【国防科技大学】慧鱼作品设计说明书

模块化

自适应救援机器人

-------------设计说明书

参赛学校：国防科技大学

学员姓名：喻煌超、梁杰、卢钟岳、周辉、张弛指导教师：尚建忠、梁科山

目录

一、创新构思 (1)

二、方案设计 (3)

三、创新点 (10)

四、实用化可行性分析 (12)

五、成本分析 (14)

六、应用前景 (15)

一、创新构思

救援破障工作正在向快速化、高效化、科学化等方面发展，利用特种设备执行救灾任务已经成为世界各国日益关注的重点。

针对当前现有设备无法通过自动更换模块化的机构来适应具体工作这一现状，本研制小组在多种用于破障、救援、工程等特种机构的已有基础上，设计了一个能够根据工作要求的不同，自动更换并运行清障、挖掘、推土、生命探测、通讯、爆破、装卸、清扫、起重、切割、牵引、升降等多种模块的机器人。

灾难发生后的处理工作大致可以分为清除障碍，救援灾民，重建家园这三阶段。这都离不开特种设备的参与，但由于救灾工作的特殊性，每一阶段分别只对特定的几种设备有大规模的需求。而灾区普遍交通不畅，运输困难，无论是从特种设备的种类还是数目上来考虑，都无法保证满足工作的需求。

于是本研制小组设想制作出一种基于特种车辆工作机构模块化的自适应救援机器人。

图1 作品整体图

此机器人可根据具体环境的需要，自动卸下原模块，更换上所需的相应模块，以此达到随机应变、一机多用的目的，适用于复杂多变的救灾工作。此外，由于采用了智能控制程序，可以避免救援人员亲自深入到充满危险的环境中，从根本上消除了人员伤亡的可能性。

此机器人可利用所搭载的两个机械臂并行处理多种工作，还可通过两个机械

臂配合完成复杂的工作，能够极大的提高作业效率。而且机械臂仅需在机器人的前方作业便可将石、土通过底盘上所加载的卷扬机和传送带运送到后面的运输车上。此设计可以适用于狭小的工作环境，有效地弥补了现有工具的不足。

此外，本机器人还可装备工程兵部队，在短时间内制造大量工事；也可加载武器模块，应用到复杂多变的战场环境，处理战场上的特殊情况。

二、方案设计

将工程车辆的成熟技术应用于机器人，紧扣两者的发展趋势——工程车辆向多功能模块化发展和机器人向着如变形金刚一般的变形机器人的设想发展，我们设计了这个基于特种机构模块化的自适应救援机器人。

通过采用改进型差动轮系、减速器、蜗轮蜗杆传动、齿轮齿条传动、同步带传动、螺旋自动对接机构、四连杆机构等，并加以巧妙组合，我们实现了一个由多功能可自动更换工作模块的双机械臂、高效清除障碍物的传送嘴、可原地转弯的四驱履式底盘腿以及生命探测仪等辅助设备构成的耳鼻眼，这些部分所组成的基于特种机构模块化的自适应救援机器人。

1、手臂部分

该机器人的手臂部分主体是两个基于现实挖掘机的机械臂：左臂是一个五自由度的挖掘专用臂；右臂是一个四自由度的可自动卸载和更换不同模块的多功能机械臂。

（1）挖掘臂。

机械臂的主体结构基于现实中挖掘机的挖掘臂。用电动机和气泵做原动力，采用改进型差动轮系、三连杆四连杆、蜗轮蜗杆等机构和传动实现了机械臂的五自由度灵活运动。

机械臂基座采用了改进型的差动轮系，使机械臂能够旋转和侧倒。以底座上的电动机作为原动机，带动蜗杆转动，通过蜗轮蜗杆啮合，使蜗轮绕Z轴做定轴转动，实现了机械臂绕Z轴转动。在前面的蜗轮上安装同样的传动电动机、蜗轮蜗杆，以此实现机械臂绕y轴转动。两者配合便实现了基座的三维运动。机械臂则和现实中挖掘机臂基本相同，本研制小组采用气动带动六连杆运动，实现挖掘动作。

