基本信息
- 项目名称：
- 多环境智能探测机器人
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 通过分析灾害发生后的道路状况恶劣、现场环境复杂、救援设备不力等实际问题，根据对国内外灾后探测设备的研究，自主研制了一种多环境智能探测机器人。该机器人是一种可在灾害发生后代替救援人员进入救援现场，实施搜索和救援废墟中的被困人员以及探测现场情况的多功能机器人，它具备越障功能、清障功能、搜索功能、救援功能和应急救助功能，具有不依赖于电力设施、环境适应能力强、体积小、重量轻、成本低等特点。
- 详细介绍：
- 1 研制背景及意义 1.1 研制背景 近年来，国内外地震、核泄漏、火灾等灾害频发。这些灾害造成了严重的人员伤亡和财产损失。这些灾害发生后首要的任务是现场状况和被困人员的探测工作。然而这些探测行动都遇到了同一个难题，因灾害过后现场情况复杂（如：有害物质泄露、现场高温、灾后空间狭小），致使救援人员无法进入现场了解情况，救援工作难以展开。 1.2 国内外现有救援设备的比较 目前国内外的探测探测、救援装置主要有矿山探测机器人、仿生机器人、星球探测机器人、千斤顶、液压钳、装载机和挖掘机等[1]。 仿生机器人：其优势在于多自由度，运动灵活。但仿生机器人不是体积大、价格昂贵，就是体积小巧、运动灵活但功能单一，只能用于搜索伤员，、可靠性不高。且目前技术不是很成熟，在我国救援探测中应用推广较为困难。而矿山探测机器人、星球探测机器人等工作范围小，功能专一，价格昂贵，不适合在多种复杂灾后现场进行探测活动。 为了有效回避以上探测机器人的缺点，我们设计了一种能在多种环境下进行智能探测的机器人，它具有体积小，运动灵活，能适应多种复杂情况、能够进行简单救援的优点。 该机器人制作过程较简单，机构设计合理，造价低廉。在进行探测的过程中，行走方便、速度较快，多机构能够同时运动相互配合，从而能达到有效避障的目的。 同时，该机器人能够搭在多种传感器和探测设备，适用于多种环境下的探测活动，应用范围广泛。而且，此机器人能够搭载无线设备，可以实现救援人员较远距离操控，能实现在人类不能靠近的危险环境下进行探测。 千斤顶：我国灾害救援中应用较广泛的工具。它的缺点是不能自动移动，施力方向不可以改变。 液压钳：采用剪式支架，配备液压动力装置，以液压缸推动剪式支架，通过杠杆用原理，将其推力转化为钳口上的夹持力，如果钳口的夹持力超过被夹混凝土的抗压强度，混凝土构筑物被夹碎解体。液压钳的优点是结构简单，使用方便。但是它的缺点是功能单一，在灾害救援中只能实现简短钢筋的功能。 装载机和挖掘机：它们的优势是作业速度很快，但它们本身的体积大，重量大，这使得这些器械很难进入受灾地区，即使某些地区的道路条件允许它们进入，在救援过程中也很容易引起二次塌方，这些都限制了它们在救灾救援中的使用。 日本研制成功了一种小型的救援机器人，但该种机器人体积太小，仅能用于复杂现场的人员搜索和现场勘查等工作，而无法施展救援任务。 1.3 研究意义 针对以上情况，本文设计了可以进入复杂灾后现场，采集现场参数、反映现场情况辅助救援，帮助救援人员制定解决方案的机器人。本作品具有体积小、灵活性强、维修简单的特点。可以由救援人员随身携带进入现场实施探测。所有设计均适用于恶劣条件[2]。 2 设计方案 2.1 设计要点 1）具备越障功能 为了使所研制的机器人能够适应灾区现场的复杂路况，需要设计一套越障机构，使探测机器人可顺利的在复杂的路面上行走，并可越过一定高度的障碍物，也可越过一定宽度的沟壑。 2）具有清障功能 为了使机器人在行走过程中不受悬挂式障碍物的阻碍，需要设计一套清障机构，用于清除悬挂障碍物，如：钢筋、木头、水泥板等。 3）具有多角度举升机构 为了使机器人可以举升不同角度的重物，需要设计一套稳定的多角度举升机构，使机器人既可以举升重物，又不受重物倾角的影响，同时又不会对机器人本身的机械装置造成危害。 4）具有应急功能 当探测机器人无法对被困人员实施有效救援时，亦可以为被困人员提供一定的医疗救助，即是通过所携带的医务箱为被困人员提供水、药等救助，为进一步救援争取时间。 