第5章-特种机器人应用ppt课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物,机器人技术虽然以工业机器人起步，但随着近年来微电子技术、信息技术、计算机技术、材料技术等的迅速发展，现代机器人技术已突破了传统工业机器人的范畴，逐渐转向对应用于特殊环境中特种机器人技术的研究。,目前国际上对非制造领域机器人（我国称为特种机器人）的研究和开发非常活跃。特种机器人技术主要是指非制造业中的各种先进机器人及其相关高技术。特种机器人是替代人在危险、恶劣环境下作业必不可少的工具, 可以辅助完成人类无法完成的如空间与深海作业、精密操作、管道内作业等。,第5章 特种机器人应用,5.1 特种机器人应用与意义,机器人技术虽然以工业机器人起步，但随着近年来微电子技,1,特种机器人技术综合了多学科的发展成果, 代表了高技术的前沿发展, 它在人类生活应用领域的不断扩大, 正引起国际上重新认识机器人技术的作用和影响。正因为如此，研究和发展特种机器人技术一直受到世界各国的重视, 许多国家都把特种机器人技术列入本国的高技术发展计划或国家的关键技术进行研究和开发。如美国的“国家关键技术”、“商业部新兴技术”和“国防部和能源部关键技术”计划, 欧共体的“尤里卡计划(EUREKA)”和“信息技术研究发展战略计划(ESPAIT)”, 新加坡、韩国、巴西等发展中国家都有相应的计划内容。,第5章 特种机器人应用,5.1 特种机器人应用与意义,特种机器人技术综合了多学科的发展成果, 代表了高技术,2,与工业机器人相比, 特种机器人通常在非结构环境下自主工作, 且更多地依赖于对环境信息的获取和智能决策能力，因此特种机器人更强调感知、思维和复杂行动能力。特种机器人从外观上也远远脱离了最初工业机器人所具有的形状。特种机器人融合了更多学科的知识, 如机构学、控制工程、计算机科学、人工智能、微电子学、光学、传感技术、材料科学、仿生学等, 因此, 特种机器人研究不仅能促进本学科的发展, 还可带动其他学科的进步。特种机器人研究特别强调智能性和对环境的适应性, 使其具有更广阔的应用领域。,第5章 特种机器人应用,5.1 特种机器人应用与意义,与工业机器人相比, 特种机器人通常在非结构环境下自主工,3,特种机器人目前主要有3种控制方式：人机遥控方式、自主控制方式、遥控自主混合方式。由于环境的非结构化和动态的特点，遥控自主混合方式成为比较广泛的控制方式，也是一种比较可靠和设计上可行的控制方式。,特种机器人大都工作在非结构性环境中, 在现在及可以预见的将来, 人机遥控加上局部自治, 仍将是一种主要的控制方式。操作者和机器人可能在同一环境中, 也可能分布在两处。分布在两处时, 其联系的通信时间, 在空间及海中可能长达分的数量级,而其工作环境, 在大多数的情形下又是未知的。感知、规划、行动和交互技术是特种机器人的共性技术。,第5章 特种机器人应用,5.2 特种机器人系统,特种机器人目前主要有3种控制方式：人机遥控方式、,4,5.2.1特种机器人共性技术,特种机器人各种各样，在每类特种机器人中都有一些关键技术，但特种机器人仍存在以下共性技术。,（1）遥控及监控技术,机器人高水平的半自治功能；多机器人和操作者之间的协调控制；通过网络建立大范围内的机器人遥控系统；对有时延的环境, 克服时延所造成的控制上的困难；通过事先对可能出现的情况及对策的详细研究, 进行局部自治控制等。,（2）人机接口,在包括虚拟环境的人机接口方面的研究工作非常活跃, 开发出了各式各样的输人和输出装置, 如三维鼠标、数据手套、快门眼镜、头盔等, 各种具有更好性能的临场感方法相继被提出来, 如具有类似人的大小的手、臂和双眼视觉系统等。利用临境技术建立机器人工作环境, 让操作者身临其境的进行操作。目前在利用多种传感器的实时信息动态实时地建立环境模型方面, 有很多问题有待研究。,第5章 特种机器人应用,5.2 特种机器人系统,5.2.1特种机器人共性技术第5章 特种机器人应用5.2 特,5,（3）传感器和信息融合技术,只有借助于大量的智能传感器的帮助，特种机器人才能够为遥控者提供环境参数，才能在需要的时候实现在动态环境中的自主控制。随着传感器系统的复杂化，如何有效地进行传感信息的分析利用也是特种机器人设计的一个重点内容。,（4）导航和定位问题,大部分工业机器人不存在机器人本体的导航和定位问题，但是对于大部分特种机器人而言，导航和定位功能是实现最终功能的一个基础。目前常用的特种机器人导航定位技术主要是轨道导航定位、光学导航定位、感应导航定位，新型智能导航定位技术将给特种机器人的发展带来新的突破。,第5章 特种机器人应用,5.2 特种机器人系统,（3）传感器和信息融合技术第5章 特种机器人应用5.2 特种,6,（5）机器智能,特种机器人大多对其智能程度有更高的期望,满足其在未知或部分未知环境中自主作业的需要。特种机器人的智能可以体现在其工作的各个方面,包括诸如对环境的感知、信息的处理、行为决策、与人的协调和自学习等。传统的符号推理系统、模糊逻辑、神经网络、遗传算法等都是人们在实现人工智能方面的努力。这方面的研究还远没有达到人类期望的目标。,（6）虚拟机器人技术,许多特种机器人, 在用于空间、水下、地面、地下、农业和食品加工、消防和救援、医疗和护理、休闲和娱乐等时, 遥控不失为一个主要手段。基于多传感器、多媒体和虚拟现实、临场感的虚拟遥控操作和人机交互, 成为需要共同发展的一项技术。,第5章 特种机器人应用,5.2 特种机器人系统,（5）机器智能第5章 特种机器人应用5.2 特种机器人系统,7,（7）机器人网络协作,现代网络技术的发展促进了人对机器人异地控制的进步。同时，随着功能要求和环境复杂程度的提高，多机器人协同完成特定任务成为一种可行的技术。