北华大学-缝隙救援生命索的研制.doc

缝隙救援生命索的研制*作者简介：姜海涛（1990-）、男，内蒙古赤峰人，本科生，主要从事机械设计工作。姜海涛 张春来 薛伟伟 张艳阳 吴大江（北华大学机械工程学院，吉林132021，中国）摘要：本文所提出的缝隙救援生命索是一种可广泛应用于地震、矿难、火灾等灾后生命搜索救援的装置。生命索可在人工控制驱动下利用钢丝绳索、机械式控制前进方向，深入倒塌建筑物所形成的狭小缝隙中曲折前行，同时对生命进行深入的搜索和探测。当发现被困人员时，对其进行流体给养，维持被困者的生命，从而为破障救援争取时间。通过实物样机进行试验表明：该装置方向控制可靠、灵活，模块化设计简单、快捷，整机轻便、实用，具有很强的适应能力。本文介绍了生命索的工作原理，并对方向控制关键技术进行了理论分析计算，研制了样机，并在模拟环境下进行了性能测试。关键词：灾害救援，柔性臂，方向控制 中图分类号：TH132 文献标示码：A0引言4近年来地震、矿难灾害频发，给人们的生命财产造成了巨大的损失，引起社会的广泛关注。在这些灾难发生后的救援中,救援人员只有非常短的时间(约72 小时) 在倒塌的废墟中寻找幸存者，否则获救的几率很低1。在地震后还存在建筑物二次倒塌的危险，施救人员几乎很难深入灾害现场进行侦察或施救。目前，震后生命检测手段单一、专业生命探测设备搜救能力不足等问题严重制约了震后救援工作的效率和效果。事实表明，由于目前采取的救援活动缺乏合适的装备或是反应不够迅速，导致很多人死于这种不专业的救援方式2。因此，在灾害救援中，急需一种体积小、重量轻、携带方便、易于操作、便于推广、适合复杂灾害现场人员搜救的小型化救援作业装置3。本项目所提出的缝隙救援生命索是一种结构简单、操作方便、具有柔性探测补给功能的新型生命救援装置。该装置采用人工作业方式，由两人配合操作使用，一名施救人员为其提供前进推动力，另一名施救人员通过安装在缝隙救援生命索前端的摄像头反馈的视频信息控制生命索的前进方向，可深入倒塌建筑物所形成的狭小缝隙曲折前行，并通过搭载的生命探测设备对被困者进行生命探测。当探测到生命信息时，该装置可为后续救援方案的实施提供详细地貌信息，同时该装置还具有食品、药品补给功能，为被救人员建立生存信心，为破障救援赢得宝贵时间。1 缝隙救援生命索的工作原理图1 缝隙救援生命索系统组成图Fig.1 The system diagram of the rescue cable within gap缝隙救援生命索由柔性臂和方向控制平台两部分构成。其中柔性臂由探测单元、方向控制单元、柔顺单元、施力单元和单元间的联接模块组成；方向控制平台上装有CCD显示器、蓄电池组、给养泵、方向控制手柄、紧线器和分线器等装置。柔性臂的探测单元、方向控制单元及施力单元由三段不同长度的薄壁管构成，柔顺单元由弯管弹簧构成。柔性臂的探测单元、方向控制单元及柔顺单元之间 由弹性万向节连接，柔顺单元、施力单元以及方向控制平台之间采用刚性连接。探测单元安装在柔性臂的最前端，内部分别装有摄像头、红外探测仪、语音识别模块、给养管等装置。探测单元前端盖为半球形透明玻璃端盖，后端盖为铝合金材料。在方向控制单元、柔顺单元、施力单元所形成的管道内部分2组布有6根方向控制线（a1,a2,a3为A组,b1,b2,b3为B组），每组的三根钢丝绳呈周向120均布，A组的3根方向控制线前端与探测单元的后端盖刚性固定连接，尾端引到方向控制平台的左侧控制手柄处。B组的3根方向控制线前端与方向控制单元的后端盖刚性固定连接，尾端引到方向控制平台的右侧控制手柄处。生命索工作时，在人力的推动下将生命索的柔性臂伸入到建筑物倒坍所形成的狭小缝隙中，操作人员通过读取CCD显示器上探测单元摄像头所捕获的实时地貌信息，操作左右方向控制手柄，改变每组三根方向控制线的相对长度，分别控制探测单元与方向控制单元的行进方向，同时，在另一名操作人员推动配合下，柔性臂可绕过废墟瓦砾等障碍物寻找前进方向及对生命进行探测。2 缝隙救援生命索的方向控制线的受力分析缝隙救援生命索的方向控制是整个装置的关键技术，A、B两组方向控制线分别控制柔性臂的探测单元与方向控制单元的行进方向，柔性臂工作时呈空间运动，为了精确确定每组方向控制线的受力参数，需要对钢丝绳进行受力分析。为便于分析计算，对探测单元的模型进行简化，如图 2 所示。将方向控制线a2、a3等效为具有同等效果的a23、a1、a23距本体中心分别为D1、D2。基于以上假设所建立的力学模型如图3所示。图2 钢丝绳受力等效图Fig.2 The isoboles of steel cable stress 图3 方向控制部分的受力力学模型Fig.3 The mechanical model of the part of direction control对A组方向控制线的整体进行受力分析，由平面力系平衡方程得： 根据柔性臂的具体结构尺寸，忽略钢丝绳传导过程中的摩擦力，通过Matlab软件对方程求解得： 通过以上计算可以求得每根钢丝绳的受力大小，但在实际中钢丝绳的摩擦力不容忽视。通过实验测得摩擦系数，对受力分析的数据进行修正。同理求得B组钢丝绳的受力数据，为装置的结构化设计提供依据。3 缝隙救援生命索的结构设计在对各单元的理论分析的基础上，采用现代设计方法和理论，确定了柔性臂各个单元的结构尺寸及单元间的联接形式，并利用三维设计软件，建立了生命索的三维数字化设计模型，对装置各零部件的空间布置进行了干涉检查和优化。