第四届东莞市青少年机器人竞赛 机器人创意比赛 主题与规则说明

1. 第四届东莞市青少年机器人竞赛机器人创意比赛主题与规则说明第四届东莞市青少年机器人竞赛机器人创意比赛主题与规则说明

2. 本届比赛主题：救援机器人 机器人创意比赛是机器人活动的灵魂 • 紧扣社会发展的需求 • 完全符合青少年的成长特点 • 集创新、技术、实践于一体，综合性强 • 是培养未来创新人才的重要平台之一

3. 一、主题选择----灾害频发 • 灾害的种类：气象（风灾、水灾、雹灾、雪崩、干旱）、地震、地质（火山喷发、泥石流）、海洋（海啸）、火灾、核事故、瘟疫 • 我国70%城市，50%人口分布于自然灾害频发地区。1990年～2008年，我国年均灾害波及3亿人次，毁房300余万间，转移人口900万人，经济损失2000亿元。灾难发生得更加频繁，造成的损失越来越大

4. 20世纪全世界发生的大规模地震灾害

5. 21世纪中国大规模灾害

6. 一、主题选择----救灾向专业化发展 • 防灾救灾关系国计民生和可持续发展。国家已制定《国 家突发公共事件总体应急预案》，应急救助体系已经逐 渐成熟 • 今后重要的工作是将救灾工作向更加专业化的方向发展 • 唐山大地震：主要靠徒手刨，用铁锹挖 • 汶川地震：直升飞机、载重汽车、装载机、斗轮 • 机等重型装备 • 未来地震：采用智能机器人、智能设备等

7. 一、主题选择----目的 让青少年亲近自然，关心人类家园的生存环境，关注民生疾苦，发挥聪明才智，为应对灾难献计献策，在国家民族面临灾难时分忧解难

8. 二、救援机器人 • 救援机器人：应对各种灾害的机器人之总称。其任务是灾害 • 现场的信息收集、通信、人体探测和救助、扑 • 灭或减轻灾害等。 • 救援机器人的特点： • 特殊环境 • 特殊作业（专业性强） • 突发性 • 多样性 • 高成本

9. 三、课题研究与提示 破题：从 “灾害”、“救援”、“机器人”三个关键词来解 读“救援机器人” 救援机器人的基本功能是抵御灾害。因此，在课题研究阶段，参赛队应该注意自然灾害的多样性，区别不同救援机器人应用环境的不同特点，归纳出机器人的功能需求。针对不同自然灾害，从上述环境的特殊性、作业的特殊性、事故的突发性和多样性等几个方面归纳出机器人应该具有的结构特点、运动特性、功能要求、技术指标技术关键等，在此基础上突出创意和新颖性 面对突发的自然灾害，救援计划通常分为三个步骤展开：侦查、现场营救、善后处置

10. 灾害救援机器人的技术要求 1）分散式系统，从多点、多个方位获取信息，进行灾害现场的危险性评估。灾害发生后用于现场侦查以及救援的传感器也是本次比赛的内容。 各种传感器：人体检测、视觉、音频、放射性、毒气 可燃气体、红外电视摄像机、温度传感器、烟雾视像 仪、烟气浓度分析装置、夜视等。 2）具有高度的专业救援能力，即高度感知能力 、驱动能力、执行能力、信息处理能力、交互能力等。

11. 第一阶段——侦查 机器人最适合在灾害发生后的第一时间被派往灾区的危险地段，借助气球、无人侦察飞机、地面机器人、水下机器人等完成对灾害现场实况的立体侦查，绘制灾情图表，监视和模拟灾情变化，将大量现场信息传回应急指挥中心，为准确预测灾情提供依据，为正确决策紧急救援行动提供信息支持。 技术概念：基于机器人+分布式智能传感器+通信节点+人机接口等，收集和汇总灾害现场信息为救援决策提供依据。

12. 瓦砾堆上的救援机器人—— 在倒塌建筑物的上方行进，用摄像头等搜寻受灾者、采集建筑物、城市煤气管道、市电传输线等倒塌、破损等危险状况。 瓦砾堆上搜救机器人主要功能可归纳为： （1）在瓦砾上灵活穿行的能力 这类机器人在瓦砾上爬行、翻（跳）越障碍物的能力应该比通常在不平整地面上行进的野外机器人更强。 （2）防尘、防爆、防水 （3）传感功能 瓦砾堆上搜救机器人应带有人体检测和视觉之类的传感器，以便发现和接近遇难者。 （4）优异的遥控操作性能 （5）绘制三维地图的技术手段

