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灾难救援机器人的设计考量
作者:Anja Schütz
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消防/救援设备展厅
灭火器, 救援设备, 应急设备, 探测器,...
智能机器人在防灾、救援和营救工作中的使用在日益增多,尤其是在那些会对人身造成威胁的地点。如今,利用机器人搜索经历了爆炸、地震或其他自然灾害的幸存者或帮助了解难以靠近区域的情况,使他们成为了人们不可或缺的帮手。maxon motor的高性能EC电机为日本救援机器人“Quince”提供了强大动力。

投入灾区使用的机器人必须具备极高的适应性。他们最好要相对小巧,不能太重,而且要易于操控,这样才能穿过缝隙或狭小的通道,从而深入到建筑物的中心。此外,复杂地形也不应成为他们的障碍。这些救援机器人要在救援人员对受灾地区进行彻底搜索前深入建筑物,了解那里是否存在有毒气体、放射物质或其他危及生命危险的威胁。机器人Quince证明了自己具备满足上述所有要求的特性。在历经了日本大地震以及之后的福岛核灾难之后,Quince已于2011年6月成功进入核电站废墟的上层建筑。机器人将那里的放射性测量结果通过高清图像传送给外界。在人类无法触及的地方,机器人能够传递出宝贵的信息。

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即便是最陡峭的陡坡,Quince都能应对自如。图片来源:fuRO

27公斤重的Quince拥有4台可移动履带驱动装置(Flipper鳍轮)。鳍轮 (Flipper) 可以自动调整角度与地面贴合,无论是陡峭的阶梯或是崎岖的地形。与地面的正确接触是非常重要的前提。接触通过鳍轮电机的能耗测量得到精确分析。此外,PSD(位置灵敏探测器)传感器对前后鳍轮间的地面距离进行测控。除了机械臂外,机器人身上还可以固定两个激光扫描仪,他们能够对地形结构进行精确描绘。

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机器人自行计算出鳍轮的最佳位置跨越各种地形表面(如碎石)。图片来源:fuRO

此外,Quince还配有一个“鹰眼照相机”。每秒1.6米的速度使机器人能够快速行进。虽然机器人的行进方向由控制机器人的操作者来设定,但是跨越不同表面时(比如楼梯),机器人自行对鳍轮的最佳位置进行设定。新款的Quince还内置了一个搜集放射性尘埃或超细微粒的设备,并配置了一台三维扫描仪。为了避免丢失,机器人还可以与无线网络连接,从而可以在有线电缆断开的情况下可以接受导航。

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小柳荣次教授,fuRO副主任和Quince机器人。图片来源:fuRO

救援机器人由千叶科技未来机器人技术中心 (fuRO) 的副主任小柳荣次 (Eiji Koyanagi) 先生开发。小柳先生执教多年,51岁时升任教授。因此,他与其他机器人研究者的背景完全不同。

Quince是特别针对给人类带来威胁的极端条件设计而成的机器人。因此,其应用场合主要是受灾地区。“如果要开发机器人,就必须首先考虑他要完成什么样的任务。这是最大的挑战”,小柳解释道。目前,总共有8台Quince机器人制造完工。但是在完工前,所有部件必须百分之百工作正常。为此,机器人在得克萨斯大学城内的“灾难城市”大型练习场地上进行了无数次试验。Quince是唯一一台完成RoboCup机器人杯赛地形全部路线的机器人。在投入福岛第一核电站内部使用前的准备阶段还要明确一些规范。 “核反应堆建筑物内的条件极为苛刻。若我们想不做修改就投入Quince,那可能会给他带来灭顶之灾”,小柳说道。因此,机器人在日本执行侦察任务的过程中,要确保从近2米高处跌落后完好无损,并且无需维护而继续工作。

高性能电机克服任何障碍

即便是电机,fuRO也要选择可靠的驱动装置。电机不仅要高效、动力强劲,而且必须小巧、轻盈。maxon电机恰恰满足这些要求,小柳先生说道。6台高性能maxon电机负责提供动力。两条履带上各安装了2个规格的EC-4pole 30型无刷直流电机。每台电机的功率为200 W 。当Quince在起伏地形上行进时,4极动力组全效工作。另外四台电机 (EC 22) 则负责为移动履带驱动(鳍轮),自动调整角度与地面贴合。

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maxon EC-4pole产品系列

Quince的三维扫描单元通过一个RE-max 24型电机指向正确位置。由于采用特殊的绕组技术和四极磁钢,在单位体积和重量功率值方面EC 4-pole驱动装置无与伦比。电机无齿槽效应,效率高,调节性能优异。金属壳体还能确保良好的散热效果和稳定的机械性能。履带电机还与配MR编码器的行星齿轮箱GP 32 HP(高功率)组合。

该齿轮箱按照客户要求内置了一个大尺寸滚珠轴承和一个加强电机轴。通过这套动力组,Quince能够毫无困难的克服几乎所有障碍。
文章内容仅供参考 (投稿) (7/16/2014)
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