué)技術(shù)發(fā)展日新月異，礦產(chǎn)資源快速消耗，在人類的過度開發(fā)下，目前分布在地表的礦產(chǎn)已經(jīng)極少[8]。在含礦的地區(qū)地形結(jié)構(gòu)復(fù)雜，地貌差異大，人員勘察費(fèi)時(shí)費(fèi)力，我們需利用機(jī)器人對(duì)礦資源進(jìn)行地形勘察，對(duì)礦產(chǎn)分布情況進(jìn)行確認(rèn)，方便采礦人員進(jìn)一步開展采礦工作，實(shí)現(xiàn)礦產(chǎn)開采工作的高效有序。

在危險(xiǎn)的礦井地段，“多足吸附式機(jī)器人”利用自身行走優(yōu)勢(shì)，提前入礦進(jìn)行有毒氣體檢測(cè)、樣品采集、安全巡檢等工作，并通過無線通信系統(tǒng)將信息傳遞給人們，方便開展下一步勘察工作。

5、結(jié)論

本文簡(jiǎn)述了“多足吸附式機(jī)器人”的多功能性和在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用前景。在未來的發(fā)展中，將充分利用“多足吸附式機(jī)器人”的優(yōu)點(diǎn)，從而在人類的生產(chǎn)生活中發(fā)揮重要的作用。

參考文獻(xiàn)

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[作者簡(jiǎn)介] 1. 馬娜娜（2000-），湖北天門人，本科，武漢商學(xué)院機(jī)器人工程專業(yè);主要興趣和研究方向有機(jī)器人的集成設(shè)計(jì)，智能機(jī)器人編程，機(jī)器人教育;

2.熊君尹（1999-），湖北黃岡人，武漢商學(xué)院機(jī)器人工程專業(yè);主要興趣和研究方向有機(jī)器人的集成設(shè)計(jì)，智能機(jī)器人編程，機(jī)器人教育;

3. 張靖廉（1998-），山西臨汾人，本科，武漢商學(xué)院機(jī)器人工程專業(yè);主要興趣和研究方向有機(jī)器人的集成設(shè)計(jì)，智能機(jī)器人編程，機(jī)器人教育。

[通訊作者] 陳鑫（1988-），男，湖北武漢人，碩士，武漢商學(xué)院教師，工程師;主要研究方向：工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)仿真，視覺識(shí)別。

[基金項(xiàng)目] 武漢商學(xué)院2020年大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃，項(xiàng)目號(hào)202011654068 ， 名稱：六足兩棲爬蟲機(jī)器人

（武漢商學(xué)院 ?湖北 ?武漢 430074）