13. 瓦砾堆中的侦查机器人—— （1）运动功能 深入瓦砾堆内部搜索被掩埋者。 瓦砾堆内部环境的特点：①进口狭窄②上下左右都可能有几何约束挤压，且无固定约束模式③搜索路径如迷宫，不确定且复杂。传统野外机器人也许在不平整地面上行进得不错，但不具备在瓦砾堆中掘进的机构和相应的构形，因此尚有差距。 ①环境（混凝土楼残垣）：台阶高或壕沟宽0.1m～0.2m，上方左右空隙0.2m～0.3m，行进距离20m。 ②环境（木结构建筑物残垣）：断续有0.3m×0.3m的间隙存在，但有时堵塞，行进距离20m。 （2）传感功能 带有人体检测传感器，以发现和接近被掩埋者。 （3）操纵系统 进入瓦砾堆后，一般无法仰仗视觉系统信息，因此只有靠良好的人机交互操纵系统工作。

14. 瓦砾堆中搜救机器人 智能空中机器人 瓦砾堆上搜救机器人 自主飞行微型直升飞机 灾 害 救 援 机 器 人

15. 废墟洞穴搜救可变形机器人、废墟表面搜救机器人（中科院沈阳所）废墟洞穴搜救可变形机器人、废墟表面搜救机器人（中科院沈阳所） 今年7月在北京西郊凤凰岭国家地震紧急救援训练基地综合调试演练。废墟洞穴搜救可变形机器人可对危险区域进行侦测，通过音频、视频、有害气体探测等多种手段实现生命迹象和废墟内部危险进行判断，并可传送救生食品、药品。

16. 瓦砾机器人演示视频1

17. 瓦砾机器人演示视频2

18. 瓦砾机器人演示视频3

19. 瓦砾机器人演示视频4

20. 蛇形机器人在消防、地震中应用潜力大 “安娜·康达”蟒蛇状消防机器人（挪威） 长3m、重70kg，可牵引消防水龙带进入危险区域。前进驱动力（100个大气压）可直接从消防水龙带获取。全身20个水驱动关节，十分灵活（计算机控制）。该机器人可沿楼梯爬行，能抬起一部小汽车。坚固的外壳甚至能砸穿不太厚实的墙壁，可向被困人员运送呼吸面罩等救援物品。 蛇形机器人在爬坡、越碍、侦察方面有特殊功能，在消防机器人中大有所为 。

21. 钻地龙搜救机器人 （日）东京工业大学教授广濑茂男研究室研制的遥控救援机器人。这种蛇形机器人分3节，用6个履带爬行，用于震后在房屋废墟里寻找幸存 者。

22. 蛇形机器人演示视频

23. 爬网蛇机器人演示视频

24. 空中机器人—— 发生灾害时，来自现场上方的信息十分重要，尽管有人驾驶的直升飞机十分普遍，但是在危险地区低空飞行十分困难。所以广泛使用无人飞行器。 （1）智能空中机器人：一种机动性极好的多用途信息获取无人直升机。 （2）小型飞艇式机器人：在倒塌住宅上方低空静音飞行，接收遇害者的声音或其他信息。 （3）气球式机器人：在悬停状态用摄像头俯拍特定灾情点的场景，或者充当临时通信的中继站。 这些机器人均应该具有很强的无线通信、视觉图像处理功能。它们应与其他地面机器人构成信息网络，彼此共享信息，汇总已发生的灾情，跟踪事态发展。

25. 自主旋翼飞行机器人（小型直升机）（中科院沈阳所与中国地震应急搜救中心联合研制）自主旋翼飞行机器人（小型直升机）（中科院沈阳所与中国地震应急搜救中心联合研制） 功能：执行地震、火灾、水灾等灾情调查 最大载荷：40kg 最高速度：90km/h 最大航时：1.5h 最高升限：3000m

26. 小型静音飞艇 （日）国际救生系统研究机构研发，能在废墟上方低空飞行、收集幸存者声音的小型静音救生飞艇

27. 第二阶段——现场营救 在专业救援队伍开赴灾难现场后，机器人往往担当救援先锋的角色 • 在发达国家，消防机器人已经频频在火灾现场亮相了。消防机器人堪受高温烈焰，不惧怕危险品伤害，能够抵近火源，或查看火情，或喷洒阻燃剂或实施救援； • 当核安全泄漏或海上钻井平台泄漏事故发生时，唯独机器人能够承担起深入反应堆搜寻和截断放射源，或潜入深水实施油管堵漏的任务； • 在震后黄金72小时营救行动阶段，机器人虽不及人类或搜救犬的感觉能力，却能更有效地在废墟中穿梭，深入危险场所，借助生命探测仪在瓦砾堆下发现生存者的蛛丝马迹，从残垣断瓦的迷宫中将被掩埋者的位置反馈回搜救中心。 • 。。。

