灾后救援机器人的机械结构设计
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Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｒｅｓｃｕｅ Ｒｏｂｏｔ ａｆｔｅｒ Ｄｉｓａｓｔｅｒ
ＬＵ Ｋｏｎｇ￣ｂａｏꎬ ＣＨＥＮ Ｈｕａ￣ｙｏｎｇ
( Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｄ Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬ Ｚｈｅｊｉａｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｗａｔｅｒ Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒꎬ Ｈａｎｇｚｈｏｕ ３１００１８ꎬ Ｃｈｉｎａ)
随着全球气候的变化以及人为破坏环境的影 响ꎬ近年来地震等自然灾害频频发生ꎬ这类灾难造 成了人员伤亡、财物被毁等巨大损失. 然而灾难导 致的路面坍塌、房屋摧毁、山体滑坡等现象ꎬ阻碍了 救援人员的救援ꎬ同时也给救援人员的人身带来了 安全隐患[１] . 采用救援机器人进行辅助搜救、发送 受灾画面、提供灾情数据是目前常见的一种有效手 段. 因灾后环境恶劣、地面复杂ꎬ对救援机器人的越 障能力和机器人的适应能力都有很高的要求[２] . 机 器人要完成穿越废墟、自主搬运障碍物、发送所需 信息等工作ꎬ从而给救援提供有效方案制定和争取
综合上述几 种 常 见 行 走 机 构ꎬ 在 适 应 性、 越 障 功能、制造成本等方面进行了综合评价(见表 １).
表 １ 常见行走机构综合评价指标
行走机构类型 轮式
履带式 腿足式
适应性 差
较好 好
越障能力 差
较好 好
制造成本 低 低 高
通过常见行走机构综合评价指标ꎬ发现履带式 的行走机构相对适合灾后环境中行走ꎬ但还存在一 定缺陷ꎬ需要在传统履带式行走机构的基础上进行 优化设计ꎬ提出了行走机构的本体进行伸缩可变ꎬ 一定程度上可避开及其恶劣的道路环境ꎬ由此提高 行走机构的越障能力和适应性.
收稿日期:２０１８￣０１￣２８ 作者简介:卢孔宝(１９８２ － ) ꎬ男ꎬ浙江湖州人ꎬ实验师ꎬ主要从事 数控加工技术、机电产品研制与改造.
宝贵救援时间提供参考和帮助. 因此研发适应复杂 恶劣环境的救援机器人具有一定现实意义.
１ 传统救援机器人行走结构分析
现有传统的救援机器人行走机构主要有轮式、 履带式、腿足式等. 这些行走机构在复杂道路环境 下都有各自的优点ꎬ同时也存在不足之处ꎬ选取了 常见行走机构对地面适应性、越障能力、经济性和 加工装配方面等进行分析ꎬ以此为依据提出优化设 计的方案. １. １ 轮式行走机构
Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｅｎａｂｌｅ ｔｈｅ ｒｅｓｃｕｅ ｒｏｂｏｔ ｔｏ ａｄａｐｔ ｔｏ ｔｈｅ ｃｏｍｐｌｅｘ ｒｏａｄ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓꎬ ｔｏ ｅｎｈａｎｃｅ ｉｔｓ ａｂｉｌｉｔｙ ｔｏ ｏｖｅｒｃｏｍｅ ｏｂ￣ ｓｔａｃｌｅꎬ ｔｏ ａｃｈｉｅｖｅ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｒｅｓｃｕｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎꎬ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｒｅｓｃｕｅ ｒｏｂｏｔｓ ｗｉｔｈ ｔｅｌｅｓｃｏｐｉｃ ｃａｒ ｂｏｄｙꎬ ａｄｊｕｓｔａｂｌｅ ｊｏｉｎｔ ｏｆ ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ ａｎｄ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｇｒａｓｐ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｓｉｚｅｓ ｏｆ ｃｙｌｉｎｄｅｒｓ ａｎｄ ｃｕｂｏｉｄ ｉｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ. Ｂｙ ｄｅｂｕｇｇｉｎｇ ａｎｄ ｔｅｓｔｉｎｇ ｏｆ ｒｅｓｃｕｅ ｒｏｂｏｔꎬ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｏｂｓｔａｃｌｅ ｓｕｒｍｏｕｎｔｉｎｇꎬ ａｃｃｕｒａｔｅ ｈａｎｄｌｉｎｇ ｏｆ ｏｂｓｔａｃｌｅｓꎬ ｔｉｍｅｌｙ ｒｅｓｃｕｅ ａｎｄ ｏｔｈｅｒ ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ ａｒｅ ａｃｈｉｅｖｅｄꎬ ｗｈｉｃｈ ｐｒｏｖｉｄｅｓ ａ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｓｉｍｉｌａｒ ｒｅｓｃｕｅ ｒｏｂｏｔｓ. Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ:ｒｅｓｃｕｅ ｒｏｂｏｔꎻ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｄｅｓｉｇｎꎻ ｍｕｌｔｉ ｊｏｉｎｔꎻ ｔｅｌｅｓｃｏｐｉｃ ｄｅｖｉｃｅ
轮式行走机构机械机构相对简单ꎬ通常适应在 道路相对平坦的场合ꎬ其越障能力主要取决于轮子 直径和电机驱动力ꎬ由于其行走主要依靠轮子与地
第２期
卢孔宝ꎬ等:灾后救援机器人的机械结构设计
５５
面的线接触ꎬ其适应能力相对较差ꎬ但该行走机构 具有加工装配比较方便ꎬ费用低廉等特点[３] . １. ２ 履带式行走机构
２
灾后救援机器人的机械结构设计
卢孔宝ꎬ陈华勇
( 浙江水利水电学院 机械与汽车工程学院ꎬ浙江 杭州 ３１００１８)
摘 要:为使救援机器人能适应复杂路况ꎬ增强机器人越障能力ꎬ达到有效救援、施救功能. 结合地震等灾后复杂道 路的实际情况ꎬ 对传统救援机器人的行走机构、机械手臂的机械结构进行了分析比较ꎬ提出优化改进方案ꎬ设计了 一款救援机器人车体可伸缩、机械手多关节可调整ꎬ能有效抓取不同规格圆柱体、长方体的救援机器人. 通过对救 援机器人的调试与试验ꎬ实验结果表明该机器人具有有效越障、准确搬运障碍物、及时施救等功能ꎬ对同类救援机 器人的更多优化设计与研发有一定借鉴意义. 关键词:救援机器人ꎻ结构设计ꎻ多关节ꎻ伸缩装置 中图分类号:ＴＨ１２２ 文献标志码:Ｂ 文章编号:１００８ － ５３６Ｘ(２０１８)０２￣００５４￣０５
第 ３０ 卷 第 ２ 期 ２０１８ 年 ４ 月
浙江水利水电学院学报 Ｊ. Ｚｈｅｊｉａｎｇ Ｕｎｉｖ ｏｆ Ｗａｔ. Ｒｅｓ ＆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗ.
ＤＯＩ: １０. ３９６９ / ｊ. ｉｓｓｎ. ２０９５￣７０９２. ２０１８. ０２. ０１２
Ｖｏｌ. Leabharlann Baidu０ Ｎｏ. Ａｐｒ. ２０１８
履带式行走机构其行走主要依靠履带与地面 的面接触ꎬ对于泥泞道路、凹凸不平路面、小程度的 坍塌路都能适应ꎬ其适应能力相对较好ꎬ越障能力 也大大优于轮式行走机构ꎬ但履带行走机构底盘高 度会影响其越障能力. 该行走机构加工装配相对简 单方便ꎬ费用也适中. １. ３ 腿足式行走机构
这种行走 机 构 灵 活 性 很 强ꎬ 适 合 复 杂 的 道 路ꎬ 但由于其结构重力集中在腿足上ꎬ容易被松软地面 和废墟堆杂物中陷住、卡住ꎬ且行走时要随时调整 机构重心达到平衡ꎬ同时这种行走机构制造成本较 高ꎬ装配要求较高.
