基本信息
- 項目名稱：
- 多環(huán)境智能探測機器人
- 小類：
- 機械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 通過分析災害發(fā)生后的道路狀況惡劣、現(xiàn)場環(huán)境復雜、救援設備不力等實際問題，根據(jù)對國內(nèi)外災后探測設備的研究，自主研制了一種多環(huán)境智能探測機器人。該機器人是一種可在災害發(fā)生后代替救援人員進入救援現(xiàn)場，實施搜索和救援廢墟中的被困人員以及探測現(xiàn)場情況的多功能機器人，它具備越障功能、清障功能、搜索功能、救援功能和應急救助功能，具有不依賴于電力設施、環(huán)境適應能力強、體積小、重量輕、成本低等特點。
- 詳細介紹：
- 1 研制背景及意義 1.1 研制背景 近年來，國內(nèi)外地震、核泄漏、火災等災害頻發(fā)。這些災害造成了嚴重的人員傷亡和財產(chǎn)損失。這些災害發(fā)生后首要的任務是現(xiàn)場狀況和被困人員的探測工作。然而這些探測行動都遇到了同一個難題，因災害過后現(xiàn)場情況復雜（如：有害物質泄露、現(xiàn)場高溫、災后空間狹?。率咕仍藛T無法進入現(xiàn)場了解情況，救援工作難以展開。 1.2 國內(nèi)外現(xiàn)有救援設備的比較 目前國內(nèi)外的探測探測、救援裝置主要有礦山探測機器人、仿生機器人、星球探測機器人、千斤頂、液壓鉗、裝載機和挖掘機等[1]。 仿生機器人：其優(yōu)勢在于多自由度，運動靈活。但仿生機器人不是體積大、價格昂貴，就是體積小巧、運動靈活但功能單一，只能用于搜索傷員，、可靠性不高。且目前技術不是很成熟，在我國救援探測中應用推廣較為困難。而礦山探測機器人、星球探測機器人等工作范圍小，功能專一，價格昂貴，不適合在多種復雜災后現(xiàn)場進行探測活動。 為了有效回避以上探測機器人的缺點，我們設計了一種能在多種環(huán)境下進行智能探測的機器人，它具有體積小，運動靈活，能適應多種復雜情況、能夠進行簡單救援的優(yōu)點。 該機器人制作過程較簡單，機構設計合理，造價低廉。在進行探測的過程中，行走方便、速度較快，多機構能夠同時運動相互配合，從而能達到有效避障的目的。 同時，該機器人能夠搭在多種傳感器和探測設備，適用于多種環(huán)境下的探測活動，應用范圍廣泛。而且，此機器人能夠搭載無線設備，可以實現(xiàn)救援人員較遠距離操控，能實現(xiàn)在人類不能靠近的危險環(huán)境下進行探測。 千斤頂：我國災害救援中應用較廣泛的工具。它的缺點是不能自動移動，施力方向不可以改變。 液壓鉗：采用剪式支架，配備液壓動力裝置，以液壓缸推動剪式支架，通過杠桿用原理，將其推力轉化為鉗口上的夾持力，如果鉗口的夾持力超過被夾混凝土的抗壓強度，混凝土構筑物被夾碎解體。液壓鉗的優(yōu)點是結構簡單，使用方便。但是它的缺點是功能單一，在災害救援中只能實現(xiàn)簡短鋼筋的功能。 裝載機和挖掘機：它們的優(yōu)勢是作業(yè)速度很快，但它們本身的體積大，重量大，這使得這些器械很難進入受災地區(qū)，即使某些地區(qū)的道路條件允許它們進入，在救援過程中也很容易引起二次塌方，這些都限制了它們在救災救援中的使用。 日本研制成功了一種小型的救援機器人，但該種機器人體積太小，僅能用于復雜現(xiàn)場的人員搜索和現(xiàn)場勘查等工作，而無法施展救援任務。 1.3 研究意義 針對以上情況，本文設計了可以進入復雜災后現(xiàn)場，采集現(xiàn)場參數(shù)、反映現(xiàn)場情況輔助救援，幫助救援人員制定解決方案的機器人。本作品具有體積小、靈活性強、維修簡單的特點。