28. 现场营救机器人 • 现场营救机器人的特点：在创意时一定要表现出不同用途机器人专业性（环境、功能、运动形式、构型……） • 消防机器人——例如油罐火灾，或化工厂火灾，不但有浓烟、强烈辐射热，还可能伴有剧毒或易燃易爆物质，消防人员无法接近。消防机器人多半是在专用车辆上面配装机械手

29. 图3 上海强师JMX-LT50型消防灭火机器人 （轮胎型JMX-LT50性能指标） 外形尺寸：（长）2.4m ×（宽）1.43m ×（高）1.5m总质量：1500kg无线遥控有效距离：≥150m行走速度（前行拖水带，后退不拖水带）≥3.6km/h

30. （美）InRob Tech公司消防机器人FFR-1 冷却系统可在6000℃高温环境下使机器人保持在600℃ 长162cm×宽114cm ×高380cm，重940kg。无线遥控，自电池驱动，2个CCD视频摄像机，行驶速度3～4km/h，爬坡30°，越障高度20cm。

31. 涡喷消防车 采用飞机涡轮发动机技术制造的高功率消防车 喷射功率：5000kw 作业效率：2min内扑灭520m2油池火势（单台涡喷） （乌鲁木齐市公安局有2台，用于油田和机场灭火）

32. Brokk50（瑞典）多功能消防机器人 外观类似于挖土机，重500kg，功率5.5kw（380V），无线遥控，有效作业区域：高2.9m×宽2.7m，用于破拆、挖掘、开槽、搬运物料，连续工作时间500h。工作臂前端可更换液压冲击锤、液压剪等不同工具 （现成都市消防队装备1台）

33. 美国宇航局远程生命探测器 车载机动消防机器人(子母车) （乌鲁木齐市）

34. “陆虎60”灭火雪炮（德国） 外形尺寸：高2m×宽1.3m×长2.3m 炮筒直径：60cm（内装360个喷嘴） 大功率鼓风机水雾射程：60m 遥控距离：300m 用途：在隧道、地下车库、地铁通道等狭长地带，用水雾排烟、冷却、稀释毒气、灭火（相当3支喷雾水枪的功效）。（现杭州、成都等4个城市消防均已引进） 成都，一辆载客中巴驶进东城根街隧道，至隧道200米深处，车头突然冒烟，火舌夹着滚滚浓烟迅速充满隧道。成都消防支队指挥中心接到报警后迅速出动灭火雪炮，冲进浓烟深处，只见一股粗壮的水雾柱从炮口中喷出，足有20米长，在水雾柱的驱赶下，隧道内的温度迅速下降，浓烟被水雾柱吹走，中巴车大火随即扑灭，烟雾散尽。

35. 抢险救援机器人巨无霸《Enryu-52》（日）Tmsuk公司 1994年 外形尺寸：3m（高）×4m（臂展）重量：5t（能抱起1t轿车） 功能：清扫积雪、山地雪崩后形成的大雪块，救援深陷雪中的轿车 （研发《Enryu-52》的初衷是地震抢险。2010年1月日本关东地区发生大雪灾（约120人丧命）后用途改为雪后山地救援（当然也能胜任地震救援）。

36. “T-53 ENRYU”履带式双臂机器人 （日本防灾机器人开发委员会及TMSUK株式会社） 外形尺寸：140×232×280cm 总重量：3t 总关节数：18 机械臂：2（各6个关节） 起重能力：100kg 驱动方式：油压 连续工作时间：6h 操作方式：搭乘式or无线遥控 视觉功能： 头部38万象素变焦相机、躯干部广角相机、手腕部CCD相机 作业能力：人员无法接近的危险区救援，相当数十人的能力 “援龙 T-53”是该公司第三代大型救援机器人，前两代机器人分别是2004年开发的“T-52ENRYU”，以及2000年开发的水压驱动机器人“T-5”。

37. 除雪机器人“雪太郎”（日• 新泻市） 外形：长51.6m×高0.8m，总重近480kg，有全球定位系统(GPS)定位导航，两个摄像机避障，以及一个雪砖制造机（压缩机、4挤压螺杆）。它的功能是边清扫积雪，边将积雪吸入体内，在体内将它们压成“雪砖”，再从车体的后方排出，被自动堆叠在储物台上，等待搬运储藏，以便在夏季充当“冷却剂”和“融水”。 开发方希望在5年内研制出产品，并将造价控制在100万日元以内(约合10000美元)，适于投放市场。真正买单的可能是市政当局。