工程中挖掘机已大规模使用，其机械臂的运动和动力学的分析已较成熟，故该机器人的机械臂部分是比较容易实现的，重点是改进型的差动轮系的制作。

图2 挖掘臂整体实物图

图3 坐标示意图 x y

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图4 机械臂示意简图

（2）多功能机械臂

其机械臂部分与挖掘臂相同，主要不同之处在于该臂前端.我们在此设计了工作模块通用接口，该臂可以移至机器人后部的模块自动更换平台，卸载当前模块放入备用模块库，并根据需要自动加载相应工作模块。我们在实物演示时选取了机械手和电钻。

图5 多功能机械臂示意简图

图6 多功能机械臂整体实物图

2、模块通用接口设计

基于螺旋机构的通用接口设计。这个机构类似螺纹螺母，螺杆连续回转，螺母轴向移动。机械臂上的马达带动齿轮系、螺杆转动，从而实现螺母以及与螺母相固连的工作模块“拧紧”和“拧松”，通过控制电机转动，并加入相关的传感器便可以实现工作模块的自动安装与卸载。

图7 通用接口原理图

图8通用接口

3、模块自动更换平台

在蜗轮蜗杆上加一个自动更换模块的模块库，当机器人因工作需要需更换模块时，利用蜗杆带动蜗轮旋转，将所需工作模块置于对接位置，而后与已到对接位置的机械臂完成卸载与对接工作，完成模块的自动更换。

图9 模块自动更换平台实物图

图10 自动更换模块过程图

4、机械手和钻头

通过电动机带动蜗杆转动，使涡轮实现沿蜗杆的前后平移。

图11机械手 图12钻头

5、传送嘴

前端是基于收割机原理的导入模块，可以引导物体进入传送带。传送带快速将物体传到机器人尾部，或者传至后面的车厢。工作效率可以很大程度的提高，可以大大加快挖土速度，为救援争取时间。此外，这也适用于战场的壕沟挖掘和挖泄洪渠等。

6、底盘

底盘采用四驱式，搭配四个电机和履带。可以实现机器人的前进、后退和原地转弯，并有一定的越障功能。通过加装位行开关计数，实现了机器人的定距前进、定角转弯。

7、耳、鼻、眼

以生命探测仪为鼻，可以用于地震救援的生命探测；以智能识别系统为眼，实现机器人的智能化；以通信系统为耳，实现与外界的联系，便于控制和协同。

图13传送嘴实物图

图14实物图

由于无生命探测仪模块、智能识别模块和完整的通信模块，作品中只做一个设想，但是这几个模块在现实生活中已经广泛应用，如美军的无人侦查车。

三、创新点

本作品的创新点主要体现在以下五方面：

1、特种车辆工作机构模块化

采用了机构模块化技术的机器人救援先头部队可以根据受灾实际情况，选择加载相应的模块，迅速清除障碍，到达现场。

作为抢险救灾的先锋部队，可谓是分秒必争，每早一点到达现场，就能多拯救一个生命，就能给绝望的人民带来希望。因此救援工作的迅速化显得格外重要。而这也正是本机器人当初设计的主要指标之一。由于受灾地区通讯不畅，无法得知运输通道的受损情况，因而也就无法判断应将具体哪类特种机械作为主力配置给先头部队，只能根据经验将特种机械平均的配置。但多而杂势必不如少而精，这样的配备必然不利于救灾工作的迅速展开。

然而，采用了特种机构模块化技术的机器人先头部队却可以根据遇到的具体受损情况做出判断并采取相应措施。机器人可以迅速自行装备所需要的特种模块，从而在短时间内清除障碍，迅速打开救灾工作的生命通道。

2、模块自动更换平台

模块自动更换平台可以根据现场需求，自动地从位于机器人右后部的工作模块库中选择相应的模块（机械手、电钻、切割机等）加载，实用迅捷。

而采用了初步自动化的设计也正是为了从根本上消除了人员伤亡的可能性，为本机器人最终无人化打下基础。

通过齿轮齿条的组合、可360°旋转的基座和放置各种模块的模块库，这三者的搭配来搭建出模块自动更换平台。当机器人因工作需要需更换模块时，旋转的基座将所需工作模块置于对接位置，利用蜗杆带动蜗轮转动，与已到对接位置的机械臂完成卸载与对接工作，以此完成模块的自动更换。

