地震救援机器人设计说明书.doc

华北科技学院 地震救援机器人设计说明书 参赛单位：华北科技学院 作 者：孙浩然 梁陈赞 冯忠豪 刘俊 指导教师: 田忠友 王海鹏 16地震救援机器人 第 页/共 16 页目录 一.作品简介 1 二.主要功能指标 2 三.工作原理 4 四.运动分析 5 4.1腿部移动过程 5 4.2主题迁移过程 6 五.动力分析 8 5.1 单独由电机提供动力 8 5.2 由气缸和电机共同提供动力 9 六.实用化的可能 11 七.市场前景 .13 八.作品外形照片 14 九.参考文献16一.作品简介该作品是基于地震救灾为背景而设计研发的，是一种能够起清障作用、标记事故地点、探索救援道路的先进设备。该作品具有灵活、操作简便、适用性强、拓展功能多的特点，非常适用于救灾抢险工作。高度智能化和自动化是本作品的又一大特点，也是具备强势竞争力的一大优势。同时，采用了先进的控制系统和算法，是系统的通用性和适用性进一步增强，能够出色完成各项任务。本作品由中心搭载平台，四条安装在平台四角的机械腿，中部的两部液压支架以及构建在平台上的挖掘装置组成。机械腿由关节电机带动实现腿部移动，由安装其上的蜗杆装置实现腿部伸缩，四条腿依次移动后再次转动电机实现机械本体的整体前进。达到预定位置后平台上的气泵开始工作，带动整个装置的升降掘进，起到了除障清路的作用。同时腿部结构设计比较先进，使机械体具有一定的越障能力，摆脱了传统救灾设备行动能力不足的缺陷，对灾区环境有很强的适应能力。双模的行进机构使得系统灵活性和机动力极大增强。轮式行进可使机器人快速机动，灵活部署；机械腿行进可使机器人工作平稳，深入灾区。采用双模互换的行进方式既能节省宝贵时间，又能提高工作效率，同时兼具节能的特点。二.主要功能指标 该机器人是着眼于地震灾区的各类救援任务而开发的，其独树一帜的外形设计和结构设计使其能够遂行地震灾区的各种搜救、援助、运输、支承等任务。首先，通过加装红外感应器材和探人雷达等仪器设备，使其能够在较大范围内执行地震灾区的搜救任务，机器人的中心搭载平台采用模块化设计，可以根据实际需要即时更换设备进行搜救工作。在加装前部摄像头以后，使救援人员可以在远距离对其进行遥控，能够让救援人员更好地了解点灾区的地形地貌以及建筑结构情况，避免了危险区域在近距离对救援人员的潜在威胁；在加装先进的探人雷达后可以使救援工作者即时了解面灾区的被困者的分布情况以及生命生理状态，便于及时解救更加虚弱的被困者，最大限度的提高了灾区被困者的解救及存活概率。其次，在执行援助任务时，通过对机器人的中心搭载平台进行面积优化工作，令其携带不同的人物模块组件，以执行不同情况下的援助任务。当搭载语音模块时，可以通过单向或双向的语言交流来引导并协助有行动能力的被困者进行自救和逃离工作；当搭载吊装组件时，可以迅速的完成灾区废墟中的开辟工作，并将诸如汽油一类的危险品转移至安全区域；当搭载红外感应模块时，机器人可以在夜间执行援助任务，其可以在72小时的黄金时间内不间断的执行救助任务，有效地利用了宝贵时间、提高了工作效率、减轻了救助人员的工作负担并且提高了被困者的获救几率。再次，通过加固中心搭载平台，使其可以执行运送量庞大的运输任务。地震灾区中很多时候运送生活物资的车辆不能进入，就需要其他运输工具来替代，该机人便具有此项运输功能，其四腿结构牢固且运动灵活，具备一定的越障能力，能更好的适应灾区的路况，及时将必需品等物资运送至指定地点。同时，其还有运输人员的能力，可以在往返过程中运送救援人员和被困者，免除人力运送的缺点。最后，该机器人具备的支承功能是独一无二的。小型化的机器人搭载特种支承工具于其中心搭载平台，前置CCD摄像机，周身感知系统，北斗卫星导航系统，可以在废墟中遂行大型机械不宜支承的任务，并减小对废路面的压力，可以出色的在废墟中开辟通路，救援诸如被困于墙板下的被困者，同时可以从不同角度不同方向开辟通路，选取最优化的通路引导被困者脱离危险区域。具备了攀爬能力的机器人更可以在空间的三维范围内启用支承功能，对灾区救援工作起到了不可替代的作用。三.工作原理该机器人以开辟救援通路为主要任务，当其行进至工作区域后即开启清障功能。