多功能辅助救援机器人设计说明书

辅助救援机器人PAGEPAGE4 辅助救援机器人设计说明书单位：吉林大学机械科学与工程学院创作成员：郭亚辰何佳龙周文成马浚铭邱幸指导老师：曲兴田王幼林二零一零年五月目录1.产品研发背景…………………32.产品结构及工作原理…………33.技术参数计算…………………94.关键部位校核…………………105.产品创新点……126.产品改进方案…………………137.产品推广前景…………………148.参考文献………149.文档附录………151、产品研发背景地震是众多自然灾害中危害较大的一种，不仅带来巨大的财产损失，更造成严重的人员伤亡。而地震因其本身的突发性等特征难以被预测，因此加强灾后救援力度就显得尤为重要了。地震后的救援工作主要分为两步，首先是对受困人员生命体征的探测，使用生命探测仪、热红外生命探测仪、“蛇眼”、声波振动生命探测仪、搜救犬、救援机器人等，探测到被困人员的位置后，第二步便是及时展开救援工作了。现有的救援机械多为重型机械，不适合复杂路况的行驶，而且在短时间内难以运送至受灾地点，因此在救援过程中常常需要使用一些小型的辅助救援工具。目前我国使用的该类工具主要包括千斤顶、小气垫等，其作用是在发现受困人员时将压在其身上的楼板支起。事实证明千斤顶、小气垫的承重能力较强，但自动化程度相对较低，需要靠救援人员深入废墟中心将其放置在相应的位置。在放置过程中，由于救援人员的自重较大（按75Kg计算），很容易造成废墟的二次坍塌。为了有效地解决这一问题，我们设计制作了该辅助救援机器人，它具有自重小、成本低，便于救援人员携带等特点。本设计将杆式起重机构与行走机械加以组合，并利用机电一体化的原理进行统一控制，提高了原有起重机械的自动化程度，有效地避免了二次坍塌的发生。2、产品结构及工作原理图2.1所示为产品的三维结构图2.1产品三维结构简图2.1行走部分一般救援机械的行走机构分为轮式和履带式两种。轮式行走机构的特点在于行进速度快，易于控制，但越障能力不强，且与地面接触面积小，产生较大的压强。履带式行走机构则具有越障能力强的特点，因此被广泛应用于工作环境较复杂的行走机械中，如近年来国内外研制的履带式越障机器人等，在军工等领域也得到了越来越广泛的应用。鉴于震后地面环境复杂，本产品行走部分采用履带式行走机构。行走部分采用两个独立电机分别驱动，电机的正反转可通过控制电路进行控制，根据电机转向的不同产生速差，从而实现机器人的转向。控制电路的工作原理将在后文中作详细介绍。短连杆销轴长连杆短连杆销轴长连杆螺母该产品的工作部分为一杆式起重机构，图2.2所示为其三维简图图2.2连杆式起重机构三维简图当机器人运行至相应位置时，履带电机停转。通过遥控控制丝杠电机旋转，带动螺母做直线运动，螺母运动的同时杆式起重机构双向升起。下端运行至与地面接触起支撑作用，将底盘及履带撑离地面。上端运行至与楼板接触，依靠丝杠螺母的自锁性固定并将楼板撑住。由于该连杆式起重机构对称性较好，且行走部分采用了履带式行走机构，该机器人在行进或工作过程中若由于路况等原因发生翻转，仍能正常工作。图2.3所示为该起重机构的机构简图。图2.3连杆式起重机构的机构简图其自由度P=1，以螺母为原动件，从而实现准确的运动。2.3控制部分由于救援过程中条件所限，需采用无线遥感设备，该部分完成的功能包括控制轮子电机正反转从而更好地实现转弯功能、控制工作部分电机的启停等。电路部分完全由设计者自行设计，设计部分如下：2.3.1与非门电路74LS08*2与门74LS04*1非门74LS32*2或门74LS148*174LS11*4与门图2.4与非门电路图2.4所示为机器人所需的与非门电路，分别可以根据需要输出不同的电信号从而完成对机械的控制。2.3.2电路设计原理图总电路接12V电源，为遥控控制电路、电机正反转控制电路、支撑机构保护电路供电总电路接12V电源，为遥控控制电路、电机正反转控制电路、支撑机构保护电路供电电路设有急停开关8SB，用于在工作异常时及时断开电路遥控控制电路负责远程控制履带电机的正反转及支撑机构的保护电路，其原理为：遥控控制电路负责远程控制履带电机的正反转及支撑机构的保护电路，其原理为：开关1SB、2SB、5SB、6SB负责控制继电器KM7、KM8、KM11、KM12的通断，进而控制电机正反转电路中其相应的常开触点的通断，实现电机的正反转控制。2、开关3SB、4SB负责控制继电器KM3、KM4的通断，进而控制支撑机构保护电路中相应的常开触点的通断。2.3.3履带的正反转控制电路图2.5履带正反转控制电路图2.5所示电路由电源、电机以及四个三极管构成，通过与非门电路转换输出信号，使不同的三极管导通，从而控制电机的正反转。由于履带由两独立电机分别驱动，因此可通过调节两电机的正反转方向使机器人转弯。2.3.4焊接电路板图2.5焊接电路板图2.5为最终焊接完成的电路板，外接电源为12V直流电，通过电压转换器件将其转化为直流5V稳定输出。通过遥控器控制74LS148的输出信号，低电平有效。