可以由救援人員隨身攜帶進入現(xiàn)場實施探測。所有設計均適用于惡劣條件[2]。 2 設計方案 2.1 設計要點 1）具備越障功能 為了使所研制的機器人能夠適應災區(qū)現(xiàn)場的復雜路況，需要設計一套越障機構，使探測機器人可順利的在復雜的路面上行走，并可越過一定高度的障礙物，也可越過一定寬度的溝壑。 2）具有清障功能 為了使機器人在行走過程中不受懸掛式障礙物的阻礙，需要設計一套清障機構，用于清除懸掛障礙物，如：鋼筋、木頭、水泥板等。 3）具有多角度舉升機構 為了使機器人可以舉升不同角度的重物，需要設計一套穩(wěn)定的多角度舉升機構，使機器人既可以舉升重物，又不受重物傾角的影響，同時又不會對機器人本身的機械裝置造成危害。 4）具有應急功能 當探測機器人無法對被困人員實施有效救援時，亦可以為被困人員提供一定的醫(yī)療救助，即是通過所攜帶的醫(yī)務箱為被困人員提供水、藥等救助，為進一步救援爭取時間。 2.2 設計方案 根據(jù)以上設計分析，完成了探測機器人的整體三維設計，如圖1和圖2所示： 圖1 整體設計方案 圖2 設計方案的多角度視圖 本作品能實現(xiàn)行走，探測現(xiàn)場參數(shù)，翻越障礙物，清除阻礙物，越溝，支撐水泥板等功能。行進機構運用履帶；翻越障礙物功能采用行星輪機構來完成；越溝功能運用擺臂完成：支撐水泥板的功能采用液壓系統(tǒng)來實現(xiàn)。附屬功能有：人機交互功能（在作品上安裝攝像頭，便于人對本作品的控制）；附帶緊急救援必需品。本作品體積小，長約500mm，寬約400mm，高約250mm。重量輕，方便攜帶且具有足夠的強度。 3 主要參數(shù)計算 1）選用雙作用伸縮式液壓缸 液壓缸的基本參數(shù)： 內(nèi)徑： 80 mm 行程： 200 mm 載荷： 1~2 t 2）液壓傳動系統(tǒng) 按載荷選擇工作壓力： 載荷／KN： 10～20 壓力／MPa：8～16 圖3 雙作用伸縮式油缸 按工作壓力選取d／D： 查得d／D=0.55 ∴d1=45mm，D1=40mm，d2=22mm 3）液壓系統(tǒng)及元件公稱壓力： 1.5×1000×9.8／（π×20×20）= 11.7MPa 查表得所選公稱壓力為16MPa 4）液壓缸工作負載與液壓缸推力，工作速度的計算 工作負載： ≈1.1 =（11~22）KN ——工作負荷 ——摩擦力 ——慣性阻力 工作速度： 根據(jù)工作要求得所需工作速度為：0.004m/s 5）液壓缸流量 工進階段 取 工退階段 取 液壓泵采用手動泵。 4 功能原理與結構分析 4.1 功能原理 該種救援機器人的功能主要分為五點： 1）本作品由人控制進入狹小空間，同時通過安裝在小車上的攝像頭來了解現(xiàn)場情況，從而確定行進路線?？刂品绞椒譃橛芯€和無線兩種，可根據(jù)環(huán)境轉換。本機器人亦可以搭載多種探測設備，根據(jù)不同現(xiàn)場環(huán)境進行轉換，適應多種復雜環(huán)境； 2）當遇到阻礙物需要越障時，則利用前輪的行星輪機構翻越障礙[3]； 3）當遇到深溝時，利用由擺臂等組成的越溝機構越過深溝； 4）當遇到的障礙物需要清障時，運用清障機構將障礙物清除。清障機構共有兩套，分別用于清除木質和金屬障礙物。如所遇障礙物為桿狀，也可采用液壓剪將其清除； 5）小車到達作業(yè)位置后，液壓缸活塞桿伸出，當活塞桿接觸水泥板開始受力時，升降機構中的彈簧被壓縮，使得液壓缸降落到地面，受力物體由車體變?yōu)榈孛??；钊麠U繼續(xù)伸出直至被困人員能逃脫。 圖4 作品實物圖 4.2 機構分析 1）行進機構 組成：行進機構主要由電機組（每組由一個24V直流大功率電機和配套減速器組成，輸出轉數(shù)為12轉/分鐘），行星架和履帶組成。 