3、高效的模块间协同工作

基于特种机构模块化（更换）的自适应救援机器人可以通过各模块的独立或相互间的协同工作来同时进行多种作业，极大的提高救灾工作效率。

受环境和空间限制，救灾工作经常会发生在只能容纳一两台机械的狭窄空

间。而现有机械往往会受到功能上单一性的限制，无法独立作业，再加上空间狭小，机械间也无法协同配合，最终还要靠人来一点点的清除障碍，这样白白浪费了已有资源。

而本机器人不光可以通过前、后、侧面的模块各自独立工作，实现一机同时进行多个作业，还可以多种模块协同作业，极大的提高作业效率。而且两个机械臂都仅需在机器人的前方作业便可将石、土通过底盘上所加载的卷扬机和传送带运送到后面的拖车上。这样的工作模式可以较好的面对空间狭窄等问题，合理的利用了有限的资源，达到了少而精的目的，有效地弥补了现有装备的不足。

4、机构的变形-转换

通过机构的自动变形，达到转换功能的目的，使同一个机构可用于多种工作模式。

机械臂可以用于挖掘，也可以经过适当的变形、翻转、定位转化成推土设备；也可以自锁后变为吊车的吊臂或起重机的悬臂。

5、经济化

基于特种机构模块化（更换）的自适应救援机器人可以更好的利用现有资源，节省人力物力，有效的降低救灾工作的经济成本。

在同等条件下，救灾工作更注重的是效率和质量而非参与机械的数量。而本机器人可以根据现场具体的需求来选择加载清障、挖掘、推土、生命探测、通讯、爆破、装卸、清扫、起重、切割、牵引、升降等功能的模块，从而达到一机多用的目的。这样不仅可以减少参与机械的数量，还可以减少工作员的数目以及降低其它相关开销。

即使是在平时的工程应用中，一般工程车辆的工作机构部分由于长期直接作用，寿命比车体短得多。而采用的机构模块化设计的设备可以在制造时提高本体的质量，特种模块可以根据具体需要配置、维修和更换，具有较高的经济效益。

四、实用化可行性分析

本作品是基于现有特种车辆技术，把多种已有特种设备模块化，配合模块自动更换平台和模块库自动工作，并通过结合生命探测仪等部分，最终可实现高效救援破障工作的机器人。

由于是基于现有特种车辆机构的，相关技术比较成熟，这大大提高了此机器人的可行性。具体来说，机械臂与现实挖掘机的机械臂基本相同，很明显可以实现我们设计的机械臂动作；同步传送带工业生产中也应用广泛；履式底盘也和坦克的相似；机械手、电钻、水泥切割机等的工作模块现实中也都普遍用于救援等。所以说我们的机器人有很好的现实实现基础，可行性较高。

本研制小组认为这些比较明显的可行性外，从慧鱼模型到现实实用的关键技术主要集中在以下三点

1、接口设计及模块自动更换平台

目前的通用模块接口主要有螺纹螺母、蜗轮蜗杆、锥面自锁等方法，而且已经广泛应用。我们的通用接口是基于螺杆连续回转，螺母轴向移动来实现与螺母固连的工作模块的卸载与加载的。而模块自动更换平台也有一定现实基础，如数控加工中心的自动换刀过程。所以我们的模块自动更换平台也是可以实现的。另外，我们搭建的平台至选取了两个工作模块，机械手和电钻，而实际中我们完全可以构建一个多模块的模块库，实现更多功能。

2、动力传动装置

在慧鱼模型中，我们主要通过气动装置和电机的组合来构成动力系统。而在现实应用中，由于特种模块需要精确的控制和较大的动力来驱动，我们可以在实际中将气动改为液压驱动，部分电机也可以用伺服电机。

3、生命探测仪等辅助装置

由于慧鱼组件里没有以上配件，本研制小组只是将这些辅助装置的运动形式通过慧鱼组件来表现出来。而在现实应用中，像生命探测仪、智能识别、通信模块这类的装置都已经形成了成熟的产业链，添置相对比较容易。这样就可以构成一个智能化的功能强大的救援机器人。