机器人网络协作研究主要包括网络接口技术与装置、众多信息组的压缩与解压方法及传输方法的研究。,（8）多智能体协调控制技术,包括用于实现决策和操作自主的多智能体组成的群体行为控制技术。微型和微小机器人技术包括微机构、微传感及相应的微系统集成技术等。软机器人技术主要研究在未来众多的人与机器人共存的环境中, 机器人对人的安全保护性技术。仿人与仿生技术包括机构、传感控制和系统技术。,第5章 特种机器人应用,5.2 特种机器人系统,（7）机器人网络协作第5章 特种机器人应用5.2 特种机器人,8,5.2.2 基于行为的特种机器人体系结构,对于特种机器人的体系结构，布鲁克斯(Brooks)提出的包容体系结构是最有名的基于行为的控制体系结构。在基于行为的控制系统中，直接从传感器的感知数据计算得出特种机器人的动作，系统由一组并行运行的行为组成。每个行为知道如何对环境中的事件和状态做出反应。每个行为只需接收检测到的事件和状态所需要的传感器数据，并推算出相应的响应，从而将传感器数据处理减到最少。此外，每个行为直接向执行机构发送命令，在任一时刻通过协调行为选择控制特种机器人所需要的行为来执行任务。这种类型的控制系统最明显的优点是在环境空间中运行时能够及时地对环境中不可预测的事件做出反应。基于行为体系结构的一个重要特点是只需少量的内存和简单的表示。它没有世界模型，系统模块之间信息流的表示也很简单。因为没有表示之间复杂的变换，也不需要刷新复杂的模型，这些特点有利于提高系统的快速反应性,。,第5章 特种机器人应用,5.2 特种机器人系统,5.2.2 基于行为的特种机器人体系结构第5章 特种机器人应,9,5.2.3 特种机器人研究关键科学问题,针对21世纪发展特种机器人技术的战略性需求, 结合国际机器人与自动化学科的前沿发展, 有如下重点研究的科学问题:,（1）特种机器人学中的拟人智能技术研究；,（2）未知环境信息获取、理解和控制的新机制新理论；,（3）复杂环境中的机器人自主工作新方法与新理论；,（4）机器人精确自定位新手段与新技术；,（5）生态机器人学研究, 即研究生态学原理在特种机器人设计中的应用；,（6）仿人机器人运动学、动力学控制新方法；,（7）特种机器人的人机交互问题研究, 包括监控技术、通讯技术和远程操作技术。,第5章 特种机器人应用,5.2 特种机器人系统,5.2.3 特种机器人研究关键科学问题第5章 特种机器人应用,10,5.3.1 水下机器人,水下机器人诞生于20世纪50年代初，由于所涉及的新技术在当时还不够成熟，同时电子设备的故障率高，通信的匹配以及起吊回收等问题也未能很好解决，因此发展不快，没有受到人们的重视。到了60年代，国际上兴起两大开发技术，即宇宙和海洋开发，促使远距离操纵型机器人得到了很快的发展。在近几十年，由于海洋开发与军事上的需要，同时水下机器人本体所需的各种材料及技术也已得到了较好的解决，因而水下机器人得到了很大发展，开发出了一批能工作在不同深度，并进行多种作业的机器人。这些水下机器人可用于石油开采、海底矿藏调查、救捞作业、管道铺设和检查、电缆铺设和检查、海上养殖、江河水库的大坝检查及军事等领域。因此，有理由相信随着开发海洋的需要及技术的进步，适应各种需要的水下机器人将会得到更大的发展。,第5章 特种机器人应用,5.3 特种机器人应用实例,5.3.1 水下机器人第5章 特种机器人应用5.3 特种机器,11,与载人潜水器相比，水下机器人具有以下优点：,（1）水下连续作业持续时间长；,（2）由于无需生命维持保障设备，可以小型化；,（3）对人没有危险性；,（4）机动性较大；,（5）在许多场合对气候条件的依赖性较小；,（6）制造和使用成本较低；,（7）能在非专用船上使用。,第5章 特种机器人应用,5.3 特种机器人应用实例,与载人潜水器相比，水下机器人具有以下优点：第5章 特种机器人,12,在1934年,美国研制出下潜934米的载人潜水器。1953年又研制出无人有缆遥控潜水器。其后的发展大致经历了三个阶段。,第一阶段,从1953年至1974年为第一阶段，主要进行潜水器的研制和早期的开发工作。先后研制出20多艘潜水器。其中美国的CURV系统在西班牙海成功地回收一枚氢弹，引起世界各国的重视。,第二阶段,1975至1985年是遥控潜水器大发展时期。海洋石油和天然气开发的需要，推动了潜水器理论和应用的研究，潜水器的数量和种类都有显著地增长。载人潜水器和无人遥控潜水器（包括有缆遥控潜水器、水底爬行潜水器、拖航潜水器、无缆潜水器）在海洋调查、海洋石油开发、救捞等方面发挥了较大的作用。,第三阶段,1985年后，潜水器进入一个新的发展时期。80年代以来,中国也开展了水下机器人的研究和开发,研制出“海人”1号(HR-1)水下机器人,成功地进行了水下实验。,第5章 特种机器人应用,5.3 特种机器人应用实例,在1934年,美国研制出下潜934米的载人潜水器。1953年,13,1. 水下机器人结构,水下机器人由3个主要系统组成：执行系统、传感系统和计算机控制系统。,执行系统包括机器人主动作用于周围介质的各种装置，如在水中运动的装置、作业执行装置机械手、岩心采样器和水样采样器等。,水下机器人的传感系统是用来搜集有关外界和系统工作全面信息的“感觉器官”。通过机器人这种传感系统，在与周围环境进行信息交互的过程中，便可建立外部世界的内部模型。,水下机器人的计算机控制系统是处理和分析内部和外部各种信息的设备的综合系统，根据这些信息形成对执行系统的控制功能。水下机器人在工作时，不管其独立性如何，都必须与操作者保持通信联系。,（1）水下机器人载体外形特点和形状的选择,水下机器人的大小各不相同，最小的只有几公斤，最大的则有几十吨(用于海底管线和通信电缆埋设的爬行式水下机器人)。大多数水下机器人结构具有长方体外形的开放式金属框架，如图所示，框架大多采用铝型材。