驅動：小車的行走由4組電機分別驅動4組車輪來實現(xiàn)。分別驅動的好處是適應了復雜環(huán)境下地面不平整的情況，救援人員可以根據(jù)地面情況單獨控制每一個電機，很方便的調(diào)節(jié)機器人的位置和方向。 圖5 前輪 圖6 后輪 履帶：當電機組的動力傳到主動輪上時，主動輪撥動履帶，于是接地履帶和地面之間生產(chǎn)了相互作用力。根據(jù)力的作用與反作用原理，履帶沿水平方向給地面一個作用力，而地面給履帶一個反作用力，這個反作用力使機器人運動。這里用的履帶是使用傳動鏈和橡膠塊制作的專用履帶，更適應復雜環(huán)境。 圖7 前輪工作原理圖 前輪：內(nèi)部采用了行星輪結構，中間的小齒輪和電機組連接作為主動輪，通過外面兩層的齒輪最終把運動傳遞給鏈輪，由鏈輪帶動最外層的輪帶（如圖5）。與傳統(tǒng)的履帶機構相比這種機構為機器人帶來了三種運動方式： ①三角形的一邊接觸地面，通過履帶的運動前進?？梢栽谄教够蛘系K物較低的路況上使用。 ②當前方的障礙物阻礙了履帶運動時，整個前輪機構整體做翻越動作，跨過障礙物。 ③在前輪翻越的基礎上由后輪提供推力使機器人還可以整體向上攀爬一定距離。 后輪：采用傳統(tǒng)的履帶結構，給機器人提供更大的驅動力。小鏈輪作為主動輪，兩個大鏈輪起從動，負重和支撐作用（如圖6）。 2）越溝機構 圖8越溝機構 基于小車行星輪難以越過溝壑的情況，本作品設計了越溝機構。 主要部件：鏈輪，鏈條，擺臂，輪 工作原理：電機將動力傳遞給鏈輪，鏈輪通過鏈將動力傳遞到帶有鏈輪的軸上，再通過兩條鏈將動力分別傳遞到前后兩軸上。前軸帶動擺臂轉動，后軸通過齒輪齒條機構使齒條伸出。擺臂和伸出的齒條支撐在溝的兩側，從而實現(xiàn)越溝的功能。 作用：通過擺臂和伸出齒條增加整體的長度，使其順利越溝。當遇到深溝時啟動電機，擺臂擺動越到溝對面，齒條伸出。前輪越溝時，擺臂起支撐作用，后輪越溝時，齒條起支撐作用。 3）清障機構 圖9鋸式除障機構 鋸式清障機構： 主要部件：電機組（4個24V直流電機），齒輪，絲桿，方桿和鋸片。 動作過程：一電機通過齒輪傳動和螺紋傳動使整個清障機構實現(xiàn)上下移動；一電機通過齒輪傳動和螺紋傳動使絲桿前后移動，而絲桿帶動方桿移動從而實現(xiàn)鋸的前后移動；一電機通過齒輪傳動使方桿轉動而使鋸轉動，另一電機控制鋸片的轉動。 液壓剪機構： 由成品的液壓剪改造而成，用于剪斷鋼筋等金屬物。 作用：清除障礙物，保證機器人的行進。 4）舉升機構 主要結構：二級油缸，電機組，支撐機構，升降機構，液壓剪 電機組：由一個24V直流大功率電機和配套的減速器構成，最終輸出轉速為20轉／分鐘。電機的轉動帶動絲杠轉動，從而控制絲杠上滑塊的位置。 圖10 舉升機構 采用絲杠的好處：當絲杠為主動件轉動時，滑塊因內(nèi)有螺紋就會隨絲杠的轉動角度按照對應規(guī)格的導程轉化成直線運動，并具有傳動效率高，定位準確，實現(xiàn)自鎖的效果。 圖11 四桿機構桿長計算圖 圖12 四桿機構 支撐機構：支桿，油缸，滑塊和底座四部分構成了一個四桿機構，通過調(diào)節(jié)滑塊的位置來控制油缸的角度。如圖11：AB為滑塊高度，BD為絲杠，滑塊沿絲杠移動的軌跡為BB’。CD為支桿，AC為油缸的一部分。AB＝50mm，AC＝36mm，CD＝100mm，BD＝110mm，BB’＝59mm。當滑塊由Ｂ位置移動到Ｂ’位置時，油缸緩慢抬起可以到達豎直位置。 液壓缸活塞桿伸出作業(yè)時，較大作用力會作用于車體，為避免較大作用力直接作用于車體而造成的傷害，本作品設計了彈簧升降裝置。 彈簧升降裝置：六根定位柱很好的固定了底座和機器人底板的水平相對位置，套在定位柱上的彈簧支撐起整個舉升機構，當油缸作時，彈簧受力壓縮使底座接觸到地面。