开题报告-套索传动搜救检测机器人结构设计

一、综述本课题国内外研究动态，说明选题的依据和意义选题的依据和意义近些年来，全球的灾难不断频发，人类所面临的救援技术挑战也逐渐增大，所以如何用正确科学的方法在灾难环境下救援，对于我们是非常重要的，地震、火灾、矿难等灾难发生后，我们需要考虑的是如何在废墟中搜寻幸存者．给予他们生存的物资和药品，并且尽快救出被困者。实际经验表明，超过48小时后被困在废墟中的幸存者存活下来的概率将越来越低。由于灾难现场情况复杂，救援人员自身安全得不到保证，废墟中形成的狭小空间使救援人员甚至救援犬也无法进入，在烟雾或者火灾等环境下救援人员也不能轻易地开展搜救工作，而机器人不同于人类，它可以随着工作环境设计大小、移动方式、耐热等各种适合工作情况的特性，所以需要设计一款能在狭小区域灵活运动搜索检测的机器人，套索传动结构有着外型尺寸小，传动路径灵活的优点，而自行车的刹车线既是它的一种应用。所以我认为将套索传动结构应用于搜救检测机器人上能够增强机器人的灵活性和减少机器人外形尺寸，让其更适合在狭小的灾难现场工作，最后实现套索传动搜救检测机器人和救援人员进行相应的协调帮助，更好的完成灾区的救援工作。套索传动搜救检测机器人不止能完成对灾难环境的救援工作，还能处理一些大型设备机器的提前预防性试验和内部的检测工作，因为对大型设备的拆卸检测是很大的工程量，对资金和人员都需要很大挑战，而且不定期进行内部检查也很容易出现内部隐患，这些都是靠搜救检测机器人可以解决的。国外研究现状国外研究救援机器人较早，近些年来，在1995年的日本神户-大阪大地震，日本对灾难机器人就进行了正式的研究实施，其次是在“911”恐怖袭击事件之后，美国等西方发达国家也在地震、火灾、爆炸等救援机器人开始正式性研究，对救援机器人也开始了正式投入使用。日本在1972年研究出第一款蛇形机器人，它是主要负责搜索工作的snakebot机器人，它依靠装有动力装置的尼龙绳索来进行驱动，依靠其灵活的身体，可以在各个灾后废墟的狭小角落中穿梭，利用构成眼睛的摄像头来观察灾区内部的具体情况。美国加州大学教授研究了一款是由硬纸板和电子器件的废弃部分构成、体积很小的Dash机器人，其相对其他救援机器人来说，有着生产成本低、移动性敏捷等优点。除了日本、美国还有其他国家在研究救援机器人，例如由加拿大研究的AZIMUT机器人，其可以根据环境与任务的不同而改变自身的形态，以达到更好的救援工作。还有西班牙的ALACRANE、瑞士的Shrimp、德国的MV4机器人等等。国内的研究现状2001年国防科技大学硕士研究生研制了我国第一款蛇形机器人，长1.2米、直径0.06米、重1.8公斤，它根据蛇的运动特征来进行机器人的移动，像蛇一样灵活的扭动身躯，而且它的速度可达到每分钟20米，头部则是机器人的控制中心。2005年中科院沈阳自动化研究所与日本国际救援系统研究院联合成立“中日救援与安全机器人技术研究中心”，于沈阳正式成立，日本和我国在救援机器人方面的合作，标志着我国搜救机器人的研究将进入一个发展更加快速的时期。2006年中国矿业大学可靠性工程与救灾机器人研究所研制了国内首台煤矿搜救机器人。这台搜救机器人有自主避障的功能，加上与工作人员的相互遥控指引配合，它能够深入事故矿井，探测其中的火灾温度、瓦斯浓度、灾害场景、呼救声讯等信息。同时，搜救机器人还可以携带救援药品、生存所需的食物和水、救援工具等。二、研究的基本内容，拟解决的主要问题：在设计搜救检测机器人中我认为主要需要考虑以下六方面的问题。一是准确性，搜救检测机器人的主要工作就是通过传感器和人之间的配合、环境信息的获取对幸存人员的搜寻。而由于灾难环境拥有很大的复杂性及不确定性，所以需要多方面的传感器来确保救援的准确性与快速性，为了完成搜索并发现幸存者，必须通过多种传感器数据的融合，需要解决的主要问题是对各种传感器的选择和其在搜救检测机器人上的应用。二是移动性，移动性是搜救检测机器人完成救援工作的决定因素。机器人移动平台应该能够在恶劣废墟环境中灵活地穿梭于狭小的空间之中，能够翻越障碍，爬楼梯，穿越泥泞的道路等，且机器人的移动不应对周围不稳定结构产生影响，以免发生二次坍塌或爆炸等。对于搜救检测机器人在不同的灾难现场的实际使用，需要设计一种适合机器人移动方式的结构，所以需要对机器人移动的系统方式和动力进行设计选择。三是材料的选择，搜救检测机器人应该具备适应恶劣环境的能力，具有防水、耐高温、防灰尘等能力，所以对材料和结构的要求都需要进行一定的考虑，以达到在不同的环境下都能进行正常的工作。四是灵活性，在灾难环境下需要保证对救援物资进行正确的抓举，所以搜救检测机器人机械手的灵活性也是应该考虑的问题，例如设计高自由度机构的机器人来提高灵活度，在机械手上安装力传感器来控制抓力的大小，对机械手的结构设计让其能更好地进行抓举各类救援物资，保证物资能够正确的到达受害者的身边。五是通讯方式，电缆方式可以稳定可靠地实现机器人和操作者之间的信息传送。但电缆方式也存在一定的问题，随着机器人搜寻范围的深入，线缆很容易发生缠绕而影响机器人的移动性。