ＬＵ Ｋｏｎｇ￣ｂａｏꎬ ＣＨＥＮ Ｈｕａ￣ｙｏｎｇ
( Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｄ Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬ Ｚｈｅｊｉａｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｗａｔｅｒ Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒꎬ Ｈａｎｇｚｈｏｕ ３１００１８ꎬ Ｃｈｉｎａ)
随着全球气候的变化以及人为破坏环境的影 响ꎬ近年来地震等自然灾害频频发生ꎬ这类灾难造 成了人员伤亡、财物被毁等巨大损失. 然而灾难导 致的路面坍塌、房屋摧毁、山体滑坡等现象ꎬ阻碍了 救援人员的救援ꎬ同时也给救援人员的人身带来了 安全隐患[１] . 采用救援机器人进行辅助搜救、发送 受灾画面、提供灾情数据是目前常见的一种有效手 段. 因灾后环境恶劣、地面复杂ꎬ对救援机器人的越 障能力和机器人的适应能力都有很高的要求[２] . 机 器人要完成穿越废墟、自主搬运障碍物、发送所需 信息等工作ꎬ从而给救援提供有效方案制定和争取
综合上述几 种 常 见 行 走 机 构ꎬ 在 适 应 性、 越 障 功能、制造成本等方面进行了综合评价(见表 １).
表 １ 常见行走机构综合评价指标
行走机构类型 轮式
履带式 腿足式
适应性 差
较好 好
越障能力 差
较好 好
制造成本 低 低 高
通过常见行走机构综合评价指标ꎬ发现履带式 的行走机构相对适合灾后环境中行走ꎬ但还存在一 定缺陷ꎬ需要在传统履带式行走机构的基础上进行 优化设计ꎬ提出了行走机构的本体进行伸缩可变ꎬ 一定程度上可避开及其恶劣的道路环境ꎬ由此提高 行走机构的越障能力和适应性.
收稿日期:２０１８￣０１￣２８ 作者简介:卢孔宝(１９８２ － ) ꎬ男ꎬ浙江湖州人ꎬ实验师ꎬ主要从事 数控加工技术、机电产品研制与改造.
宝贵救援时间提供参考和帮助. 因此研发适应复杂 恶劣环境的救援机器人具有一定现实意义.
１ 传统救援机器人行走结构分析
现有传统的救援机器人行走机构主要有轮式、 履带式、腿足式等. 这些行走机构在复杂道路环境 下都有各自的优点ꎬ同时也存在不足之处ꎬ选取了 常见行走机构对地面适应性、越障能力、经济性和 加工装配方面等进行分析ꎬ以此为依据提出优化设 计的方案. １. １ 轮式行走机构
Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｅｎａｂｌｅ ｔｈｅ ｒｅｓｃｕｅ ｒｏｂｏｔ ｔｏ ａｄａｐｔ ｔｏ ｔｈｅ ｃｏｍｐｌｅｘ ｒｏａｄ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓꎬ ｔｏ ｅｎｈａｎｃｅ ｉｔｓ ａｂｉｌｉｔｙ ｔｏ ｏｖｅｒｃｏｍｅ ｏｂ￣ ｓｔａｃｌｅꎬ ｔｏ ａｃｈｉｅｖｅ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｒｅｓｃｕｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎꎬ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｒｅｓｃｕｅ ｒｏｂｏｔｓ ｗｉｔｈ ｔｅｌｅｓｃｏｐｉｃ ｃａｒ ｂｏｄｙꎬ ａｄｊｕｓｔａｂｌｅ ｊｏｉｎｔ ｏｆ ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ ａｎｄ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｇｒａｓｐ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｓｉｚｅｓ ｏｆ ｃｙｌｉｎｄｅｒｓ ａｎｄ ｃｕｂｏｉｄ ｉｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ. Ｂｙ ｄｅｂｕｇｇｉｎｇ ａｎｄ ｔｅｓｔｉｎｇ ｏｆ ｒｅｓｃｕｅ ｒｏｂｏｔꎬ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｏｂｓｔａｃｌｅ ｓｕｒｍｏｕｎｔｉｎｇꎬ ａｃｃｕｒａｔｅ ｈａｎｄｌｉｎｇ ｏｆ ｏｂｓｔａｃｌｅｓꎬ ｔｉｍｅｌｙ ｒｅｓｃｕｅ ａｎｄ ｏｔｈｅｒ ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ ａｒｅ ａｃｈｉｅｖｅｄꎬ ｗｈｉｃｈ ｐｒｏｖｉｄｅｓ ａ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｓｉｍｉｌａｒ ｒｅｓｃｕｅ ｒｏｂｏｔｓ. Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ:ｒｅｓｃｕｅ ｒｏｂｏｔꎻ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｄｅｓｉｇｎꎻ ｍｕｌｔｉ ｊｏｉｎｔꎻ ｔｅｌｅｓｃｏｐｉｃ ｄｅｖｉｃｅ
轮式行走机构机械机构相对简单ꎬ通常适应在 道路相对平坦的场合ꎬ其越障能力主要取决于轮子 直径和电机驱动力ꎬ由于其行走主要依靠轮子与地
第２期
卢孔宝ꎬ等:灾后救援机器人的机械结构设计
５５
面的线接触ꎬ其适应能力相对较差ꎬ但该行走机构 具有加工装配比较方便ꎬ费用低廉等特点[３] . １. ２ 履带式行走机构
２
灾后救援机器人的机械结构设计
卢孔宝ꎬ陈华勇
( 浙江水利水电学院 机械与汽车工程学院ꎬ浙江 杭州 ３１００１８)
摘 要:为使救援机器人能适应复杂路况ꎬ增强机器人越障能力ꎬ达到有效救援、施救功能. 结合地震等灾后复杂道 路的实际情况ꎬ 对传统救援机器人的行走机构、机械手臂的机械结构进行了分析比较ꎬ提出优化改进方案ꎬ设计了 一款救援机器人车体可伸缩、机械手多关节可调整ꎬ能有效抓取不同规格圆柱体、长方体的救援机器人. 通过对救 援机器人的调试与试验ꎬ实验结果表明该机器人具有有效越障、准确搬运障碍物、及时施救等功能ꎬ对同类救援机 器人的更多优化设计与研发有一定借鉴意义. 关键词:救援机器人ꎻ结构设计ꎻ多关节ꎻ伸缩装置 中图分类号:ＴＨ１２２ 文献标志码:Ｂ 文章编号:１００８ － ５３６Ｘ(２０１８)０２￣００５４￣０５
第 ３０ 卷 第 ２ 期 ２０１８ 年 ４ 月
浙江水利水电学院学报 Ｊ. Ｚｈｅｊｉａｎｇ Ｕｎｉｖ ｏｆ Ｗａｔ. Ｒｅｓ ＆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗ.
ＤＯＩ: １０. ３９６９ / ｊ. ｉｓｓｎ. ２０９５￣７０９２. ２０１８. ０２. ０１２
Ｖｏｌ. Leabharlann Baidu０ Ｎｏ. Ａｐｒ. ２０１８
履带式行走机构其行走主要依靠履带与地面 的面接触ꎬ对于泥泞道路、凹凸不平路面、小程度的 坍塌路都能适应ꎬ其适应能力相对较好ꎬ越障能力 也大大优于轮式行走机构ꎬ但履带行走机构底盘高 度会影响其越障能力. 该行走机构加工装配相对简 单方便ꎬ费用也适中. １. ３ 腿足式行走机构
这种行走 机 构 灵 活 性 很 强ꎬ 适 合 复 杂 的 道 路ꎬ 但由于其结构重力集中在腿足上ꎬ容易被松软地面 和废墟堆杂物中陷住、卡住ꎬ且行走时要随时调整 机构重心达到平衡ꎬ同时这种行走机构制造成本较 高ꎬ装配要求较高.