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1、地震搜救机器人与多功能升降器开题报告班 级（学 号）：机0606（306010631） 姓 名： 张 威 指导教师： 王科社 教授 一、综述地震搜救机器人1 引言机器人的运动灵活性问题正日益受到关注，面对恶劣的环境、复杂的地形和危险地带时，要求机器人具有很强的自主运动能力及生存能力。目前对自主式移动机器人的研究主要以轮式或履带式的机器人和仿生的爬行或步行方式的机器人为主。而轮式或履带式机器人只能在相对平坦的地势下工作，一旦遇到凹凸不平的地形其运动将受到很大限制。步行或爬行机器人自由度多，控制复杂，运动缓慢，遇到障碍物时同样无能为力。机器人在实际应用时，很多时候要求其具备弹跳装置以便跃过障碍物或
2、沟渠。而多轮驱动以及爬行机器人无法满足这种要求，因此迫切需要研制一个具有穿越建筑物楼梯、碎石甚至森林和沙漠的弹跳式微型机器人，从而大大提高机器人的活动范围，而且弹跳运动的突然性与爆发性有助于机器人躲避危险，并且由于各星球间重力加速度的差别，使弹跳式机器人在星际探险中也能发挥重大作用，另外在考古探测、军事侦察、反恐活动中也能更好地发挥作用。2 国内外弹跳式机器人发展现状美国的科学家发明了一个会跳跃的机器人，可以跳到高达20英尺，比目前的机器人更加机动和灵活。山迪亚国家实验室的史宾沙博士指出，目前的机器人是利用车轮走动，不能够跳跃，他们设计的机器人，是利用一个内燃机推动的活塞，像草蜢一样，可以跳跃
3、高达1020英尺。如图1所示，是科学家示范机器人跳跃的情况。史宾沙博士解释说，机器人是使用碳化氢燃料推动，这种燃料的推动力比电池强大得多，机器人跳跃4000次、 移动超过5里路程，只消耗20g的碳化氢燃料。机器人在泥沙和沙滩行走，也可以活动自如。科学家正研究让机器人完成一些困难的任务，如清理地雷，甚至帮助太空人在星球上工作等。图1 跳跃的机器人美国加利福尼亚大学也研究出具有弹跳能力的机器人。图2为第一代单脚跳跃机器人。这个机器人的运动形式优于传统的轮式和腿式运动。它利用跳跃和旋转完成运动和摄像，并且安装有摄像头作为视觉传感器，安装有微处理器和无线调制解调器来接收和自动执行一系列复杂任务。这个机
4、器人的特点是用一个电机来控制跳跃方向和固定摄像头。实验表明它能跳跃高达800mm，但是跳跃方向的控制欠佳，当前和今后的任务是提高弹跳装置的效率，在平滑地面上更好地完成弹跳功能和向微型化发展。图3为第二代蛙形跳跃机器人。这个小型的跳跃机器人能够在火星或其它重力适合的星球上执行探险任务，用一个电机来控制跳跃和指导操作。具有强大推进力的新颖联接提高了系统的效率。对于星际探险，跳跃装置的小型化优于轮式和腿式运动。图2 第一代单脚跳跃机器人 图3 第二代蛙形跳跃机器人美国明尼阿波利斯明尼苏达大学的研究员尼古斯古洛波洛斯和他的同事研制出一种可以跳上楼梯和搜查危险建筑物内部的微型机器人。如图4所示，这种机器
5、人形状、大小和一卷卫生纸差不多，直径只有40mm，它可以跳跃。滚动和停下来，并通过无线电和其他“侦察兵”联系。跳跃是由安装在机器人腿内的一个能突然释放弹力的弹簧机构产生的，它和人用一条腿跳动时的情况差不多，当腿突然冲击地面时，冲力就使人弹跳起来。因此这种机器人可以登楼梯，也可以跳过小的障碍物。机器人还有两个独立的轮子帮助机器人在需要时滚到一定的位置。每个机器人侦察兵都有一个很小的传感器，并有一个可以突然从体内弹出的电视摄像机，摄像机既能左右摆动也能上下俯仰，因此可以拍摄周围的全景；另一些侦察兵还配备有小的振动器和麦克风。这种机器人可用于城市战争或帮助警察挫败处于包围之中的劫持人质的恐怖分子，当