所以研制收放自如的电缆卷绕装置是解决机器人通信方式和移动性的关键。当然还有无线通讯方式，但是在灾难环境下其稳定性难以保证，它会由于带宽及各种干扰的影响导致通讯无法正常的进行，对救援工作将产生很大影响，所以当今稳定可靠的通讯方式是搜救检测机器人的设计中需要解决的问题。六是能源供给，在不同的环境下进行人员物资的搜救，对救援机器人的能源供给也有不小的的挑战，所以为了预防机器人在废墟内部由于电池耗尽而无法工作，甚至困在废墟中，机器人的能源供给和动力装置的选择将是需要考虑的问题。三、研究步骤、方法及措施：通过研究套索传动搜救检测机器人的工作环境要求，最终确定搜救检测机器人所要实现的具体功能；通过查找文献书刊研究套索传动系统特性，最终确定套索传动特性在搜救检测机器人驱动系统中的应用；通过对所需功能和工作环境的研究，查阅相关通讯方式的书籍和实例，最终对搜救检测机器人通讯方式进行选择设定；通过所要实现功能的描述和套索传动的特点，对传动结构和移动结构这方面书籍和相关的作品进行查阅研究，对实现功能所需要的力的大小和自由度要求进行计算设计，最终对机器人的传动结构和移动结构进行设计；通过设计好的传动结构和移动结构，参考相关的书籍，最终计算传动结构和移动结构之间具体的距离长短和形状大小，选择相应的材料，计算每个零件所需力的大小，验证材料是否符合所需强度；通过之前计算所需力的大小和确定好的功能要求，并且对相关的配置用品进行百度淘宝查阅、相关论文书籍的查阅，最终对传感器、电动机等配置进行选择确定；通过之前设计好的内部结构和对搜救检测机器人配置上的选择，查阅外型结构和材料选择的论文文献、书籍，最终确定套索传动搜救检测机器人的外型结构；根据设计好的套索传动搜救检测机器人，用三维建模软件soildworks进行三维造型图的绘制；根据三维图的造型和计算所得的各类数据，用二维绘图软件cad进行搜救检测机器人装配图、零件图的绘制；四、研究工作进度：进度安排：序号时间内容12018.9.27-2018.11.10教师报题、学院审题、双向选题22018.11.15-2018.11.25下达任务书32019.1.7-2019.1.13研究搜救检测机器人工作环境及功能需求42019.1.14-2019.1.21开题报告会52019.2.24-2019.3.10研究套索传动系统特性并确定其在搜救检测机器人驱动系统中的应用62019.3.11-2019.3.24确定套索传动机械人设计方案72019.3.25-2019.4.7绘制完成套索传动机器人三维造型图82019.4.8-2019.4.14中期检查92019.4.15-2019.4.28绘制完成装配图、零件图等合计3张0号图纸102019.4.29-2019.5.19撰写和完成毕业设计论文终稿112019.5.20-2019.5.26论文初审评阅及查重122019.5.27-2019.6.9答辩报告会五、主要参考文献：（所列出的参考文献不得少于10篇，其中外文文献不得少于2篇，发表在期刊上的学术论文不得少于4篇。）张涛．机器人技术在地震废墟搜索救援中的应用[J]．自然灾害学报，2012，21(5)：108-112王忠民．灾难搜救机器人研究现状及发展趋势[J]．现代电子技术，2007(17)：152-155徐草，章亚男等．废墟狭缝搜救机器人自动送进系统研究[J]．机电工程，2010，27（11），110-114奚如如，王兴松等．套索传动特性建模分析[J]．机械工程学报，2012，48（17）：38-44桑贤臣，陈笋等．一种新型柔索驱动介入式导管主动头端[J]．应用科技，2011，38（3）：55-60刘树青．仿生机械虎、腱（柔索）驱动的理论研究及初步应用[D]：[硕士学位论文]．南京：南京航空航天大学，2004刘霆，林英隆．含腱机构之构造分析及合成[J]．机械设计与研究，2002（增刊）：125－127陶俊，袁建军，张伟军，等．钢丝绳传动四自由度机械臂的机构设计[J]．机械与电子，2008(1)：31－34刘达，胡磊．微创外科机器人手腕灵活性的研究[J]．北京航空航天大学学报，2005，31(7)：730－734梁锋，王志良，解仑，等．多舵机控制在类人机器人上的应用[J]．微计算机信息，2008，24(1-2)：241－243周永春．喉部手术机器人系统从操作手的研究与开发[D]：[硕士学位论文]．天津：天津大学，2006陈林.套索传动系统建模与控制及其在细长柔软搜救检测机器人中的应用[D]:[博士学位论文].南京:东南大学,2013盛陈.套索传动搜救机器人研制[D]:[硕士学位论文].南京:东南大学,2013田福湘.套索传动轻型细长机器人技术研究[D]:[硕士学位论文].南京:东南大学,2009LiChen．DesignandModelingofaSnakeRobotinTravelingWaveLocomotion[J]．MechanismandMachineTheory，2007(42)，1632-1642AkihiroHirayama．DevelopmentofRescueManipulatortoSearchNarrowSpace