2.2 设计方案 根据以上设计分析，完成了探测机器人的整体三维设计，如图1和图2所示： 图1 整体设计方案 图2 设计方案的多角度视图 本作品能实现行走，探测现场参数，翻越障碍物，清除阻碍物，越沟，支撑水泥板等功能。行进机构运用履带；翻越障碍物功能采用行星轮机构来完成；越沟功能运用摆臂完成：支撑水泥板的功能采用液压系统来实现。附属功能有：人机交互功能（在作品上安装摄像头，便于人对本作品的控制）；附带紧急救援必需品。本作品体积小，长约500mm，宽约400mm，高约250mm。重量轻，方便携带且具有足够的强度。 3 主要参数计算 1）选用双作用伸缩式液压缸 液压缸的基本参数： 内径： 80 mm 行程： 200 mm 载荷： 1~2 t 2）液压传动系统 按载荷选择工作压力： 载荷／KN： 10～20 压力／MPa：8～16 图3 双作用伸缩式油缸 按工作压力选取d／D： 查得d／D=0.55 ∴d1=45mm，D1=40mm，d2=22mm 3）液压系统及元件公称压力： 1.5×1000×9.8／（π×20×20）= 11.7MPa 查表得所选公称压力为16MPa 4）液压缸工作负载与液压缸推力，工作速度的计算 工作负载： ≈1.1 =（11~22）KN ——工作负荷 ——摩擦力 ——惯性阻力 工作速度： 根据工作要求得所需工作速度为：0.004m/s 5）液压缸流量 工进阶段 取 工退阶段 取 液压泵采用手动泵。 4 功能原理与结构分析 4.1 功能原理 该种救援机器人的功能主要分为五点： 1）本作品由人控制进入狭小空间，同时通过安装在小车上的摄像头来了解现场情况，从而确定行进路线。控制方式分为有线和无线两种，可根据环境转换。本机器人亦可以搭载多种探测设备，根据不同现场环境进行转换，适应多种复杂环境； 2）当遇到阻碍物需要越障时，则利用前轮的行星轮机构翻越障碍[3]； 3）当遇到深沟时，利用由摆臂等组成的越沟机构越过深沟； 4）当遇到的障碍物需要清障时，运用清障机构将障碍物清除。清障机构共有两套，分别用于清除木质和金属障碍物。如所遇障碍物为杆状，也可采用液压剪将其清除； 5）小车到达作业位置后，液压缸活塞杆伸出，当活塞杆接触水泥板开始受力时，升降机构中的弹簧被压缩，使得液压缸降落到地面，受力物体由车体变为地面。活塞杆继续伸出直至被困人员能逃脱。 图4 作品实物图 4.2 机构分析 1）行进机构 组成：行进机构主要由电机组（每组由一个24V直流大功率电机和配套减速器组成，输出转数为12转/分钟），行星架和履带组成。 驱动：小车的行走由4组电机分别驱动4组车轮来实现。分别驱动的好处是适应了复杂环境下地面不平整的情况，救援人员可以根据地面情况单独控制每一个电机，很方便的调节机器人的位置和方向。 图5 前轮 图6 后轮 履带：当电机组的动力传到主动轮上时，主动轮拨动履带，于是接地履带和地面之间生产了相互作用力。根据力的作用与反作用原理，履带沿水平方向给地面一个作用力，而地面给履带一个反作用力，这个反作用力使机器人运动。这里用的履带是使用传动链和橡胶块制作的专用履带，更适应复杂环境。 图7 前轮工作原理图 前轮：内部采用了行星轮结构，中间的小齿轮和电机组连接作为主动轮，通过外面两层的齿轮最终把运动传递给链轮，由链轮带动最外层的轮带（如图5）。与传统的履带机构相比这种机构为机器人带来了三种运动方式： ①三角形的一边接触地面，通过履带的运动前进。可以在平坦或障碍物较低的路况上使用。 ②当前方的障碍物阻碍了履带运动时，整个前轮机构整体做翻越动作，跨过障碍物。 ③在前轮翻越的基础上由后轮提供推力使机器人还可以整体向上攀爬一定距离。 后轮：采用传统的履带结构，给机器人提供更大的驱动力。小链轮作为主动轮，两个大链轮起从动，负重和支撑作用（如图6）。 2）越沟机构 图8越沟机构 基于小车行星轮难以越过沟壑的情况，本作品设计了越沟机构。 主要部件：链轮，链条，摆臂，轮 工作原理：电机将动力传递给链轮，链轮通过链将动力传递到带有链轮的轴上，再通过两条链将动力分别传递到前后两轴上。前轴带动摆臂转动，后轴通过齿轮齿条机构使齿条伸出。摆臂和伸出的齿条支撑在沟的两侧，从而实现越沟的功能。 作用：通过摆臂和伸出齿条增加整体的长度，使其顺利越沟。当遇到深沟时启动电机，摆臂摆动越到沟对面，齿条伸出。