6、然老百姓也可以用它们收集情报。除美国外，日本目前也有一些机构进行弹跳机器人的研究。日本索尼公司最近推出一款名为Qrio的新型机器人，如图5所示，它不仅能行走自如，而且能跑能跳。为了确保机器人在运动时的身体平衡，传统的人形机器人都是至少有一只脚接触地面。索尼公司研制者研究出一种控制机器人新方法，现在Qrio机器人已学会两脚都离开地面一瞬间的移动。从技术角度来看，跑步就必须使双脚在某一瞬间同时离开地面，为了做到这一点，索尼公司设计者花费很长时间研制成一种新的运动传动机构进一步完善Qrio机器人四肢的控制系统，最终使机器人具有了跑步和跳跃功能。机器人具有沿阶梯、摇晃平面和凹凸不平地面行走的能力，如果
7、机器人不小心跌倒了，它会使损伤减低到最小程度。在跌倒之后，Qrio机器人会对当时的情况作判断，并很快站起来。除了行走和跑步之外Qrio机器人还能像棒球手那样将手中的球远远地投掷出去，还能跳传统的日本舞蹈。图4 微型机器人 图5 Qrio的新型机器人另外，东方工大研发出了跳跃式旋转机器人，如图6所示。这种机器人的移动能力非常强，可在瓦砾中进行跳跃等，为了越过复杂地域，这款机器人使用了压缩空气，可以调节自身的重量，以符合不同的地形需要。目前，我国对弹跳式机器人的研制已初现雏形。从公安部上海消防研究所了解到，我国最新一代具有弹跳能力的灭火机器人目前已基本组装完毕，据介绍，灭火机器人由关节履带移动载体
8、，高压消防炮和控制系统组成，能轻松翻越30斜坡，跳过250mm高的障碍物。灭火过程中，机器人不仅会自己调节油门，控制行动速度，一旦环境温度超过55时，机器人还能为自己洒水冲凉，并在1min内直捣关键着火点。而消防队员却可在150m安全地进行遥控。图6 跳跃式旋转机器人3 课题研究意义近年来，我国工业生产、储运过程中涉及的易燃易爆和剧毒化学制品迅速增加，由于设备及管理等方面的原因，导致化学危险品和放射性物质泄漏以及燃烧、爆炸的事故隐患越来越多。因而对智能化弹跳机器人的要求愈来愈高。智能化弹跳机器人代替救援人员从事危险的灾情侦察任务，将会大大减轻救援人员的压力，提高救援工作的效率。弹跳机器人还可广
9、泛应用于考古探测、星际探索、军事侦察以及反恐活动等。为了能够快捷、顺利到达指定地点执行侦察任务，弹跳机器人应具有较强的越野能力，行走过程中可以跨越具有一定坡度和高度的障碍物，还应具有攀登楼梯的功能。为了能在超视距的情况下完成行走任务，在机器人尚不具备自主行走能力的前提下，机器人携带的摄像机应能传回清晰的、有关路面情况的视频信号，以便操作人员借助这一信息指挥机器人的行走。而轮式机器人无法满足这种要求，因此迫切需要研制具有弹跳能力的机器人。多功能升降器2001年的美国 “911”事件造成大量人员伤亡，2008年以来世界各地大大小小的地震，充分暴露了高楼大厦消防系统和结构的的弊端。自此以后，如何迅速
10、的从高楼里逃生或有效得到庇护而逃生的难题又一次摆在了世界各地科研人员面前。此类装置若能做到结构巧妙，制作简便，成本低廉，便于家庭使用的话，不但解决了当前的消防难题，大大的降低了逃生时的风险，可以挽回人民的生命和财产，更可以产生了良好的社会效应，值得在家庭中大力推广！目前非钢丝绳的高楼逃生器方案：救生伞，云梯，软体，柔性救生滑道，气囊等等。利用钢丝绳的方案有：专业手套，采用发电机，让绕线轮旋转产生电力，由电力产生摩擦力矩或阻力矩；欧拉公式加手控；间歇冲击式，利用离心力来产生摩擦力；利用轮系来增速；利用液体流动阻尼等。虽然目前的方案或是产品已是很多，但却存在各种各样的缺点。图7 高楼逃生器例一用手