信号经74LS11、74LS04、74LS08、74LS32进行逻辑运算，运算结果经三极管放大，分别控制三个电机的正反转。实现履带及丝杠电机的启停与转向。3、技术参数计算3.1履带电机功率计算设定整车质量m’=20确定k=1.2,设计质量m=k*m’=1.2*20=24Kg由于产品工作路况较复杂，选取摩擦系数f=0.5则整车前进所需总动力F=m*g*f=24*9.8*0.5=117.6N履带为齿形带，与之啮合的齿轮半径为R=65mm其所需扭矩为T=F*R=223.44*0.065=14.5236N*m为保证行驶平稳，行驶速度设为2m/min计算得电机输出转速为5r/min，使用电源为12V直流电源。由于采用两电机驱动，每个电机输出扭矩为7.2618N*m由T=9.55*=7.2618N*m，解得p=3.8W由机械工程手册得k=1.3，传动效率h=0.95，轴承效率h=0.9，得h=0.83因此电机输出功率为=4.58W所选电机为12V直流电机，功率为10W，所带变速箱速比为1:810，转速为5r/min4、关键部位校核经分析，连杆式起重机构为主要承力部件，因此需对其强度进行校核。1)图4.1所示结构中销轴处为结构的危险截面。杆1杆2杆1杆2杆3销轴图4.1连杆式起重机构图4.2所示为销轴的受力简图，此处忽略杆的自重，认为所有杆均为二力杆，受力均沿各杆自身方向。销轴轴向尺寸为75mm,径向尺寸为∅18mm下面校核顶角为120度时的应力状态。设F1=4000N，由受力平衡条件可知：图4.2销轴受力简图F1=F2*sin30°+F3*sin30°+F4*sin30°F2*cos30°=F3*cos30°+F4*cos30°F3=F4解得F2=4000N，F3=F4=2000N该销轴在竖直方向与水平方向所受弯矩图分别如图4.3所示：图4.3销轴弯矩图M==75N*m==130.984Mpa查表得铝合金材料的需用应力=195Mpa其安全系数S==1.49由此可知该处设计满足强度要求。2)长连杆强度校核长连杆受拉力F2=4000N,其截面尺寸为mm则===22.64Mp<[]因此满足强度要求。5、产品创新点1）设计理念的创新本产品立足于灾后救援的主题，对辅助救援机械加以改造，针对于人工操作的危险性，增强了产品的自动化和可控性。设计过程中本着“简单、轻便、实用、节约”的宗旨，摒弃了不必要的修饰，在完成功能、保证稳定性的基础上大大简化了设计。2）设计结构的创新a)将杆式起重机构与履带式行走机械配合安装，通过丝杠传递动力，并利用丝杠螺母副的自锁特性对起重机构进行准确定位，使之升起相应的高度。b)起重部分采用对称的双平行四边形机构，双平行四边形机构可大大提升起重部分的升起高度，当产品处于非工作状态时能够尽量减小竖直方向的高度。使产品的运输、安置更加方便；对称的设计增强了产品的稳定性，即当机器人因某种原因发生翻转后，仍能按原定设计继续工作，更好地适应了灾后的复杂路况。c)采用了先进的电控理念，电路部分完全自主设计并焊接而成。利用继电器及部分逻辑芯片的特定功能，将遥控器发出的信号转为电机的控制信号，从而实现对各电机动作的实时控制，提高了产品的自动化程度。6、产品改进方案产品加工完成后，发现有部分结构可加以改进杆式起重机构的杆长设计并非最优，发现可通过调整下半部分短杆的长度进一步降低产品非工作状态时垂直方向的高度，从而使其更好地适应复杂的工作环境。由导程=螺距*头数知可选择更大导程的丝杠，这样可加快起重装置升起的速度。改善整体配重，增强产品的稳定性。7、产品推广前景灾难的发生给我们带来巨大的生命财产损失，在科技发达的今天，仍然有很多灾难是人类难以预测且无法阻止的。这就意味着为将伤害降到最低，必须加强灾后的救援工作。该产品便是立足于灾后救援的辅助救援机械。目前普遍使用的辅助救援机械主要为千斤顶、气垫等传统机械，此类机械具有结构简单、体积小、起重能力强的特点，缺点是自动化性能差，需全部由救援人员手动操作，且易造成废墟的二次坍塌。鉴于此，我们设计了辅助救援机器人，它在功能上与传统的辅助救援机械类似，但其自动化程度得到很大的提高，另外在机构设计方面也进行了进一步的优化，不需要救援人员近身操作，降低了发生二次坍塌的风险。另外该机器人在设计过程中，尽量减小其各方向的尺寸，增强了其对工况的适应能力。辅助救援机器人成本零部件铝合金加工费用履带轮电机总计价格（元）5007005002302000由于该机器人为单件生产，成批投入生产后其生产成本控制在900元左右。根据市场调查结果可知，普通螺旋式千斤顶的价格在200——300元之间，而杆式起重机构的加工费用为220元，价格与普通千斤顶相当，在机构上性能更为优良（如前文分析），因此采用了该种设计方案。通过以上分析比对，可见我们的产品在中等城市有很大的市场潜力。低廉的制造成本，简易的操作方法，较高的执行效率等特点，会在未来的灾后救援工作中得到广泛的使用。8、参考文献1、《机械原理》秦荣荣崔可维主编高等教育出版社2006年3月2、《机械工程综合实验