,第5章 特种机器人应用,5.3 特种机器人应用实例,1. 水下机器人结构第5章 特种机器人应用5.3 特种机器人,14,（2）推进模式,除个别水下机器人采用喷水推进外，大多浮游式水下机器人采用螺旋桨推进（如图所示）。一般在螺旋桨外还加导管，以保证在高滑脱情况下提高推力。推进器驱动方式一般有电动机驱动和液压驱动两种，小型ROV和AUV多采用电动机驱动，大功率、作业型水下机器人推进器通常采用液压驱动。水下机器人要实现水下空间的6自由度运动，即3个平移运动(推进、升沉、横移)和3个回转运动(转首、纵倾、横摇)。,第5章 特种机器人应用,5.3 特种机器人应用实例,（2）推进模式第5章 特种机器人应用5.3 特种机器人应用实,15,（3）密封及耐压壳体结构,水下机器人密闭容器如电子舱通常采用常压封装，相对于环境压力的密封通常采用O形圈密封，与陆地密封条件不同的是水下为外压密封，在设计中要特殊考虑。压力补偿技术是水下机器人常用的耐压密封技术，水下机器人设备(如液压系统、分线盒)内部充满介质(液压油、变压器油、硅脂等)，另设一个带有弹簧的补偿器与设备舱体用一个管路连接，补偿器的外部与水连通，内部压力始终高于外部压力。带有补偿器可使水下容器的密封和耐压变得简单可靠，且重量轻。,浮游式水下机器人采用浮力材料来为载体提供浮力，以保证水下的灵活运动。浮力材料通常采用高分子复合材料(树脂发泡或玻璃微珠)。浮力材料要求密度小、耐压强度高、变形小、吸水率小。,考虑到流体运动的阻力和重量与排水量的比例等因素，潜水器耐压壳体的形状大致有如下几种：球形、椭圆形和圆筒形。其各自的优缺点如表所示。,第5章 特种机器人应用,5.3 特种机器人应用实例,（3）密封及耐压壳体结构第5章 特种机器人应用5.3 特种机,16,第5章 特种机器人应用,耐压壳体形状,优点,缺点,球形,具有最佳的质量排水量比,容易进行应力分析而且较正确,不便于内部布置,流体运动阻力大,椭圆形,具有较好的质量排水量比,能较好地利用内部空间,容易安装客体贯穿体,制造费用高,结构应力分析较困难,圆筒形,最容易加工制造,内部空间利用率最高,流体运动阻力小,质量排水量比值最高,内部需要用加强肋加强,第5章 特种机器人应用耐压壳体形状优点缺点球形具有最佳的质,17,（4）水下机器人观测、照明布置,主要是摄像仪器及照明设备的布置。摄像是整个设备的核心，是作业人员获取信息与控制潜水器的重要依据。照明是辅助摄像的设备，照明质量的好坏直接影响摄像的质量，因此采用发光强度高，穿透能力强的卤素灯作为高质量摄像的保障。,摄像装置一般放在整个装置的最前端，这样放置的理由有二：一是便于观察，能够及时对勘探现场进行实时控制；二是便于整体结构的平衡，由于推进电动机在整个装置的尾部，需要有一定的重力使其在水中平衡。,第5章 特种机器人应用,5.3 特种机器人应用实例,（4）水下机器人观测、照明布置第5章 特种机器人应用5.3,18,2水下机器人的驱动,（1）电力,目前，自治水下机器人通常采用铅酸或银铅充电电池，水下机器人的水下作业时间只有几小时，不能满足长时间连续航行的要求。锂钴二氧化物、铝锌氧化物和铅氢过氧化物为新型的充电电池，其能量密度为银锌电池的3l0倍，使用这种新型电池能使自治水下机器人的作业时间达48h，因而是候选能源系统。,燃料电池和热功发电机目前可供自治水下机器人作业数天，通过不断的研制，可望为自治水下机器人提供数周作业时间所需的能源，是自治水下机器人比较理想的能源系统。,电力虽然在水下环境中有缺点，但大多数的现代水下机器人都是靠电力或液压系统推进驱动的。蓄电池是载人水下机器人和无人无缆水下机器人的主要动力源，而带缆水下机器人则由水面电源供电。大部分无人水下机器人的动力源都使用铅酸、镍铬或银锌电池。,第5章 特种机器人应用,5.3 特种机器人应用实例,2水下机器人的驱动第5章 特种机器人应用5.3 特种机器人,19,2水下机器人的驱动,（2）电动机,尽管在水下，普通电动机的使用受到限制，但采取一定的保护措施、经过改装或专门的设计，电动机仍广泛应用于水下机器人。事实上，绝大多数水下机器人（载人的或无人的，带缆的或无缆的）推进都是以电动机作为动力源的。电动机与推进装置连接，可以直接通过回转轴，也可以通过液压泵、磁性连接轴等间接形式。,可供选择的电动机电流形式有直流和交流两种。一般以蓄电池组为电源的大多数自治水下机器人采用直流电动机。,置于舷外海水中的推进(推力)器用的电动机有三种基本结构：敞开式、压力补偿式和封闭式。,第5章 特种机器人应用,5.3 特种机器人应用实例,2水下机器人的驱动第5章 特种机器人应用5.3 特种机器人,20,2水下机器人的驱动,（3）水下机器人的动力系统,水下机器人的电能供给方法，在很大程度上决定于水下机器人的类型。,目前水下机器人有以下三种供电方式:独立的机载电源，通过电缆远程供电，综合供电。,1）独立的机载电源用于无缆水下装置，有时也用于拖曳式水下装置。通常都采用蓄电池(酸性电池、银锌电池、碱性电池)作电源。,2）通过电缆远程供电用于拖曳式和遥控式水下作业装置。一般都是沿电缆的动力芯线将电能输送给水下作业装置。根据电缆的长度选择母船供给的电压值。通常采用交流电源，经过变压、整流再送到潜水器里。,3）采用综合供电方式时，母船通过同轴电缆与水下机器人联系。在母船和水下机器人之间，在直接靠近机器人处，安有一个特殊的动力锚。通过这种装置可完成下述动作：在海底定点，消除海面波浪对水下机器人的影响，消除主电缆对水下机器人的影响。此外，还可以在动力锚上安装蓄电池或者其他所需功率的电源，这样可以大大减少电缆传输的电功率。,第5章 特种机器人应用,5.3 特种机器人应用实例,2水下机器人的驱动第5章 特种机器人应用5.3 特种机器人,21,3. 