2023年-搜救机器人.docx
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1、青少年科技创新大赛中学生项目地震被困人员搜救器学 生: 李振坤蒋明彤指导教师:崔娜 余念利 刘秀艳学 校:河北省唐山市第一中学2008年12月2搜救器结构设计2.1 基本设计方案项目旨在研究一种可以进入地震废墟内搜寻受困人员并施以救援的搜救 器。为了实现该目的,首先从搜救器的结构及运动、控制与通讯、能源与驱动、 作业能力几个方面进行分析,确定搜救器基本设计方案。(1)结构及运动形式为进行地震搜救工作,搜救器必须具有在废墟下狭小缝隙内前进、后退、 转弯和越障运动的能力,它属于移动机器人。移动机器人有轮式、履带式和足 式等结构方式,其中轮式机器人对路面平整度要求较高,不适合在废墟上运动; 履带式机
2、器人在废墟上有一定的越障能力,但体积大,不适宜狭小空间运动; 足式机器人越障能力较强,但机械结构和控制系统都很复杂。相比之下,蛇形 机器人具有稳定性好、横截面小、柔性大等特点,更适合在废墟的缝隙间穿行。 现有的蛇形机器人大都仿照自然界蛇的运动而采用蜿蜒前进的运动方式,需要 较大的运动空间。相比之下,蠕动前进方式更利于通过废墟下的狭小通道。同 时,在废墟复杂的路径下,机器人很容易发生翻滚,结构设计时必须考虑翻滚 后机器人仍然能够正常前进。该搜救器由头、身和尾三部分构成,为便于前进和后退,头、尾采用相同 结构。中间身体由多个可自由拆装的独立单元连接而成。综合上述分析,确定本搜救器为多单元构成的蛇形
3、搜救器,采用蠕动前进 方式,结构上能够实现前进、后退、转弯和越障等动作。(2)控制与通讯方式搜救器由搜救器本体和监控系统两部分组成,两部分之间通过无线通讯进行 信息交互。搜救器本体带有微型摄像机、传感器、运动控制系统和信号接收/发 送器;置于废墟外部的监控系统由笔记本电脑和信号接收/发送器构成。摄像机 安装在搜救器前方拍摄图像,将前方景象实时传输到后方的电脑中;搜救人员通 过图像观察运动前方的情景,向搜救器发出运动和动作指令,搜救器控制系统则 根据指令驱动机构运动。(3)能源与驱动现有搜救器大多为电动型,极少数为气动和液动型。废墟中移动的搜救器 如果拖着一个长长的电缆或管道尾巴,由于电缆与地面
4、废墟的摩擦力很大,走 不多远就会爬不动了。因此该搜救器必须自带电源,可选用高能量的可充电池, 如银氢电池、锂电池等。为了取得较长的工作时间,在搜救器设计中,尽量减 小搜救器本体质量,并采用能耗消小的驱动方式。经调研,现有机器人大都采 用电机和减速器驱动,结构复杂、耗能大,而相对而言电磁铁能量利用率最高, 而且机构简单易行,更适用于本搜救器驱动。此外,由于本蛇形搜救器有多单 元组成,除头尾外每一单元都自带驱动机构和电源,这样可大大提高工作周期。 (4)作业能力搜救器的作业任务是对废墟下的人员进行搜寻和救助。搜救器装有摄像机、 照明灯和其它必需的传感器,并将信息传送到外面的监控系统;装有话筒和喇
5、叭,作为救援人员与受难者之间通话工具。搜救器还能够携带一定的药品和食 物,送给一时不能被救出受难者。此外,搜救器还须具有一定的清理通道能力, 以便通过略有堵塞的通道。综上所述,确定本搜救器基本设计方案和原则如下:一种多单元构成的遥控蛇形搜救器,由头、身和尾三部分构成,其中头、 尾部分结构相同,均装有微型摄像机和灯;中间身体部分由多个可自由拆装的 独立单元连接而成,其中有一个单元为控制单元,装有搜救器控制系统、传感 器和通讯系统,其它单元为运送单元,可装载一定量物品;每个身体单元均有 能源和驱动器;采用电磁铁驱动,以蠕动方式前进,在发生翻滚时仍能正常运 动。搜救器能够实现前进、后退、转弯、越障和
