地震救援机人设计说明书

地震救援机器人设计说明书

参赛单位：华北科技学院

作者：孙浩然梁陈赞冯忠豪刘俊指导教师: 田忠友王海鹏

目录

一.作品简介 (1)

二.主要功能指标 (2)

三.工作原理 (4)

四.运动分析 (5)

4.1腿部移动过程 (5)

4.2主题迁移过程 (6)

五.动力分析 (8)

5.1 单独由电机提供动力 (8)

5.2 由气缸和电机共同提供动力 (9)

六.实用化的可能 (11)

七.市场前景 (13)

八.作品外形照片 (14)

九.参考文献 (16)

一.作品简介

该作品是基于地震救灾为背景而设计研发的，是一种能够起清障作用、标记事故地点、探索救援道路的先进设备。该作品具有灵活、操作简便、适用性强、拓展功能多的特点，非常适用于救灾抢险工作。高度智能化和自动化是本作品的又一大特点，也是具备强势竞争力的一大优势。同时，采用了先进的控制系统和算法，是系统的通用性和适用性进一步增强，能够出色完成各项任务。

本作品由中心搭载平台，四条安装在平台四角的机械腿，中部的两部液压支架以及构建在平台上的挖掘装置组成。机械腿由关节电机带动实现腿部移动，由安装其上的蜗杆装置实现腿部伸缩，四条腿依次移动后再次转动电机实现机械本体的整体前进。达到预定位置后平台上的气泵开始工作，带动整个装置的升降掘进，起到了除障清路的作用。同时腿部结构设计比较先进，使机械体具有一定的越障能力，摆脱了传统救灾设备行动能力不足的缺陷，对灾区环境有很强的适应能力。

双模的行进机构使得系统灵活性和机动力极大增强。轮式行进可使机器人快速机动，灵活部署；机械腿行进可使机器人工作平稳，深入灾区。采用双模互换的行进方式既能节省宝贵时间，又能提高工作效率，同时兼具节能的特点。

二.主要功能指标

该机器人是着眼于地震灾区的各类救援任务而开发的，其独树一帜的外形设计和结构设计使其能够遂行地震灾区的各种搜救、援助、运输、支承等任务。

首先，通过加装红外感应器材和探人雷达等仪器设备，使其能够在较大范围内执行地震灾区的搜救任务，机器人的中心搭载平台采用模块化设计，可以根据实际需要即时更换设备进行搜救工作。在加装前部摄像头以后，使救援人员可以在远距离对其进行遥控，能够让救援人员更好地了解点灾区的地形地貌以及建筑结构情况，避免了危险区域在近距离对救援人员的潜在威胁；在加装先进的探人雷达后可以使救援工作者即时了解面灾区的被困者的分布情况以及生命生理状态，便于及时解救更加虚弱的被困者，最大限度的提高了灾区被困者的解救及存活概率。

其次，在执行援助任务时，通过对机器人的中心搭载平台进行面积优化工作，令其携带不同的人物模块组件，以执行不同情况下的援助任务。当搭载语音模块时，可以通过单向或双向的语言交流来引导并协助有行动能力的被困者进行自救和逃离工作；当搭载吊装组件时，可以迅速的完成灾区废墟中的开辟工作，并将诸如汽油一类的危险品转移至安全区域；当搭载红外感应模块时，机器人可以在夜间执行援助任务，其可以在72小时的黄金时间内不间断的执行救助任务，有效地利用了宝贵时间、提高了工作效率、减轻了救助人员的工作负担并且提高了被困者的获救几率。

再次，通过加固中心搭载平台，使其可以执行运送量庞大的运输任务。地震灾区中很多时候运送生活物资的车辆不能进入，就需要其他运输工具来替代，该机人便具有此项运输功能，其四腿结构牢固且运动灵活，具备一定的越障能力，能更好的适应灾区的路况，及时将必需品等物资运送至指定地点。同时，其还有运输人员的能力，可以在往返过程中运送救援人员和被困者，免除人力运送的缺点。

最后，该机器人具备的支承功能是独一无二的。小型化的机器人搭载特种支承工具于其中心搭载平台，前置CCD摄像机，周身感知系统，北斗卫星导航系统，可以在废墟中遂行大型机械不宜支承的任务，并减小对废路面的压力，可以出色的在废墟中开辟通路，救援诸如被困于墙板下的被困者，同时可以从不同角度不同方向开辟通路，选取最优化的通路引导被困者脱离危险区域。具备了攀爬能力的机器人更可以在空间的三维范围内启用支承功能，对灾区救援工作起到了不可替代的作用。

三.工作原理

该机器人以开辟救援通路为主要任务，当其行进至工作区域后即开启清障功能。

采用四腿机构的机器人可以平稳的运行于路况复杂的路面，双级的腿部结构具备了较大的伸缩能力，可以越过各种障碍，到达指定区域后，由人工遥控选择合适角度和合适方向，做好准备工作。

在机器人的中心内搭载平台上装备有独立的挖掘工具，该挖掘工具为一台液压挖掘机，目前由气泵代替液压部分功能。当前期准备工作完成后，挖掘系统运作，通过程序控制气泵的工作，根据实际情况和实际所需拓展空间调整气泵的伸缩量，以达到最佳挖掘量。

由于挖掘机的设计目标定位于能够进行360度周身工作，其工作范围十分宽大，通过对液压系统的优化设计，可以为挖掘机提供强劲的动力，配合其灵活的机械腿，可以出色的完成开辟通路的任务。

当机器人工作于城市废墟中时，其前部的大功率水泥切割机即发挥作用。很多情况下，救援人员面对大片的水泥楼板、混凝土废墟无计可施，该地震救援机器人就可以发挥其不可替代的作用：切断楼板，破除残垣障碍，开辟救援通路。

通过机器人的水泥切割机和挖掘机的相互配合，机器人可以在很短时间内开辟出一条希望之路，多个机器人同时工作时，更能高效的完成人力难以完成的任务。

四.运动分析

该救援机器人的工作区域地形比较复杂，采取模拟四足动物的走路方式，先动作左前腿，向前移动，在动作右后腿向前动作，随后是右前腿的前移，最后在进行左前腿，这样可以有较高的爬越能力，也增加了整个机械的稳定性和平稳性，更好的在地震废墟之下前进。

整个机械的运动分为腿部前移，主体前移两大过程，以及到达指定目的地之后的清障通路过程。以下对三个过程进行分别阐述：4.1腿部移动过程

当机械受到预定指令，准备运动前移时。先由其上的分布在机械腿部的接触传感器，以及位于主干上的距离传感器，进行系统的初始检测，以保证在整个机械的运行时在一个设置好的状态下稳定开始的。

4.1.1 初始化完成后，机械腿处于设置平衡的位置，腿部完全处于收缩状态，之后程序开始运行。

4.1.2 程序开始运行之后，四条机械腿与两部液压支架同时工作，将机器人本体整体平稳抬升，直到机械腿完全伸展开停止。此时机器人达到最佳工作状态，并且具备最佳的越障能力。

4.1.3 机器人行走的第一步是左前腿的提升，通过关节电机带动蜗杆旋转，机械腿上提，随后由腿部水平放置的关节电机驱动机械腿向前移动，运行至机械腿的最大步幅时停止前移，机械腿在关节电机带动下下降落至地面，至此行进第一步完毕。随后右后腿重复第一步的运动过程，直至右前腿和左后腿运动完毕，机器人的四