水下机器人的导航与定位系统,水面船舶的导航发展成一门独立的学科，但是这种导航是二维导航，或称为平面导航。军用潜艇的出现，并没有从根本上改变这种平面导航的概念。这是因为目前潜艇的活动深度不大，最大亦只有500m，这实际上只活动在海洋容积的2%之内。由于潜水器征服了所有的海洋深度，可以活动在任何海域，因此潜水器的导航是一种三维的立体导航。,由于目前的潜水器活动大多依赖于母船，同时受潜水器自身尺寸和重量的限制，因此可以把潜水器的导航分为水面导航和水下导航两部分。前者通常由水面母船来完成，即确定母船相对于地球坐标的位置，而水下导航则往往是相对于水面母船而言，将母船作为一个水面方位点来确定潜水器的水下相对位置。而潜水器的水下导航概念又大致可以分解为大面积搜索和小面积定位两个方面。,第5章 特种机器人应用,5.3 特种机器人应用实例,3. 水下机器人的导航与定位系统第5章 特种机器人应用5.3,22,对于深海导航，几种常规导航方法基本上都不理想。电磁波在海水中的衰减十分迅速，10kHz的电磁波每米衰减达3dB，这使所有无线电导航和雷达都无法在深海使用。因此，通常水下机器人有效的定位方法是航位推算法和声学方法。,第5章 特种机器人应用,5.3 特种机器人应用实例,潜水器用的多普勒导航声呐原理图,对于深海导航，几种常规导航方法基本上都不理想。电磁波在海水中,23,潜水器的导航定位最常见的是利用水声设备来完成。过去作战潜艇用的“主动式声呐”，可以利用目标的反射来确定它相对于主动式声呐的方位和距离。由于潜水器实际上是一只金属的耐压球，因此，是一个很好的声波反射器，如果利用母船上安装的“主动式声呐”亦可以测到潜水器相对位置，并对潜水器进行跟踪。这种“主动式声呐”中性能比较好的都往往由军事部门控制。由于上述原因，这种系统并没有在潜水器导航上获得更多的应用。,短基线系统是确定潜水器相对于辅助母船位置的最精确的系统。在精确水面定位系统的配合下，该系统可提供相当精确的地理坐标和很高的再现性。一般短基线系统的原理如图所示。,第5章 特种机器人应用,5.3 特种机器人应用实例,潜水器的导航定位最常见的是利用水声设备来完成。过去作战潜艇用,24,3. 水下机器人的导航与定位系统,第5章 特种机器人应用,5.3 特种机器人应用实例,短基线系统原理,3. 水下机器人的导航与定位系统第5章 特种机器人应用5.3,25,4终端导航装备,潜水器执行各种各样的任务，必须要以某种方式去触及目标。在这之前，潜水器的导航系统只能把潜水器引导到目标附近，而这两者之间还需要有一个桥梁，这就是终端导航。潜水器目前最常用的终端导航设备是声成像声呐、水下电视和带水下照明的观察窗。如图所示为Tritech推出的Gemini多束海底成像声纳。,第5章 特种机器人应用,5.3 特种机器人应用实例,Gemini多束海底成像声纳,4终端导航装备第5章 特种机器人应用5.3 特种机器人应用,26,5. 水下机器人的作业执行系统,近年来，随着海洋事业的发展，水下机器人得到了广泛的应用。但水下机器人本身仅是一种运载工具，如进行水下作业，则必须携带水下作业工具。可以说，水下作业系统是水下机器人工作系统的核心，没有它，水下机器人充其量只是个观察台架而已。因此，水下机器人的作业系统从20世纪50年代末期第一次应用在CURV-1水下机器人中时起，便与水下机器人一道得以迅速发展。特别是近10年来军事方面的用途和海洋石油开发，进一步促进了作业系统的发展。携带水下作业系统使水下机器人扩大了使用范围，增强了实用性。现有水下机器人的作业系统包括12个多功能遥控机械手和各种水下作业工具包。2010年4月20日，英国石油公司租赁的位于美国墨西哥湾的一座半潜式钻井平台爆炸起火。钻井平台底部油井漏油不止并引发了大规模原油污染，已成为美国历史上最严重的生态灾难。英国石油公司就曾利用机械手切割海底石油管用以堵住海平面下1千多米深处的漏油管道，如图所示。,第5章 特种机器人应用,5.3 特种机器人应用实例,5. 水下机器人的作业执行系统第5章 特种机器人应用5.3,27,5. 水下机器人的作业执行系统,第5章 特种机器人应用,5.3 特种机器人应用实例,英国石油公司利用机械手切割海底石油管,5. 水下机器人的作业执行系统第5章 特种机器人应用5.3,28,6水下机器人实例,（1）国外水下机器人,美国SeaBotix 公司研制的观察型ROV LBV 150，如图所示，在空气中质量为1014kg，最大下潜深度150m，有2700扫描声纳，2个摄像头，测深器工作水深50m。另一种相似的ROV LBV 300，如图所示，在空气中质量为1316kg，工作水深100m ，主要用在浅水港湾警视、监视，还可对堤坝进行质量和安全性检测，目前该机器人产品已进入市场。,第5章 特种机器人应用,5.3 特种机器人应用实例,LBV 150遥控水下机器人 LBV 300遥控水下机器人,6水下机器人实例第5章 特种机器人应用5.3 特种机器人应,29,6水下机器人实例,日本研制的MARCAS2500型履带式海底行走机器人（如图5所示）可在水下2500m的海域实施各种作业：埋设或挖出电缆上的障碍物、探测海底电缆的故障点、切断或回收海底电缆、勘测海底等。,第5章 特种机器人应用,5.3 特种机器人应用实例,6水下机器人实例第5章 特种机器人应用5.3 特种机器人应,30,6水下机器人实例,（2）中国水下机器人,我国从二十世纪七十年代开始较大规模地开展潜水器研制工作，先后研制成功以援潜救生为主的7103艇（有缆有人)、型救生艇（有缆有人）、QSZ单人常压潜水器（有缆有人）、8A4水下机器人 ROV(有缆无人)和军民两用的 HR-01 ROV， RECON IV ROV及CR-01 6000m水下机器人AUV（如图所示）等，使我国潜水器研制达到国际先进水平。