前轮越沟时，摆臂起支撑作用，后轮越沟时，齿条起支撑作用。 3）清障机构 图9锯式除障机构 锯式清障机构： 主要部件：电机组（4个24V直流电机），齿轮，丝杆，方杆和锯片。 动作过程：一电机通过齿轮传动和螺纹传动使整个清障机构实现上下移动；一电机通过齿轮传动和螺纹传动使丝杆前后移动，而丝杆带动方杆移动从而实现锯的前后移动；一电机通过齿轮传动使方杆转动而使锯转动，另一电机控制锯片的转动。 液压剪机构： 由成品的液压剪改造而成，用于剪断钢筋等金属物。 作用：清除障碍物，保证机器人的行进。 4）举升机构 主要结构：二级油缸，电机组，支撑机构，升降机构，液压剪 电机组：由一个24V直流大功率电机和配套的减速器构成，最终输出转速为20转／分钟。电机的转动带动丝杠转动，从而控制丝杠上滑块的位置。 图10 举升机构 采用丝杠的好处：当丝杠为主动件转动时，滑块因内有螺纹就会随丝杠的转动角度按照对应规格的导程转化成直线运动，并具有传动效率高，定位准确，实现自锁的效果。 图11 四杆机构杆长计算图 图12 四杆机构 支撑机构：支杆，油缸，滑块和底座四部分构成了一个四杆机构，通过调节滑块的位置来控制油缸的角度。如图11：AB为滑块高度，BD为丝杠，滑块沿丝杠移动的轨迹为BB’。CD为支杆，AC为油缸的一部分。AB＝50mm，AC＝36mm，CD＝100mm，BD＝110mm，BB’＝59mm。当滑块由Ｂ位置移动到Ｂ’位置时，油缸缓慢抬起可以到达竖直位置。 液压缸活塞杆伸出作业时，较大作用力会作用于车体，为避免较大作用力直接作用于车体而造成的伤害，本作品设计了弹簧升降装置。 弹簧升降装置：六根定位柱很好的固定了底座和机器人底板的水平相对位置，套在定位柱上的弹簧支撑起整个举升机构，当油缸作时，弹簧受力压缩使底座接触到地面。这样使得车体只分担一小部分力，大部份力作用于地面，避免了巨大作用力对车体的损坏。底座上安装有五个突出点，便于底座抓地。 图13 弹簧升降装置 液压缸：采用液压系统作为动力输出装置。因为它采用矿物油作为工作介质，该介质有良好的润滑和防锈性，有利于提高液压元件的使用寿命。由于液压流量易于连续调节，所以液压传动实现无极调速方便。占用较小的体积但是能够输出很大的举升力，适用于各种救援现场。表1和表2为液压缸主要参数和工作所需流量。液压缸主要参数: 表1 液压缸主要参数 类型 内径（mm） 行程（mm） 载荷（T） 工作速度（m/s） 双作用伸缩式 80 200 1~2 0.004 表2 液压缸流量 单位：ml/s 工进阶段 工退阶段 大直径缸筒外伸 小直径缸筒外伸 大直径缸筒缩回 小直径缸筒缩回 20.10 10.05 13.75 3.50 表3 液压剪技术参数 型号 吨位（T） 剪切范围（mm） 整机重量（kg） HHG-16F 8 4-16 1.8 5）附属机构及其功能 远程监控：机器人上还安装有摄像装置，照明装置和对讲装置[4]。使救援人员更清楚的了解救援现场的情况（包括行进路径和伤者的状态）。 医疗救助：机器人携带一个医疗箱，其中有营养液和必要的自救药物供伤者使用，提高伤者的生命力，为进一步的救援赢取时间。 无线探测：为避免能源消耗，除了现有的有线控制进入救援现场方式外，配置无线控制进入现场进行搜索，作品无线控制模式下的实物整体图见图14。 图14无线模式实物整体图 5 创新点及应用 5.1 创新点 创新点主要包括以下几点： 1）采用行星轮与履带结合的行走机构：行星轮可使小车翻越一定高度的障碍物，履带可以使小车更平稳的前进，两者的结合可以使小车适应更多变的环境。 2）弹簧升降装置：在实施救援时，利用弹簧将小车作业的部分降到地面，使地面成为受力点，可以使液压缸施力更稳，同时减轻了车体的负担。 3）越沟机构：越沟机构中的电机转动时，通过齿轮及链条使齿条伸出，摆臂摆动。当遇到沟时，使得齿条与摆臂支撑在沟的两边，从而帮助小车越沟。 5.2 应用场合及前景 本作品通过人机交互功能来确定行进路线，可以自行清理行进过程中遇到的障碍，最终达到探测、救援现场情况和被困人员的目的，大大缩短探测、救援时间。本作品具有重量轻，体积小的特点，便于携带；可实现行走，越障，除障，越沟等功能；不需要采用交流电，能适应各种复杂状况。综上所述，本作品可以应用于火灾、核泄漏以及地震灾害现场的探测及救援，可以作为各种救援队的必备品加以推广。本作品可大型化，进一步加大了本作品的应用范围。由于它具有的各种优点它必定能够成为探测、救援领域广泛应用的一种新型的探测机械人。