巧妙地设计出具有弹性支撑功能的弹性万向连接模块（弹性万向节外部为一段大节距的弹簧，内部为万向节，其结构如图4）、快插式刚性连接模块、方向控制线的扩展搭接模块，采用这种模块化的设计思想，使柔性臂可根据救援现场的实际情况随时进行扩展搭接，保证了震后救援环境对缝隙救援生命索长度拓展的要求。具体结构如图5所示。图4 弹性万向节三维结构图Fig.4 Three-dimensional chart of elastic universal joint图5 缝隙救援生命索三维造型图Fig.5 Three-dimensional modeling diagram of the rescue cable within gap4 创新点1、 机械主体由弹性体模块化组成，搭接迅速，对未知环境适应力强通过设计具有一定刚度的弹性体单元作为生命索的主体，各单元之间可实现快速搭接，提高了对未知环境的适应能力及救援效率。2、 生命索前进方向由钢丝绳控制，操作灵活、成本低以人的推力为驱动力，牵引钢丝绳索实现方向控制，具有操作简单、可靠性高等突出优势。3、 生命索具备给养功能，为破障救援赢得时间生命索内设给养管路，可向被困人员提供空气、水、流体食物等给养，延长了救援时间。5 研制结论目前已经完成了缝隙救援生命索第一代样机的制作，并搭建了灾害救援现场的模拟环境，对生命索的性能进行实验测试得出：生命索整体重量为 4.2 kg ，基本型长 1.45m，目前可扩展至3.5m，柔性臂直径38mm，最大弯曲曲率半径240mm，持续工作时间 20 小时。 通过试验表明：生命索方向控制简单有效，具有操作方便、实用性强、救援效率高的突出优势。项目核心技术已申请了国家实用新型专利，项目作品已入围了“第四届全国大学生机械创新设计大赛”国家决赛，下一步将根据前期测试数据，对各单元的尺寸及单元间的连接模块进行优化，并研制第二代工程样机。本小型化救援装置不仅可以应用于震后的生命搜索救援，也可应用于矿难、火灾、海啸等灾后的生命搜救。图6 缝隙救援生命索实物图Fig.6 The real products picture of the rescue cable within gap致 谢感谢国家对大学生科技创新活动的大力支持，感谢北华大学对大学生科技创新活动的高度重视，感谢北华大学大学生机电集成技术科技创新实践基地的老师、同学对本项目的帮助。还要特别感谢吉林省地震局工作人员的指导与帮助，为本项目提出了宝贵的意见和建议。参考文献1 董晓坡,王绪本.救援机器人的发展及其在灾害救中的应用J.防灾减灾工程学报，2007-02.2 Juhn Unsworth,Hamiltor,Snaking robotic arm with mov- -able shapersP. Unite States Patent: US2010/0030377 -A1,Feb.4,2010.3 Wayland E.Tobey,Sauk city,Modular hybrid snake armP. Unite States Patent:US2008/0302200A1,Dec.11,2008.4 Air-Octor.IEEE/RSJ International Conference on Inte -lligent Robots and Systems,2005.5 马培荪，王建滨.朱海鸿等.一种蛇形柔性臂的系统及结构J.上海交通大学学报，Vol.35，No.1，2001-6.6 Http：/.英国 OC 机器人公司.Study on the rescue cable within gapHai-Tao Jiang, Chun-Lai Zhang, Wei-Wei Xue, Yan-yang Zhang, Da-Jiang Wu(School of Mechanical Engineering, Beihua University, Jilin 132021, China)Abstract: This article discussed about a rescue cable which can be widely used in earthquake, mining accidents, fires and other disasters for searching life sign within gap. Through manual controlled and operated, this cable can be tip following in the narrow gap under the collapsed buildings. Once the victim being found, liquid foods can be fed in for supporting the victims life, thus gain more time for rescue work. The physical prototype experiment shows that the direction control of the device is reliable and flexible, modularity designing make it easier and faster for using, and the whole device is light, practical and adaptable. This article describes the working principle of the rescue cable, and makes the theoretical analysis and