,第5章 特种机器人应用,5.3 特种机器人应用实例,6水下机器人实例第5章 特种机器人应用5.3 特种机器人应,31,6水下机器人实例,作为我国“863”计划重大专项，由中国船舶重工集团公司702研究所研制成功的7000米潜水器长8米、高3.4米、宽3米，如图5-13所示。该潜水器由特殊的钛合金材料制成，在7000米的深海能承受710吨的重压，运用了当前世界上最先进的高新技术，实现载体性能和作业要求的一体化；与世界上现有的载人深潜器相比，具有7000米的最大工作深度和悬停定位能力，可到达世界99.8的洋底。,第5章 特种机器人应用,5.3 特种机器人应用实例,6水下机器人实例第5章 特种机器人应用5.3 特种机器人应,32,5.3.2 地面移动机器人,地面移动机器人是脱离人的直接控制，采用遥控、自主或半自主等方式在地面运动的物体。地面移动机器人的研究最早可追溯到二十世纪五十年代初，美国Barrett Electronics公司研究开发出世界第一台自动引导车辆系统。由于当时电子领域尚处于晶体管时代，该车功能有限，仅在特定小范围运动，目的是提高运输自动化水平。到了六、七十年代，美国仙童公司研制出集成电路，随后出现集成微处理器，为控制电路小型化奠定了硬件基础。到了八十年代，国外掀起了智能机器人研究热潮，其中具有广阔应用前景和军事价值的移动机器人受到西方各国的普遍关注。在移动机器人的发展中，出现两个机器人大国，一个是日本，另一个是美国。时至今日，各种类型的地面移动机器人纷纷研制出来，其应用范围从民用、工业用到警用、军用。,第5章 特种机器人应用,5.3 特种机器人应用实例,5.3.2 地面移动机器人第5章 特种机器人应用5.3 特种,33,5.3.2 地面移动机器人,1地面移动机器人的概念、结构形式,针对不同的应用领域、不同的操作需要,移动机器人系统的结构形式也大相径庭。但基本上,可以分为轮式移动机器人、履带式移动机器人、仿生足式移动机器人和蠕动爬行移动机器人几种结构形式。,第5章 特种机器人应用,5.3 特种机器人应用实例,轮式 履带式 仿生足式 蛇形,5.3.2 地面移动机器人第5章 特种机器人应用5.3 特种,34,5.3.2 地面移动机器人,在轮式地面移动机器人中，车轮的形状或结构形式取决于地面的性质和车辆的承载能力。在轨道上运行的多采用实心钢轮，室外路面行驶的采用充气轮胎，室内平坦地面上的可采用实心轮胎。车轮形状如图所示。,第5章 特种机器人应用,5.3 特种机器人应用实例,5.3.2 地面移动机器人第5章 特种机器人应用5.3 特种,35,5.3.2 地面移动机器人,履带机构的常见形状如图所示。,第5章 特种机器人应用,5.3 特种机器人应用实例,5.3.2 地面移动机器人第5章 特种机器人应用5.3 特种,36,5.3.2 地面移动机器人,根据实际使用场合的要求，履带也有采取其他形状的，如形状可变履带。所谓形状可变履带，是指该机器人所用履带的构形可以根据地形条件和作业要求进行适当变化。,第5章 特种机器人应用,5.3 特种机器人应用实例,5.3.2 地面移动机器人第5章 特种机器人应用5.3 特种,37,2. 地面机器人关键技术,地面移动机器人系统一般包括机构环节、驱动控制环节、全局反馈环节。其中高性能驱动控制器、多传感器数据融合、运动学动力学求解理论等已成为地面移动机器人系统的研究热点。,（1）离线驱动控制,实现离线驱动控制存在两个关键问题。,1) 研制功重比高的动力源；,2) 研制小型、大功率、集成化的新型电机驱动控制单元。,在解决动力源方面,研究人员一般采用聚合物锂离子动力电池,取得了一定成效。在驱动控制单元方面,随着DSP技术以及SOC(system on chip)和SIP(system in package)的发展,将复杂的机器人运动控制算法与单电机控制算法融为一体,将多个驱动芯片挂靠在同一控制微处理器上,同时将多个这样的单元以总线的形式互连,从而构成集成化的控制系统是研究中采用的主要思路。,第5章 特种机器人应用,5.3 特种机器人应用实例,2. 地面机器人关键技术第5章 特种机器人应用5.3 特种机,38,2. 地面机器人关键技术,（2）多传感器数据融合技术,（3）运动学动力学理论,目前制约足式移动机器人广泛应用的主要问题是其稳定性问题。作为一种步行机械,足式移动机器人不仅是多链结构而且具有时变的运动拓扑,此外还是冗余驱动系统,其运动学及动力学比起工业上固定基座式机器人要复杂得多。迄今为止仍然缺乏足式移动机器人爬行运动学的系统研究,特别是很少有将该机器人视为一整体运动链的正运动学研究成果发表。该机器人在进行快速移动、慢速移动、停止、转弯等一系列姿态变换过程中,对其平稳性及运动的连续性要求是很高的,必须时刻保持最佳的运动姿态。因此利用并串联机器人技术的研究来达到多种运动姿态的实现和调整,就成为足式移动机器人的关键技术之一。,第5章 特种机器人应用,5.3 特种机器人应用实例,2. 地面机器人关键技术第5章 特种机器人应用5.3 特种机,39,3. 地面移动机器人实例,（1）地面侦察机器人,地面侦察机器人是军用机器人中发展最早，应用最为广泛的一类机器人，也是从军事领域转到警用领域应用最广泛、最成熟的类型。它们往往被要求工作在诸如丘陵、山地、丛林等开阔地形的野外环境中，所以必须具有比较强的地形适应能力及通过能力。,1）轻型地面侦察机器人,Packbot机器人由美国著名的军用及特种机器人公司IRobot开发。PACKBOT的意思是背包机器人，其大小跟一只鞋盒差不多，高度不足20cm，自身质量18kg。,第5章 特种机器人应用,5.3 特种机器人应用实例,3. 地面移动机器人实例第5章 特种机器人应用5.3 特种机,40,3. 