6、通道清理等动作。2.2 结构设计图1搜救机器人总体结构搜救器由头、身和尾三部分构成,总体结构如图1所示。其结构设计包括头部结构设计、身体单元结构设计、单元连接部分设计和定向器设计。(1)头部结构设计头部位于搜救器的最前端,摄像头和照明灯必须需安装在头部。由于蛇形 搜救器不具备手爪,头部须具有清理通道的功能。在此,头部前端设计成可张 合的分瓣式头锥,摄像头和照明灯安装在头锥内。闭合的头锥(图2a)便于穿 越狭小空间,还可保护摄像头;头锥张开时(图2b)可扩张通道、增大摄像头 视野,同时还起聚光的作用;头锥张合动作还用以抓放物体,相当于动物的嘴 巴。头锥的张合由电磁铁驱动(图3),当电磁铁接电时,
7、在磁场的作用下铁芯 向图中左运动,推动球体和锥瓣绕转轴顺时针转动,头锥张开。当通道狭窄, 张开动作受阻时,可以通过调整电磁铁线圈电流调整头锥扩张力。在电磁铁失 电的状态下,铁芯在弹簧的作用下向右移动,头锥闭合。此外,头部外还有圆 周分布的卡爪,前进时抓取地面(在后面的驱动部分详细介绍)。图3锥瓣运动机构(2)身体单元结构设计搜救器的身部由一个控制单元和若干个运送单元组成,各单元之间、单元 与头部间可自由组合与拆装。最简单的搜救器配置(如图1)仅有一个控制单 元,没有运送单元。每个身体单元均有自己的能源和驱动器,在程序控制下, 各单元间协调动作完成前进、后退、转弯、越障运动。搜救器采用蠕动前进方
8、 式。驱动机构由弹簧、牵引绳和电磁铁构成(图4),牵引绳位于弹簧中心,一 端固定,另一端与电磁铁铁芯相连。电磁铁通电时产生的磁场力驱动铁芯向右 移动,铁芯拉动牵引绳压缩弹簧;电磁铁失电时磁场力消失,弹簧恢复原长度。 改变电磁铁线圈的电流可控制电磁力大小,从而控制弹簧压缩量。图4驱动机构每个驱动器有四套驱动机构。四套驱动机构在横截面上圆周分布,连接于 前后两个刚体之间。在各身体单元和头部均有多个圆周分布的卡爪,用于抓取 地面,控制搜救器运动方向。同一圆周上的卡爪由一个电磁铁控制方向。如图5所示,电磁铁线圈接通正向电流时,铁芯向右移动,带动卡爪绕转 轴顺时针转动,铁芯到达右极限位置后,被右锁扣锁紧
9、,电磁铁失电后仍保持 其位置,此时卡爪右端翘起,搜救器向右运动的阻力远大于向左运动的阻力。 反之,电磁铁线圈接通反向电流时,铁芯向左移动,带动卡爪绕转轴逆时针转 动,铁芯到达左极限位置后,被左锁扣锁紧,电磁铁失电后仍保持其位置,此 时卡爪左端翘起,搜救器向左运动的阻力远大于向右运动的阻力。以图1中连接头部与身体单元的驱动器为例说明搜救器运动过程。当电磁 铁接电驱动四根弹簧以同样的收缩量同时收缩时,将头部与身体相对距离拉近, 由于此时所有卡爪均右端翘起,头部被地面卡住不能向后运动而静止,而身体图5卡爪工作原理单元在弹簧力的作用下向前运动;当电磁铁失电时,四根弹簧恢复长度伸长, 头部与身体相对距离