這樣使得車體只分擔一小部分力，大部份力作用于地面，避免了巨大作用力對車體的損壞。底座上安裝有五個突出點，便于底座抓地。 圖13 彈簧升降裝置 液壓缸：采用液壓系統(tǒng)作為動力輸出裝置。因為它采用礦物油作為工作介質，該介質有良好的潤滑和防銹性，有利于提高液壓元件的使用壽命。由于液壓流量易于連續(xù)調(diào)節(jié)，所以液壓傳動實現(xiàn)無極調(diào)速方便。占用較小的體積但是能夠輸出很大的舉升力，適用于各種救援現(xiàn)場。表1和表2為液壓缸主要參數(shù)和工作所需流量。液壓缸主要參數(shù): 表1 液壓缸主要參數(shù) 類型 內(nèi)徑（mm） 行程（mm） 載荷（T） 工作速度（m/s） 雙作用伸縮式 80 200 1~2 0.004 表2 液壓缸流量 單位：ml/s 工進階段 工退階段 大直徑缸筒外伸 小直徑缸筒外伸 大直徑缸筒縮回 小直徑缸筒縮回 20.10 10.05 13.75 3.50 表3 液壓剪技術參數(shù) 型號 噸位（T） 剪切范圍（mm） 整機重量（kg） HHG-16F 8 4-16 1.8 5）附屬機構及其功能 遠程監(jiān)控：機器人上還安裝有攝像裝置，照明裝置和對講裝置[4]。使救援人員更清楚的了解救援現(xiàn)場的情況（包括行進路徑和傷者的狀態(tài)）。 醫(yī)療救助：機器人攜帶一個醫(yī)療箱，其中有營養(yǎng)液和必要的自救藥物供傷者使用，提高傷者的生命力，為進一步的救援贏取時間。 無線探測：為避免能源消耗，除了現(xiàn)有的有線控制進入救援現(xiàn)場方式外，配置無線控制進入現(xiàn)場進行搜索，作品無線控制模式下的實物整體圖見圖14。 圖14無線模式實物整體圖 5 創(chuàng)新點及應用 5.1 創(chuàng)新點 創(chuàng)新點主要包括以下幾點： 1）采用行星輪與履帶結合的行走機構：行星輪可使小車翻越一定高度的障礙物，履帶可以使小車更平穩(wěn)的前進，兩者的結合可以使小車適應更多變的環(huán)境。 2）彈簧升降裝置：在實施救援時，利用彈簧將小車作業(yè)的部分降到地面，使地面成為受力點，可以使液壓缸施力更穩(wěn)，同時減輕了車體的負擔。 3）越溝機構：越溝機構中的電機轉動時，通過齒輪及鏈條使齒條伸出，擺臂擺動。當遇到溝時，使得齒條與擺臂支撐在溝的兩邊，從而幫助小車越溝。 5.2 應用場合及前景 本作品通過人機交互功能來確定行進路線，可以自行清理行進過程中遇到的障礙，最終達到探測、救援現(xiàn)場情況和被困人員的目的，大大縮短探測、救援時間。本作品具有重量輕，體積小的特點，便于攜帶；可實現(xiàn)行走，越障，除障，越溝等功能；不需要采用交流電，能適應各種復雜狀況。綜上所述，本作品可以應用于火災、核泄漏以及地震災害現(xiàn)場的探測及救援，可以作為各種救援隊的必備品加以推廣。本作品可大型化，進一步加大了本作品的應用范圍。由于它具有的各種優(yōu)點它必定能夠成為探測、救援領域廣泛應用的一種新型的探測機械人。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術關鍵和主要技術指標
- 該機器人的設計圍繞能在多種復雜環(huán)境下進行探測救援活動，配合救援人員在現(xiàn)場復雜無法進入時展開探測工作，提供現(xiàn)場數(shù)據(jù)，方便救援人員制定方案。 該機器人依照體積小、運動靈活、制造維修簡單能進行現(xiàn)場救援的基本思路進行設計，采用多種機構相互配合，能夠實現(xiàn)機器人快速移動、越障、越溝，從而其能在多種復雜環(huán)境下進行工作。
科學性、先進性