地面移动机器人实例,PACKBOT 的可变形履带结构及模块化的设计都成为了移动机器人设计中的经典，很多国内外研究单位和公司都参照PACKBOT 的样式开发了许多类似平台。Packbot机器人目前有3种型号：侦察型、探险型和处理爆炸装置型。,第5章 特种机器人应用,5.3 特种机器人应用实例,3. 地面移动机器人实例第5章 特种机器人应用5.3 特种机,41,3. 地面移动机器人实例,IRobot公司及DARPA在PACKBOT成功的基础上又开始了下一代SUGV（Small Unmanned Ground Vehicle)的研究，如图所示。新机器人更加小型化，具有更轻的重量，但是保持了原有的机动性和通过能力。,第5章 特种机器人应用,5.3 特种机器人应用实例,3. 地面移动机器人实例第5章 特种机器人应用5.3 特种机,42,3. 地面移动机器人实例,2）布控式地面侦察机器人,“龙行者”（dragon runner）是一种微小型四轮地面侦察机器人，由美国宾夕法尼亚州匹兹堡的卡内基梅隆大学机器人技术研究所联合美国弗吉尼亚海军研究实验室共同研制。它实际上是一种新型的便携式地面传感器，通过建立侦察、监测、搜索及目标信息获取的传感器网络，可以为特种单兵等提供视野之外的战场情况信息，协助单兵执行危险的军事行动或者充当岗哨监听系统。尤其在城市战中，士兵可以事先抛掷这种机器人到窗外、楼梯上或者墙后、街道拐角处等可能有敌人隐蔽埋伏的潜在危险场所，侦察搜集现场信息，从而实施精确打击，减少伤亡。,第5章 特种机器人应用,5.3 特种机器人应用实例,3. 地面移动机器人实例第5章 特种机器人应用5.3 特种机,43,3. 地面移动机器人实例,3）安检机器人,随着国际恐怖活动的日益加剧和局部战争的不断爆发，世界各国都加大了反恐力度。在这种形势下，针对反恐及战场需求的危险品检查机器人成为许多国家，特别是西方发达国家研究的重点之一。综合排爆、侦察、检测等功能，机器人安全检测系统在各种军事基地、军需仓库、机场、公交、港口及大型活动场所中得以大显身手。,第5章 特种机器人应用,5.3 特种机器人应用实例,3. 地面移动机器人实例第5章 特种机器人应用5.3 特种机,44,3. 地面移动机器人实例,2003年，具有室外安全检查功能的地面侦察机器人OFRO 投入使用。它由德国的ROBOWATCH 公司研制，长104cm，宽70cm，高140cm，重54kg，负载20kg，爬坡角度300，工作时间12h，最大移动速度O.7m/s。OFRO机器人拥有一个红外摄像机、一个CCD摄像机和一个麦克风，可以在白天、夜间进行不间断侦察。在2006年德国世界杯期间，德国政府采用20 台该种机器人进行反恐侦察，其中包括核生化侦察。如图5所示，在德国法兰克福机场，两名旅客从负责安全检查的OFRO 机器人旁走过。,第5章 特种机器人应用,5.3 特种机器人应用实例,3. 地面移动机器人实例第5章 特种机器人应用5.3 特种机,45,4）地面武装侦察车辆,徘徊者（Prowler）车是美国机器人防务系统公司设计的美国陆军首辆“真正”的军用机器人车。PROWLER是英文Programmable Robot Observer with Logical Enemy Response的缩略语，意即具有逻辑对敌响应能力的可编程机器人观察车。该车作为一种全地形轮式车辆，主要任务是用于执行重要区域边界上的巡逻任务。,该机器人采用一种（66）轮式全地形车辆，采用柴油机作为动力，装在车辆后部，能在最高速度27km/h的情况下载重907kg。它采用低压轮胎，具有轮式车辆的优点，车速高，造价低，且维修较少，6个车轮均采用液压闭锁装置和刹车防滑系统，行程为250km。,第5章 特种机器人应用,5.3 特种机器人应用实例,4）地面武装侦察车辆第5章 特种机器人应用5.3 特种机器人,46,（2）排爆机器人,在西方国家中，恐怖活动始终是个令当局头疼的问题，国外工业发达国家为了维护社会稳定和政治需求，对反恐防爆的技术和装备的研发给予了极大的重视和较多的投入。尤其是“911”以来，各国更加强了对反恐排爆机器人的研制工作。其中，以色列、美国、英国、法国、日本等国家处于领先地位。目前，反恐排爆机器人移动载体主要有履带式、轮式以及两者的组合等几种方式。,1）MR-5 型排爆机器人,MR-5为一款新一代排爆机器人(简称EODR)，具有卓越的灵巧性与敏捷度，可以用于监测、勘察、及处理危险品（如土制爆炸品、危险性化学品、及放射线物质等）。警队、军队、紧急救援队伍、消防队及其他从事危险性工作的工作人员都可以使用多功能的MR-5。,第5章 特种机器人应用,5.3 特种机器人应用实例,（2）排爆机器人第5章 特种机器人应用5.3 特种机器人应用,47,2）Andros排爆机器人,美国Remotec公司的Andros系列机器人受到各国军警部门的欢迎，白宫及国会大厦的警察局都购买了这种机器人。在南非总统选举之前，警方购买了四台AndrosVIA型机器人，它们在选举过程中总共执行了100多次任务。Andros机器人可用于小型随机爆炸物的处理，它是美国空军客机及客车上使用的唯一的机器人。海湾战争后，美国海军也曾用这种机器人在沙特阿拉伯和科威特的空军基地清理地雷及未爆炸的弹药。美国空军还派出5台Andros机器人前往科索沃，用于爆炸物及炮弹的清理。空军每个现役排爆小队及航空救援中心都装备有一台Andros VI。,第5章 特种机器人应用,5.3 特种机器人应用实例,2）Andros排爆机器人第5章 特种机器人应用5.3 特种,48,3）国产灵蜥排爆机器人,“灵蜥”系列机器人是在国家“863”计划支持下，并先后研制出A型、B型、H型、HW型等灵蜥系列机器人，具有探测及排爆多种作业功能，可广泛应用于公安、武警系统。