11、转动手柄8，使大锥齿轮9转动，带动小锥齿轮24直齿轮3，传给直齿轮2蜗5，传给蜗轮4钢丝轮13。小锥齿轮10的作用是使大锥齿轮24受力平衡。此方案缺点：蜗轮阻力矩大，手柄8难转动，无排线和阻尼机构。图8 高楼逃生器例二先将活动夹条10压死。下降时，旋转手柄8，放松丝杆9，调整活动夹条10对钢丝绳的压力，2是固定夹条（半圆柱形）。此方案缺点：装置主要依靠绳与夹条之间摩擦来减速，对工作条件要求高，安全性较差。图9 高楼逃生器例三扳动手柄20可使逃生器缓慢下降。18是挂钩。结构简单，单手难微调，若包角太大，有可能卡住。研究意义 鉴于以上的方案，打算设计一个能够在高楼发生火灾而消防员无法救援或者通过自
12、救的一个产品，初想此产品是一个平时是一个晾衣架，紧急情况下能逃生的自救装置。由于人们对晾衣架的需求仍在不断的提高，所以与市场上多数的逃生器相比，具有很好的市场前景，不会像其他逃生器一样在日常生活中闲置，极大地提高了此产品的使用率。而相对于普通的晾衣架来说，又具备承载能力强，使用寿命更长，操作方便，结构巧妙的排线机构等优点，很大程度的提高了实用性，可靠性，稳定性，同样也提高了产品自身的竞争力。二、研究内容地震搜救机器人灾难的来临无法预测的，但是救援的快、及时、有效是我们的职责，以让受灾之人及时脱离危险。而在灾难之后，一些非常危险的地方，救援工作不能很好的开展的地方，这时候就不能在不确定救援地的地
13、面情况就开展救援，所以应该先了解清楚地面情况再开展救援工作才能事半功倍。为救援研制的机器人举不胜数，并且随着机器人的飞速发展，机器人的功能日新月异，但目前大部分机器人都存在翻越障碍等问题。因此，救援弹跳机器人小车应运而生，它主要利用车体上的弹簧压缩产生弹性势能，弹簧释放时，作用于地面的弹力反作用于小车，使小车向前跳跃前进，更好的解决了越障问题，弹跳小车了解清楚了地面情况之后，这样救援工作才能高效顺利开展。分配的主要任务是弹跳机器人驱动部分的设计和该部分的二维零部件图，三维proe建模以及最终的动画演示。多功能升降器此多功能升降器必须质量要轻，体积要小，质量可靠，且利于人操作，当然也要便于回收。
14、主要的设计在升降手柄上，这也是此设计的难点和重点。 分配的主要任务是部分零件的二维图制作和最后的动画演示。三、实现方法及预期目标方案设计：袋鼠的跳跃运动的奥秘就在于袋鼠后腿强大的跟腱里。通过实时动态地调整重心、起跳受力点以及起跳力度三者之间的关系，使身体保持向前运动的状态。该方案节约能量、跳跃方式灵活机动，但是，其结构复杂，控制过程复杂，在小型机器人上很难实现理想的效果。因此无法采用动物的弹跳机理。大炮的发射原理是确定好着弹点之后，直接计算出射击诸如仰角、装药量等，然后发射炮弹，是一个静态过程。其结构简单，控制过程简单，易于实现，综合考虑，弹跳机器人的跳跃方式模仿大炮原理。下图即为弹跳小车原理
15、图。图10 弹跳小车原理图驱动部分：四轮小车的车轮主要依靠2个电机驱动，小车的前后轮子通过皮带连接起来，保证小车平稳前进，车体的厚度小于轮子的直径，这样就可以保证车体在倾覆的状况下仍然可以前进。弹力产生机构：该部分主要由1个电机，蜗杆，挡片，大螺母及弹簧组成，电机与蜗杆通过固定件连接，当电机转动时带动前端的蜗杆旋转，同时装配在蜗杆上的螺母会向前移动，弹簧被压缩，弹簧前端的圆板被挡板挡住，此时电机反转，弹簧仍处于压缩状态。使用棘齿轮与卡笋组合来控制弹簧的释放。小车倾斜机构：该部分由舵机和一个双向同步开合的四杆机构来实现。以弹射杆的顶点为圆心，通过改变机构的开合程度来控制机体与地面的角度。初步方案
16、是利用以上几个机构，再利用小车上装载的摄像头来勘察地面情况或者生命探测仪来探测在灾难危险地带的生命迹象，从而达到救援的目的。方案重点在于弹跳发射机构的实现和弹跳的精准度，这两点也是也是此方案的两个难点，还有一个难点就是小车的重量控制，小车不能太重，因为小车越重，那么小车跳跃的高度和精准度将降低。在灾难之后，那些非常危险的地方或者人们不易去救援的地方，那么小车将会代替人们去危险的地方探索生命的迹象，这样能让救援人员更加有针对性地开展救援工作。预期目标：1. 地震搜救机器人整个结构的完整图纸、各部分零件图及完整的控制程序；2. 地震搜救机器人整个系统结构件的三维建模、虚拟装配及运动仿真；3. 地震