- 我們設計了可以進入復雜災后現(xiàn)場，采集現(xiàn)場參數(shù)、反映現(xiàn)場情況，幫助救援人員制定解決方案的機器人。本作品具有體積小、靈活性強、維修簡單的特點。可以由救援人員隨身攜帶進入現(xiàn)場實施探測、救援。所有設計均適用于惡劣條件。 本作品的突出之處在于利用彈簧升降裝置：在實施救援時，利用彈簧將小車作業(yè)的部分降到地面，使地面成為受力點，可以使液壓缸施力更穩(wěn)，同時減輕了車體的負擔。，使機器人能翻過更高更陡的障礙物。本作品通過人機交互功能來確定行進路線，可以自行清理行進過程中遇到的障礙，最終達到探測、救援現(xiàn)場情況和被困人員的目的，大大縮短探測、救援時間。
獲獎情況及鑒定結果
- 無
作品所處階段
- 生產(chǎn)階段
技術轉讓方式
- 無
作品可展示的形式
- 實物、產(chǎn)品 、現(xiàn)場演示、錄像、樣品
使用說明,技術特點和優(yōu)勢,適應范圍,推廣前景的技術性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預測
- 該機器人不僅體積小、運動靈活，而且能夠實現(xiàn)遠程控制。其優(yōu)勢在于各個機構的設計，機構不僅能單獨使用，還能相互配合，故此機器人具有很高的自由度，能夠更順暢的進行探測。其成本低廉易于推廣。 此外，此機器人具有一定救援功能，能夠現(xiàn)場解救被困人員。由于這種無可替代的作用，市場對其需求專一，由于搭載探測器可以根據(jù)不同現(xiàn)場情況更換，故需求量大?？膳鋫溆谙绬挝?、核電站、災后救援隊等。
同類課題研究水平概述
- 現(xiàn)在國內(nèi)外有的探測機械有礦山探測機器人、仿生機器人等。 仿生機器人：其優(yōu)勢在于多自由度，運動靈活。但仿生機器人不是體積大、價格昂貴，就是體積小巧、運動靈活但功能單一，只能用于搜索傷員，、可靠性不高。且目前技術不是很成熟，在我國救援探測中應用推廣較為困難。而礦山探測機器人、星球探測機器人等工作范圍小，功能專一，價格昂貴，不適合在多種復雜災后現(xiàn)場進行探測活動。 日本橫濱警察署研發(fā)設計“爬行者”(Crawler)機器人，它的內(nèi)部是舒適的空間，承載極限是250磅，可作為“艙體”將人們安置轉移。雖然但該機器人的能將被困人員運出危險區(qū)域并保證過程安全，相當于一架“電子擔架”，但它的搜救功能有限，體積龐大，且僅配備一臺標準紅外攝像機。 英國華威大學的學生們制造出一款使用Kinect作為主傳感器的地震搜救機器人，代替了激光雷達這種昂貴而低效的二維傳感裝置。Kinect搜救機器人的區(qū)域搜索裝置可以傳輸三維地圖，這對于救援隊救助遇難者而言，有著無比的價值，但該機器人僅能用于生成地圖，不能搭載多種探測設備，應用范圍較窄，無法實施救援。 加州大學伯克利分校毫系統(tǒng)仿生實驗室一名教授研制的Dash，其設計靈感來自于最常見的的蟑螂，是用廢棄手機等電器的零件加上紙板做成的。每只的造價不超過1美元。但其僅配備了手機的低分辨率攝像頭和無線芯片等基礎裝備，而且用紙板做成的軀干對損傷幾乎免疫。 為了有效回避以上探測機器人的缺點，我們設計了一種能在多種環(huán)境下進行智能探測、救援的機器人，它具有體積小，運動靈活，能適應多種復雜情況的優(yōu)點。 該機器人制作過程較簡單，機構設計合理，造價低廉。在進行探測的過程中，行走方便、速度較快，多機構能夠同時運動相互配合，從而能達到有效避障的目的。 同時，該機器人能夠搭在多種傳感器和探測設備，適用于多種環(huán)境下的探測、救援活動，應用范圍廣泛。而且，此機器人能夠搭載無線設備，可以實現(xiàn)救援人員較遠距離操控，能實現(xiàn)在人類不能靠近的危險環(huán)境下進行探測、救援。