它由履带复合移动部分、多功能作业机械手、机械控制部分、（无线）及有线图像数据传输部分组成。,第5章 特种机器人应用,5.3 特种机器人应用实例,3）国产灵蜥排爆机器人第5章 特种机器人应用5.3 特种机器,49,（3）消防机器人,消防机器人作为特种消防设备可代替消防队员接近火场实施有效的灭火救援、化学检验和火场侦察。它的应用将提高消防部队扑灭特大恶性火灾的实战能力，对减少国家财产损失和灭火救援人员的伤亡将产生重要的作用。在深圳清水河火爆炸、南京金陵石化火灾、北京东方化工厂罐区火灾等事件发生后，国内消防部队要求研制、配备消防机器人的呼声越来越高。,一旦发生灾害事故，消防员面对高温、黑暗、有毒和浓烟等危害环境时，若没有相应的设备贸然冲进现场，不仅不能完成任务，还会徒增人员伤亡，这方面公安消防部队已历经诸多血的教训。尤其是当新消防法出台后，抢险救援已成为公安消防部队的法定任务，面对新时期面临的新情况新任务，也为了更好地解决前述难题，消防机器人的配备显得日益重要。,第5章 特种机器人应用,5.3 特种机器人应用实例,（3）消防机器人第5章 特种机器人应用5.3 特种机器人应用,50,1）LUF60灭火水雾机器人,德国研发的履带式遥控“LUF60”灭火水雾机器人集排烟、稀释、冷却等功能于一体，可在300米距离内进行遥控操作，主要用于隧道、地下仓库等封闭环境内的抢险救援。,这台灭火水雾机器人共有360个喷嘴，从这些喷嘴中喷出的水雾，射程可达到60米，喷雾的覆盖面积相当于普通水枪的35倍，在处理危险化学品事故时，比普通水枪喷出的水柱具有更好的稀释和冷却效果，同时还能有效减少用水量和水渍损失。,第5章 特种机器人应用,5.3 特种机器人应用实例,1）LUF60灭火水雾机器人第5章 特种机器人应用5.3 特,51,2）FFR-1消防机器人,美国的InRob Tech公司生产的消防机器人FFR-1在高温环境中具有顽强的生命力，它的冷却系统可以在6000的高温环境下使机器人保持在600。该机器人长162cm，宽114cm，高380cm，重940kg。主要系统属性：无线控制，自带推进电池，2个CCD视频摄像机。行驶速度34km/h，可爬坡角度30，能跨越障碍物高度20cm.,第5章 特种机器人应用,5.3 特种机器人应用实例,2）FFR-1消防机器人第5章 特种机器人应用5.3 特种机,52,3）“安娜康达”的蛇形机器人,挪威SINTEF研究基金会的波尔利尔杰贝克等人研制成功了一种形似蟒蛇的消防机器人。“安娜康达”蛇形机器人长度为3米，重量约70公斤。它可以与标准的消防水龙带相接并牵着它们进入那些消防队员无法到达的区域进行灭火。据悉，“安娜康达”的行动非常灵活，可以非常迅速地穿过倒塌的墙壁，代替消防员进入那些高温和充满有毒气体的危险火灾现场。,第5章 特种机器人应用,5.3 特种机器人应用实例,3）“安娜康达”的蛇形机器人第5章 特种机器人应用5.3,53,4）消防救援机器人,消防救援机器人的研究开发及应用，日本最为领先，其次是美国、英国和俄罗斯等发达国家。日本的救护机器人于1994年第一次投入使用，机器人能够将受伤人员转移到安全地带。机器人长4m，宽1.74m，高1.89m，重3860kg。它装有橡胶履带，最高速度为4km/h。它有信息收集装置，如电视摄像机、易燃气体检测仪、超声波探测器等；具有2只机械手，最大抓举力为90kg。机械手可将受伤人员举起送到救护平台上,。,第5章 特种机器人应用,5.3 特种机器人应用实例,4）消防救援机器人第5章 特种机器人应用5.3 特种机器人应,54,5.3.3 空中机器人（无人机）,无人机（简称UAV）是一个许多国家用于描述最新一代无人驾驶飞机的术语。近年来在军用机器人家族中，无人机是科研活动最活跃、技术进步最大、研究及采购经费投入最多、实战经验最丰富的领域。80多年来，世界无人机的发展基本上是以美国为主线向前推进的，无论从技术水平还是无人机的种类和数量来看，美国均居世界之首位。,空中机器人是一项系统工程, 涉及航空理论、计算机、控制、电子、机械、材料和系统工程等多个学科。在具体的问题中, 又涉及飞行器的设计与制作、控制系统和算法的设计、传感器应用与融合、导航制导、数据通信、图像识别和信号处理等多方面的知识。,第5章 特种机器人应用,5.3 特种机器人应用实例,5.3.3 空中机器人（无人机）第5章 特种机器人应用5.3,55,1. 空中机器人的系统组成及特点,无人机是具有自主程序控制、可进行无线遥控飞行的空中飞行器，可与遥控人员协作完成半自主控制，也可在无人驾驶、控制的状态下自主操作。无人机设计灵巧，空间利用率高，可重复使用，实际用途十分广泛。,（1）空中机器人系统组成,无人机主要包括飞机机体、飞控系统、数据链系统、发射回收系统、电源系统等。飞控系统又称为飞行管理与控制系统，相当于无人机系统的“心脏”部分，对无人机的稳定性、数据传输的可靠性、精确度、实时性等都有重要影响，对其飞行性能起决定性的作用；数据链系统可以保证对遥控指令的准确传输，以及无人机接收、发送信息的实时性和可靠性，以保证信息反馈的及时有效性和顺利、准确的完成任务。发射回收系统保证无人机顺利升空以达到安全的高度和速度飞行，并在执行完任务后从天空安全回落到地面。无人机系统组成如图所示。,第5章 特种机器人应用,5.3 特种机器人应用实例,1. 空中机器人的系统组成及特点第5章 特种机器人应用5.3,56,1. 空中机器人的系统组成及特点,（,2）空中机器人系统特点,1) 机体灵活性好，体积小、重量轻。,2) 可担负多载荷任务并进行远距离、长时间续航。,3) 隐身性能好，生存能力强，费用低廉。与载重量相当的有人驾驶飞机相比，无人机造型小巧，机体灵活，可采用雷达反射特征不敏感的材料制造以达到较好的隐身效果，从而躲避敌人的探测。