17、搜救机器人加工模型；4. 地震搜救机器人设计说明书；5. 参加北京市创新设计大赛。四、对进度的具体安排周次计 划 完 成 工 作51 对方案进行修改并确定最终方案。61 对最终方案进行三维建模。71 对方案进行各零件图和总装配图的绘制；2 采购零部件。81 对方案进行各零件图和总装配图的绘制；2 采购零部件。91 制作三维动画演示，并对图进行修改；2 制作模型。101 编写设计说明书的提纲；毕业设计小论文的构思与选题，拟定初步提纲；2 整理前期的设计工作，接受学校与系的期中检查；3 制作模型。111 制作模型。121 修改设计说明书。131 完成毕业设计要求的小论文的撰写；2 修改工程图和三维
18、模型。141 完善设计图并打印；整理设计说明书并装订；2 准备参加比赛。151 毕业设计总结；必要的资料和成果刻光盘存档；答辩准备，写答辩提纲；2 在小组内进行预答辩；3 参加北京市机械创新设计大赛。161 答辩；2 归还学校和老师提供的图书资料。五、参考文献1 机床设计手册编写组编.机床设计手册.1上、下册 , 通用标准资料.北京：机械工业出版社，19782 机床设计手册编写组编.机床设计手册.2上、下册 ,零件设计.北京：机械工业出版社，19793 机床设计手册编写组编.机床设计手册.5上、下册,电力传动及控制系统设计.北京：机械工业出版社，19794 任大为. 机械设计手册.北京：化学工
19、业出版社，19985 徐灏. 新编机械设计师手册.北京：机械工业出版社，19956 黄靖远. 机械设计学.北京：机械工业出版社,19997 孟宪源等. 现代机构手册(上、下册).北京：19948 濮良贵.纪名刚. 机械设计(第七版).北京：高等教育出版社,20009 程能林. 产品造型材料与工艺，北京理工大学出版社，200210 刘壮志，席文明，朱剑英.弹跳式机器人研究 M .机器人，2003,25（6）：568-57311 谭定忠,王叶兰,王启明,曹日起.弹跳式机器人的发展现状J.机械工程师, 2005,(10)12 反恐防暴机器人J.中国制造业信息化, 2005,(11)13 王立权.机器
20、人创新设计与制作.北京：清华大学出版社，2007.614 Kaplan M H, Seifert H. Hopping Transporters for Lunar Exploration J .Journal of Spacecraft and Rockets, 1969, 6 (3) : 91792215 Koditschek D E, Bthler M. Analysis of a simplified hopping robot J. International Journal of Robotics Reseach, 1991, 10 (6): 58760516 Eric Hale, et al. A minimally actuated hopping rover for exploration of celestial bodiesA. IEEE Conference on Robotics and Automation C, 200017 翁海珊，王晶主编.第一届全国大学生机械创新设计大赛决赛作品集.北京：高等教育出版社，2006.5指导教师（签字）： 年 月 日督导教师（签字）： 年 月 日领导小组审查意见：审查人签字： 年 月 日