10、将增大,由于此时所有卡爪均右端翘起,身体单元被地面 卡住不能向后运动而静止,而头部在弹簧力的作用下向前运动。如此往复,搜 救器将不断向前蠕动前进。如果改变卡爪翘起方向,所有卡爪左端翘起,则上 述电磁铁的接电、失电过程中,搜救器将向相反方向蠕动前进。四根弹簧中的两侧弹簧收缩量不同时,搜救器将转弯运动;上下弹簧收缩 量不同时,搜救器将抬头或低头运动。(3)单元连接结构如图6所示,头、尾和身体各单元间用阴阳快插接头连接,接头内有电路 电极,传输传感器信号和控制信号;外部有卡扣锁紧联接两个相邻单元。该结 构便于现场各单元的组合与拆装。图6单元体连接(4)定向器设计图7定向器结构原理在废墟复杂的路径下,
11、蛇形搜救器很容易发 生翻滚,搜救器整体采用圆柱形,且卡爪和弹簧在 圆周上均布的结构,使得翻滚后驱动机构仍能正常 运行。但是,为了实现转弯、抬头等动作,必需确 定搜救器的翻转角度。在此设计一个定向器测试当 前搜救器所处角度,并将角度信息传给搜救器控制 系统。如图7所示,定向器外部位正方体,内部为 空心球面,在正方体上、下、左、右、前、后各面均向球面内插入两个电极, 球面内部露出电极接点,球内装有一定量的水银,因为水银具有流动性和导电 性,根据定向器转角,水银将接通不同电路的电极对,以此判断身体翻转、倾 斜角度,为运动控制提供参考。2.3 三维造型设计在上述各部分原理设计的基础上,采用三维设计软件
12、Solidworks对搜救器 进行零件设计和装配,设计渲染效果见本说明书首页后彩页,其中上图为搜救 器基本结构,由头部、控制单元和尾部构成,下图在基本结构基础上配置了两 个输送单元。3结 论项目利用中学所学胡克定律、杠杆原理、电磁原理等知识,提出了一种新 型蛇形地震搜救器,对搜救器驱动机构、功能机构等内容进行了较详细分析和 研究,并进行了搜救器三维造型设计。与现有搜救装置相比,本搜救器具有如下创新和特点: 采用蠕动前进的方式,可以通过狭小通道; 四根弹簧和卡爪构成的驱动机构可实现前进、后退、转弯、越障动作; 头尾结构相同,既可前进,也可后退,前进与后退间切换只需改变卡爪倾 斜方向即可; 头部前
13、端装有可张合的头锥,它既可保护摄像机,又可实现一些功能操作; 设计的球面水银定向器解决了搜救器爬坡、倾翻时的定向问题; 各动作均采用电磁铁驱动,通过控制电磁铁线圈电流控制动作程度,能量 利用率高,简单易行; 类似高速列车动车组的总体结构,头尾结构相同,每个身体单元具有电源 和驱动,可根据需要配置单元数量灵活方便,并能保证较长作业时间。鉴于我们目前所学知识有限,设计的搜救器功能还有待进一步完善和扩展。 该搜救器还是一个遥控型的,如果能够进一步智能化,自己寻找伤员,主动救 助就更好了。这些等我们上大学后,学得更多的知识一定能实现。致 谢地震搜救器是在崔娜老师、余念利老师和刘秀艳老师悉心指导下完成的
14、, 在项目研究期间,三位老师在项目选题、资料查阅和方案论证等方面均给予我 们很大帮助,是老师循循善诱的教诲及无微不至的关怀和指导,使我们克服重 重困难,最终完成了本次创新设计工作。值此项目完成之际,谨向老师们致以 最深切诚挚的谢意。在项目研究期间,班主任孟文丛老师、物理老师于四川和唐山一中的很多 老师都给予我们热情的关注和支持,在此向他们表示衷心感谢。感谢河北理工大学机器人研究所的老师和研究生们,是他们指导我们学习 相关设计软件,并提供上机条件。感谢父母亲对我们的支持和关爱。最后,非常感谢在百忙中评阅本作品的老师和专家,作者诚恳请求老师给 予书面指导。参考文献1李集.灾难救急机器人,科技展望.
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