多功能辅助救援机器人设计说明书

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 (3)

2.产品结构及工作原理 (3)

3.技术参数计算 (9)

4.关键部位校核 (10)

5.产品创新点 (12)

6.产品改进方案 (13)

7.产品推广前景 (14)

8.参考文献 (14)

9.文档附录 (15)

1、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。

2.2 工作部分

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

短连杆 销轴

长连杆

螺母

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*1

74LS11*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

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：

1、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KM

3、

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 ’=20Kg

确定k m =1.2, 设计质量m= k m *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*

n

p

=7.2618N*m ，解得p=3.8W 由机械工程手册得k=1.3，传动效率h 1=0.95，轴承效率 h 2=0.9，得h =0.83 因此电机输出功率为

p

=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/min