采用四腿机构的机器人可以平稳的运行于路况复杂的路面，双级的腿部结构具备了较大的伸缩能力，可以越过各种障碍，到达指定区域后，由人工遥控选择合适角度和合适方向，做好准备工作。在机器人的中心内搭载平台上装备有独立的挖掘工具，该挖掘工具为一台液压挖掘机，目前由气泵代替液压部分功能。当前期准备工作完成后，挖掘系统运作，通过程序控制气泵的工作，根据实际情况和实际所需拓展空间调整气泵的伸缩量，以达到最佳挖掘量。由于挖掘机的设计目标定位于能够进行360度周身工作，其工作范围十分宽大，通过对液压系统的优化设计，可以为挖掘机提供强劲的动力，配合其灵活的机械腿，可以出色的完成开辟通路的任务。当机器人工作于城市废墟中时，其前部的大功率水泥切割机即发挥作用。很多情况下，救援人员面对大片的水泥楼板、混凝土废墟无计可施，该地震救援机器人就可以发挥其不可替代的作用：切断楼板，破除残垣障碍，开辟救援通路。通过机器人的水泥切割机和挖掘机的相互配合，机器人可以在很短时间内开辟出一条希望之路，多个机器人同时工作时，更能高效的完成人力难以完成的任务。四.运动分析该救援机器人的工作区域地形比较复杂，采取模拟四足动物的走路方式，先动作左前腿，向前移动，在动作右后腿向前动作，随后是右前腿的前移，最后在进行左前腿，这样可以有较高的爬越能力，也增加了整个机械的稳定性和平稳性，更好的在地震废墟之下前进。整个机械的运动分为腿部前移，主体前移两大过程，以及到达指定目的地之后的清障通路过程。以下对三个过程进行分别阐述：4.1 腿部移动过程当机械受到预定指令，准备运动前移时。先由其上的分布在机械腿部的接触传感器，以及位于主干上的距离传感器，进行系统的初始检测，以保证在整个机械的运行时在一个设置好的状态下稳定开始的。4.1.1 初始化完成后，机械腿处于设置平衡的位置，腿部完全处于收缩状态，之后程序开始运行。4.1.2 程序开始运行之后，四条机械腿与两部液压支架同时工作，将机器人本体整体平稳抬升，直到机械腿完全伸展开停止。此时机器人达到最佳工作状态，并且具备最佳的越障能力。 4.1.3 机器人行走的第一步是左前腿的提升，通过关节电机带动蜗杆旋转，机械腿上提，随后由腿部水平放置的关节电机驱动机械腿向前移动，运行至机械腿的最大步幅时停止前移，机械腿在关节电机带动下下降落至地面，至此行进第一步完毕。随后右后腿重复第一步的运动过程，直至右前腿和左后腿运动完毕，机器人的四腿移动停止，机器人本体准备前移。4.1.4 机械腿前移停止后程序发出指令启动液压支架电机，两部液压支架顺次提升至最大高度，驱动四条机械腿前移的四台电机随即同时启动，在地面摩擦力的作用下机器人本体相对于机械腿前移，前移距离仍然为机械腿的最大步幅。整体前移后两部液压支架依次下放至地面，为下一步前进做准备。4.2 主体迁移过程当腿部前移过程结束后，四条机械腿已经处在前于主体的位置，此时，程序控制驱动机械腿前移的四部直流电机同步运行，通过四条机械腿由自重与地面产生的摩擦力使主体向前平移，这样就完成了一个循环。随后即通过初始化，机械腿部前移，主体前移的循环，使机械运动前行。当机器人运动到指定位置时，进行机器人的主体过程清障通路过程。清障过程：到达预定目的之后，程序就会在所在动作结束归于初始时，关闭第一阶段所有过程，并且对第二阶段运行的设备进行初始化。初始化完成之后，程序会控制电源给气泵电机供电，使气缸充气。充气过一段时间后，通过手动阀门开关给置于主体中心搭载平台的小气阀通气，使挖掘机调整工作状态并调整工作位置，通过对挖掘机各个关节部位气泵的控制来操作挖掘机的挖掘工作，使其工作处于平稳状态。 在机器人前进过程中，如果遇到过高的障碍物的难以越过时，位于其前部的水泥切割机工作，将机器人前方一片区域内的障碍物切除掉，并由挖掘机将其运至所开辟通路两侧，以保证救援道路的畅通。由于机器人采用高机动力的腿式结构，其越障能力大幅提高，较之传统履带式结构有着无可比拟的优势，能够深入到灾区深处执行任务。 五.运动分析 5.1 单独由电机提供动力单独由电机提供动力指的是，由电机提供动力，通过涡轮蜗杆等装置来驱使各个关节的运动，从而模拟腿部的运动，最终驱使整体运动。腿部暂时论定为两个关节（其他附属辅助结构暂不讨论）。