综上所述，在基于特种机构模块化自适应救援机器人实用化的过程中，无论是相关机构的批量生产还是控制程序的编写，以现有工程技术已经可以轻易实现。至于实用化过程中的重中之重——装置的设计（关键技术1、2、3），本研制小组已经通过慧鱼模型进行了大量模拟实验。实验结果比较令人满意（参见视频录像），较好的实现了预期目标，以此验证了本作品的可行性。而且我们相信在各位专家教授的批评指正下，本作品能够更好的实现改进，向走向成熟更迈进一步。

五、成本分析

基于特种机构模块化（更换）的自适应救援机器人可以根据无人智能控制程序的指令，从而通过变形转换或者自行更换模块来适应不同的工作要求，以此达到随机应变，一机多用的目的。

这样在实际工作中，就不再需要大量种类繁多的特种工程机械，取而代之的是一批“以一抵十”的救援机器人。仅从底盘减少的数量、相近动力传动系统的整合和雇佣操作人员的花销这三方面来考虑就能节省大量人力物力，可谓是成本低廉，高效实惠。

另外，还可基于互换性技术，通过对现有救援、工程等特种车辆的研究来设计通用接口，以达到制造上的专业化生产和使用维修上的高效性和经济性。

六、应用前景

本作品的多功能模块化和机构自动更换-变形这两大特点对处于复杂、危险、恶劣等环境的工作有广阔的应用前景。

1、救援破障

对于任务是清除道路上的障碍和倒塌的房屋废墟的地震灾后救援工作，基于特种机构模块化（更换）的自适应救援机器人可以按照一般特种机械车辆的规模来制造。虽然尺寸上大小相同，但起到的作用却是特种车辆的数倍，高效经济。

此外还可按缩小比例来制造，这样机器人可以轻而易举的迅速到达人类暂时无法触及的区域，起到生命探测和救援的双重作用，迅速且实用。

2、战场

战场上的防御工事可以对参战人员和作战设备起到极大的保护作用，甚至能使炮弹的毁伤率减少60%。然而，随着越来越多的高精尖装备投入使用，使得战场局势更加瞬息万变，对制造工事的要求也越来越高。单纯的工程车辆已经无法满足军方对防御工事制造突然性、时效性、规模化的要求。

基于特种机构模块化（更换）的自适应机器人可以有效的解决上述问题。在现有的破障功能基础上，仅通过在底部的传送模块上加挂挖斗，以及双机械臂的协同配合，就能实现机械爆破组合式工作，使本机器人可以连续挖掘战壕、交通壕、平地坑等野战工事。其成形好，能满足快速构工要求，明显优于现有的的推土机、挖掘机。并且由于具有多种作业功能，有效减少了装备品种。可作为提升部队生存能力以及实施反机动工程保障作业的主要技术装备。

此外，还可通过加载监视模块来实现无人侦察；加载爆炸物探测模块来实现扫雷与弹药处理；加载武器模块来实现小规模的渗入、突袭作战等极具危险性的战术要求。

3、工程

在日常的工程应用中，工程车辆的工作部分由于长期直接作用，寿命比车体短得多，比较容易损坏。而现有工程车辆普遍采用一体化设计，不便于对故障机构的维修和更换。

而本机器人采用的机构模块化设计可以有效解决这个问题。工程机械在制造时对本体进行强化，而工作模块可以根据具体需要配置、维修和更换，既方便维修又节约成本。

4、勘探、航天、医学等其他领域

勘探工作主要是通过对采集到的岩石和矿物的密度、磁性、电性、弹性、放射性等物理参数来推断地质构造和矿产分布情况。

但由于地势险峻复杂，采集过程中充满了未知性和不确定性，而且单一的工具也无法满足多样性的要求，在航天、医学等领域也面临着类似的问题。

基于特种机构模块化（更换）的自适应救援机器人可以有效解决上述问题。根据应用领域的不同，来选择合适的尺寸。像用于航天领域的机器人可按巨型化来制造，而用于医学的机器人就可以微小化。

通过搭载移动模块和工具模块，机器人既可到达人类无法触及的领域，还能根据现实具体要求自动更换为相应的工具模块。即使是面对充满未知性、不确定性和危险性的工作环境，都可以随机应变，因地制宜作出相应改变，高效的完成工作。