作品图片
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 该机器人的设计围绕能在多种复杂环境下进行探测救援活动，配合救援人员在现场复杂无法进入时展开探测工作，提供现场数据，方便救援人员制定方案。 该机器人依照体积小、运动灵活、制造维修简单能进行现场救援的基本思路进行设计，采用多种机构相互配合，能够实现机器人快速移动、越障、越沟，从而其能在多种复杂环境下进行工作。
科学性、先进性
- 我们设计了可以进入复杂灾后现场，采集现场参数、反映现场情况，帮助救援人员制定解决方案的机器人。本作品具有体积小、灵活性强、维修简单的特点。可以由救援人员随身携带进入现场实施探测、救援。所有设计均适用于恶劣条件。 本作品的突出之处在于利用弹簧升降装置：在实施救援时，利用弹簧将小车作业的部分降到地面，使地面成为受力点，可以使液压缸施力更稳，同时减轻了车体的负担。，使机器人能翻过更高更陡的障碍物。本作品通过人机交互功能来确定行进路线，可以自行清理行进过程中遇到的障碍，最终达到探测、救援现场情况和被困人员的目的，大大缩短探测、救援时间。
获奖情况及鉴定结果
- 无
作品所处阶段
- 生产阶段
技术转让方式
- 无
作品可展示的形式
- 实物、产品 、现场演示、录像、样品
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 该机器人不仅体积小、运动灵活，而且能够实现远程控制。其优势在于各个机构的设计，机构不仅能单独使用，还能相互配合，故此机器人具有很高的自由度，能够更顺畅的进行探测。其成本低廉易于推广。 此外，此机器人具有一定救援功能，能够现场解救被困人员。由于这种无可替代的作用，市场对其需求专一，由于搭载探测器可以根据不同现场情况更换，故需求量大。可配备于消防单位、核电站、灾后救援队等。
同类课题研究水平概述
- 现在国内外有的探测机械有矿山探测机器人、仿生机器人等。 仿生机器人：其优势在于多自由度，运动灵活。但仿生机器人不是体积大、价格昂贵，就是体积小巧、运动灵活但功能单一，只能用于搜索伤员，、可靠性不高。且目前技术不是很成熟，在我国救援探测中应用推广较为困难。而矿山探测机器人、星球探测机器人等工作范围小，功能专一，价格昂贵，不适合在多种复杂灾后现场进行探测活动。 日本横滨警察署研发设计“爬行者”(Crawler)机器人，它的内部是舒适的空间，承载极限是250磅，可作为“舱体”将人们安置转移。虽然但该机器人的能将被困人员运出危险区域并保证过程安全，相当于一架“电子担架”，但它的搜救功能有限，体积庞大，且仅配备一台标准红外摄像机。 英国华威大学的学生们制造出一款使用Kinect作为主传感器的地震搜救机器人，代替了激光雷达这种昂贵而低效的二维传感装置。Kinect搜救机器人的区域搜索装置可以传输三维地图，这对于救援队救助遇难者而言，有着无比的价值，但该机器人仅能用于生成地图，不能搭载多种探测设备，应用范围较窄，无法实施救援。 加州大学伯克利分校毫系统仿生实验室一名教授研制的Dash，其设计灵感来自于最常见的的蟑螂，是用废弃手机等电器的零件加上纸板做成的。每只的造价不超过1美元。但其仅配备了手机的低分辨率摄像头和无线芯片等基础装备，而且用纸板做成的躯干对损伤几乎免疫。 为了有效回避以上探测机器人的缺点，我们设计了一种能在多种环境下进行智能探测、救援的机器人，它具有体积小，运动灵活，能适应多种复杂情况的优点。 该机器人制作过程较简单，机构设计合理，造价低廉。在进行探测的过程中，行走方便、速度较快，多机构能够同时运动相互配合，从而能达到有效避障的目的。 同时，该机器人能够搭在多种传感器和探测设备，适用于多种环境下的探测、救援活动，应用范围广泛。而且，此机器人能够搭载无线设备，可以实现救援人员较远距离操控，能实现在人类不能靠近的危险环境下进行探测、救援。