主要是用电机使关节可以自由活动，至少能在一定角度范围内能自由活动。在腿部本身的关节上，可以用涡轮和蜗杆，电机转动，带动蜗杆，驱动涡轮，拉动关节的两部分之间的角度变化，从而满足关节活动的目的。在腿与主要机构部分相连的关节，同样是用涡轮蜗杆，驱使腿部能以主体上的一个点做一定角度的旋转运动。这样就能使腿部能具有空间的多角度运动，也就是使腿能向前迈。另外的一个重要功能是，它提供躯体前行的动力。在我们的讨论中，当腿运动到适合位置并与地面在位移上相对固定时，通过反作用力，使躯干向前运动。结合实际情况，以上只由电机驱动的情况有以下的优缺点：优点：能通过限位开关准确的控制。最重要的是，可以通过程序来实现自动的精确的控制。缺点：结合模型的部件，涡轮蜗杆机构相对来说比较大，而且各个关节运动步调不一致，每个关节都需要一个装置，这样非常容易使整个结构，包括关节和躯干，变得复杂和臃肿。5.2 由气缸和电机共同提供动力在各个需要活动的关节处，由气缸伸缩拉动或者推动腿部的关节活动。而电机装置，则是通过蜗杆代动涡轮来驱使腿与机器主要部分之间的相对运动。模型部件提供的是小型气压=动模型。有提供压力的气泵，以及气压。气体通过塑料管来连通。气动装置带动关节活动的原理是：将具有伸缩能了的气缸的两端分别铰接在关节的两个部分，当气缸伸缩时，就能通过改变长度来改变关节的角度。从而能使关节在一定的角度范围内活动，达到模拟关节活动的目的。电机则是提供腿部相对于主要机构部分的相对转动，同上面单独由电机提供动力相同，由涡轮蜗杆来传动，使腿部可以绕主要机构部分上的一个定点，在一定角度范围内自由转动。从而与关节的活动，达到在一定空间范围内自由运动的目的。同样的，在各个腿部到达合适的位置并与地面相对固定以后，电机转动，通过反作用是主要机构向前运动。 结合实际模型情况，电机和气缸混合提供动力的情况有以下优缺点。优点：虽然气缸比较多，但是可以同时由一个气泵提供压力，这样就精简了关节装置。而且容易实现组装。缺点：最大的缺点是不能实现准确控制。而且气缸的伸缩都只能用手动开关来控制，不能运用程序控制实现。六.实用化的可能该机器人及多功能于一身，具备执行多种任务的能力，是现实生活中不可或缺的一种先进救援机器人。其独特的中心搭载平台提供了强大的搭载能力，可以根据需求搭载不同的任务组件，完成不同情况下的各种任务。该机器人采用了先进的模块化组装技术，具备了同时遂行多种任务的能力，集强大功能于一身的机器人具备很强的市场竞争力和开发潜力，能很好的满足后续的改进升级工作而不致影响到后续使用。在灾区救援工作中，其极高的工作效率和极强的适应力是赢得订单的最主要因素，在能源充足的情况下可以24小时全天候执行救灾救援任务，能够深入人员不宜接近的地域执行任务，通过搭载不同组件完成摄像、测绘、探寻生命体、开辟通路、定位救助点以及运输救灾物资等工作，为受困者的生还增大了希望，为救助人员的工作提供了极大的便利，使得救援工作顺利进行。该地震救援机器人不仅使用功能多样全面，结构的灵活更是其一大特点，四腿机构的独立性可以使其在水平面内向任意方向运动，这是其他四足机器人所不具备的能力。该项性能使其在复杂的环境下依然能够行走自如的根本保证。机器人的强大运载能力非同一般，强大的驱动力和坚实的结构基础使其可以运载比自身重量还大的载物，这是救灾运输中最急需的能力，也是分秒必夺的救灾任务中最有价值的能力，多运载一份救援物资，就使受困者多一份获救希望。独具一格的清障系统又是该机器人的一大竞争优势，摒弃传统清障工具不易携带、工作范围小、缺乏三维工作能力的不足，极大增进了工作效率和工作能力，大小不同比例的机器人能够胜任各种不同环境下的清障工作，深入灾区内地执行任务。七.应用前景该机器人性能先进，功能灵活，可以广泛应用于国防科研、抗震救灾、工业生产、医疗保障、交通运输等各个领域。在国防科研领域：该机器人可作为样本研究的实验机器人，探究各种结构的可行性以及搭载多种功能组件的系统兼容性。同时可以改装成为特种机器人遂行某些特种任务，侦查、排爆、托运伤员以及不稳定地带的巡逻执勤任务。在抗震救灾领域：该机器人可以应用于消防抢救工作，探查点地带的火势情况，为消防人员的工作提供信息支