目前，大部分中小型无人机的价格已降至有人驾驶飞机的1/10 左右，而小型无人机更是价格低廉。,4) 安全系数高，自主控制能力强。无人机最大的特点就是机上无人驾驶，使其可以担负许多有人机无法执行的特殊、危险且艰巨的任务。如：核污染区的勘测、生化危险区的工作以及新武器试验等。既扩大了执行任务范围，又减少了不必要的人员伤亡，增强了安全可靠性。无人机具有极强的自主控制能力，可以在地面站的操作人员控制下进行遥控飞行，也可根据预编程序进行自主控制飞行，同时能与指挥中心进行实时通信。,第5章 特种机器人应用,5.3 特种机器人应用实例,1. 空中机器人的系统组成及特点第5章 特种机器人应用5.3,57,2. 空中机器人关键技术,（1）隐身技术,在现代化的战争中，无人机主要是在敌方上空完成作战任务，生存环境恶劣、易于被发现。因此，隐身技术的应用对提高无人机的战场生存能力具有至关重要的作用。无人机主要通过对机身表面材料的改进和对机体构造的设计来降低雷达信号的反射。通常，无人机机体表面采用降低反射雷达信号波能量的复合材料构造，使用雷达吸波材料。雷达散射截面积（Radar Cross-Section，简称RCS），目标向雷达接受方散射电磁波的能力就越弱，目标的生存性能就越好。同时，无人机也尽量采用减小电磁波反射的机身构造，即在机身各部分的连接处进行光滑处理，避免形成角度增强反射，并在凹口处采取相应的隐身措施。,第5章 特种机器人应用,5.3 特种机器人应用实例,2. 空中机器人关键技术第5章 特种机器人应用5.3 特种机,58,2. 空中机器人关键技术,（2）飞控技术,飞控技术包括传感技术、导航定位技术、飞行控制律设计等。随着作战任务的不同，如侦察、校射、运输、空中格斗等，无人机控制规律各不相同。尤其是一机多用时，无人机的控制任务也要随之改变，这就对飞行控制提出了更高要求，飞行控制律的设计成为难点。飞行控制律是解决无人机的核心系统与已建立的对象模型及各传感器间匹配的控制规律。目前，多模型的方法是处理不确定问题的重要方法，多模型的自适应控制技术是比较适合的。将设计模型与在线识别和决策相结合，可根据情况的变化自主地在已建立的模型集中选择适合当前工作状态的模型及与之匹配的控制器，形成实时的、具有高鲁棒性的控制系统，降低决策和控制的复杂程度，使总体性能达到最佳。,第5章 特种机器人应用,5.3 特种机器人应用实例,2. 空中机器人关键技术第5章 特种机器人应用5.3 特种机,59,2. 空中机器人关键技术,（3）动力技术,由于无人机具有承载任务多、续航时间长的特点，在无人机飞行过程中就需要有较好的动力推动技术和低油耗、高可靠性的发动机。当前，无人机使用的发动机主要有活塞式、涡轮式、转子式、太阳能式等。其中，太阳能式发动机能有效利用能源，满足无人机的长滞空需要，前景看好。,（4）数据链技术,无人机要实现智能的自主控制飞行，最关键的技术是数据链传输的安全和可靠问题。宽带、大数据量的传输是无人机的发展趋势和必然要求。目前，无人机主要采用Ku/Ka波段、C/X波段和L波段进行通信。,第5章 特种机器人应用,5.3 特种机器人应用实例,2. 空中机器人关键技术第5章 特种机器人应用5.3 特种机,60,2. 空中机器人关键技术,（5）发射、回收技术,发射系统按其发射点位置来区分，主要包括陆（或雪、冰）上发射、水（舰）上发射和空中发射。陆上发射又可根据发射方式分为发射架发射、起落架起飞、滑跑车起飞和垂直起飞等；空中发射主要是指母机投放，即由母机运载到空中指定位置后进行点火投放，以提高无人机的使用寿命，降低伤亡率，但对母机的设计要求较高，同时应用的环境较受限制。按回收地点可将回收分为空中回收、陆上回收、水上或舰上回收；,（5）自主加油技术,自主加油能力的研究工作已经取得重大进展。最终成果是，无人机靠近加油机，使用不同传感器将输油管插入加油机油箱当中。无人机利用新开发的光学探针成功探测到了加油机锥套的位置。,第5章 特种机器人应用,5.3 特种机器人应用实例,2. 空中机器人关键技术第5章 特种机器人应用5.3 特种机,61,3空中机器人实例,（1）固定翼无人侦察机,美国捕食者无人侦察机是美军首次装备实用型合成孔径雷达的无人侦察机。美国军方于1994年开始研制，目前已装备部队。该机最大速度240公里/小时，活动半径925公里，装备有先进的电/红外传感器、可见光摄像机2台、红外摄像机1台、激光测距仪1台，作用距离10公里。,第5章 特种机器人应用,5.3 特种机器人应用实例,3空中机器人实例第5章 特种机器人应用5.3 特种机器人应,62,3空中机器人实例,美国全球鹰无人机是一种高空高速长航时无人侦察机，如图所示。主要用于低、中强度冲突中实施大范围的连续侦察与监视。长13.4m，翼展35.5m，最大起飞重量11610kg，最大载油量6577kg，有效载荷900kg。一台涡扇发动机置于机身上方，最大飞行速度740km/h，巡航速度635km/h，航程26000km，续航时间42h。可从美国本土起飞到达全球任何地点进行侦察，或者在距基地5500km的目标上空连续侦察监视24h，然后返回基地。,第5章 特种机器人应用,5.3 特种机器人应用实例,3空中机器人实例第5章 特种机器人应用5.3 特种机器人应,63,3空中机器人实例,以色列“苍鹭”无人侦察机的翼展为16.6米，每次升空能以225公里的时速在9000米高空持续飞行30个小时，已被用于搜寻真主党武装和指引空中打击。“苍鹭”无人机侦察精度超过了以往的侦察机，它能分辨出地面上的人，并且确定这个人是军人还是平民。,第5章 特种机器人应用,5.3 特种机器人应用实例,3空中机器人实例第5章 特种机器人应用5.3 特种机器人应,64,3空中机器人实例,中国“