38. 电力输电线路除冰机器人 在移动机构本体上装配除冰刀具，融合可见光检测、红外检测等的架空输电线路除冰检测机器人能在单根线路上实施带电除冰和检测作业。机器人应该具备抗强电磁干扰能力，在500kV、1000A的架空线路上作业时具有安全性。 近年来，输电线路冰灾事故在我国发生数千次，严重危及电网安全可靠运行。因此，利用机器人进行架空输电线路除冰、检测等带电维护，具有广阔的推广应用前景，对保障电网安全稳定运行、促进经济发展有意义。 山东电力研究院目前已经生产和正在组装的架空输电线路除冰检测机器人共7台。

39. 水下1500m处漏油点 火警现场浓烟滚滚 “深水地平线” （Deepwater Horizon）钻井平台爆炸漏油事故 • 今年4月20日夜，美国路易斯安那州附近墨西哥湾海域的“深水地平线”钻井平台爆炸，11人死亡、11人失踪、7人重伤。事故36h后，平台沉入海底。漏油点位于水下1500m，有三处。

40. 4月22日，美国立即派出机器人救援。照片显示一只机械手臂正在尝试关闭一些可控制泄漏的按钮和阀门，但是未获成功。4月22日，美国立即派出机器人救援。照片显示一只机械手臂正在尝试关闭一些可控制泄漏的按钮和阀门，但是未获成功。

41. 死去的海龟和海鸟 事故造成每天有15万升原油涌入墨西哥湾，成为美国历史上最严重的原油污染海洋事故 。图示为现场拍摄到的原油污染带和死去的海洋生物。

42. 水下机器人参与应急救援 5月14日，尝试在海底油井漏油口对接类似虹吸管的装置吸油。16日遥控水下机器人，在水下约1600米处成功将吸油装置与海底输油管连接，部分漏油开始输往油轮，不过效果仅是暂时的。 5月 26日，BP改为实施“灭顶法”作业（照片），令水下机器人将高密度液体（其压力大于外泄压力）打入油井，之后注入水泥封闭油井，也告失败。 6月23日，水下机器人将一条带有堵漏装置的细管道插入破损的油管中，油被抽到油轮上。工程师采用“盖帽法” (LMRP Cap)，遥控深海机器人剪断漏油处受损的油管、盖上防堵装置，而该装置又与油管相连，把漏油和天然气经油管送至海上的油轮。

43. 海洋蜂群（Seaswarm）机器人 （美）麻省理工的“感官城市”实验室研发。外形：长4.9m×宽2.1m，2万US$，可工作数月。外形像一个冷藏箱后面加上一条跑步机传送带。传送带采用被称为“原油泄漏纸毛巾”的纳米材料（亲油排水），能吸附自重20倍的原油。它漂在海面上，靠太阳能电池（100w）驱动机器人前进，并驱赶吸附的原油进入“冷藏箱”里。然后或借助加热器当场烧掉，或打包留等待事后回收。海洋蜂群机器人采取“集群”工作模式，漏油区域一次性可部署上千台，靠GPS定位，协同工作，并具有智能，可策划出最有效的清理方案。

44. 第三阶段——善后处置 在善后处理阶段，机器人也同样有用武之地，在运送伤员、远程诊断与手术、术后康复、心理治疗、残肢功能代偿等环节均能够发挥独特的效用。

45. （b）69个传感器的布置 （a）整体结构 big dog big dog的主要技术性能参数

46. big dog借助激光雷达跟踪士兵行进 （b）日本气动助力服 （a）BLEEX机器人

47. 机器人阿熊（the Bear） Vecna公司。能够站立、半跪或蹲下，担任救援工作，搭载一个伤员。通常，一个伤员需要4个担架员。阿熊靠无线遥控。 PackBot机器人 PackBot可与滑动担架组合，在危险地带托运伤员。此前美军提出的战场医疗系统，就将PackBot与医疗操作手结合起来，配以远程监控设备，对危险地区的伤员进行在线救治，拓展了它的救灾援助功能。

48. 残肢功能替代

49. 医疗机器人 “达•芬奇”外科手术机器人 有三头四臂（3个平台、4只操作臂），身高1.8m （成都）西南医院耗资2000万元引进

50. 四、实施阶段 经过课题研究，充分消化理解主题后，就可以进入课题的实施阶段。在实施阶段，一定要让自己所遴选的项目研究内容和演示内容贴合主题，在此前提下，围绕自己最有心得的，或者最感兴趣的机器人（或机器人系统）作品形式抒发创意，表述创新；或者突显一个或多个创意点，借助机器人的介入，衍生出新的解决方案，使现有的方案得以改进。