全地形搜救車(chē)

研究背景

2008年的汶川地震帶給了我們太多太多的災(zāi)難和悲痛。而當(dāng)我們?cè)谛侣勚锌吹?010年1月12日的海地地震時(shí)，不禁又想起了汶川地震。這兩次地震的遇難人數(shù)都超過(guò)1萬(wàn)，傷亡慘重。由于種種原因，救援設(shè)備無(wú)法在災(zāi)害發(fā)生時(shí)及時(shí)進(jìn)入災(zāi)區(qū)內(nèi)部，導(dǎo)致了48小時(shí)內(nèi)的最佳救援時(shí)間被錯(cuò)過(guò)?？吹竭@些，我突然有了一個(gè)想法：如果可以將各種設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)組合，重新發(fā)明出一種搶險(xiǎn)救災(zāi)的新型設(shè)備，也許會(huì)大大提高救援速度，減少傷亡人數(shù)。

通過(guò)上網(wǎng)搜索，總結(jié)出我國(guó)救災(zāi)裝置大體有3種類(lèi)型：一種是康復(fù)裝置，一種是預(yù)警裝置，還有一種是搜救裝置。我比較了這幾種裝備的急需程度和可行性，發(fā)現(xiàn)目前在我國(guó)，搜救裝置和設(shè)備還存在空白且還有很大的提升空間，由此也下定決心更加明確了自己的想法。隨后我向老師提出了這個(gè)想法，得到了老師的大力支持，同時(shí)我也同幾個(gè)與我興趣相投的同學(xué)一起討論，把我們的研究目標(biāo)確定為：面向搶險(xiǎn)救災(zāi)的復(fù)雜環(huán)境，設(shè)計(jì)并制作一種能夠適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境又能夠在環(huán)境中自由運(yùn)動(dòng)，同時(shí)控制簡(jiǎn)單的救災(zāi)載體。

研究過(guò)程

履帶車(chē)的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

該機(jī)構(gòu)運(yùn)用平行四邊形運(yùn)動(dòng)原理，將履帶結(jié)構(gòu)與腿式結(jié)構(gòu)結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)了履帶運(yùn)動(dòng)及腿式運(yùn)動(dòng)。這一靈感主要來(lái)源于生活中人們行走時(shí)的交替運(yùn)動(dòng)，步伐的交替運(yùn)動(dòng)正與平行四邊形的2條對(duì)邊的交替運(yùn)動(dòng)類(lèi)似。如圖1所示，當(dāng)步行時(shí)左右腳交替地與地面接觸，這時(shí)可以將左右腳看作為平行四邊形的2條對(duì)邊，如圖1中的藍(lán)色及綠色線段。人體的腳與地面的接觸正好可以看成是平行四邊形的這2條邊與地面的交替接觸，從而實(shí)現(xiàn)了腿式運(yùn)動(dòng)。作為體育項(xiàng)目的輪滑體現(xiàn)出輪子移動(dòng)速度快的特點(diǎn)。所以我們想到將2種結(jié)構(gòu)結(jié)合起來(lái)，同時(shí)面向救災(zāi)環(huán)境的復(fù)雜性將輪式驅(qū)動(dòng)改換成履帶結(jié)構(gòu)。因此，我們所設(shè)計(jì)的移動(dòng)機(jī)構(gòu)為具有履帶驅(qū)動(dòng)的平行四邊形結(jié)構(gòu)。

根據(jù)以上的運(yùn)動(dòng)原理及設(shè)計(jì)理念，我們?cè)O(shè)計(jì)了履帶式小車(chē)。該車(chē)采用雙平行四邊形履帶結(jié)構(gòu)，布置在車(chē)體的兩側(cè)。分別采用4個(gè)直流電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)履帶和平行四邊形的構(gòu)型。使履帶車(chē)成為可根據(jù)工作情況變形的機(jī)構(gòu)。

履帶車(chē)的運(yùn)動(dòng)分析

綜合上述設(shè)計(jì)理念，對(duì)履帶車(chē)的各種工作狀態(tài)進(jìn)行分析。圖2所示的是履帶車(chē)的正常工作狀態(tài)。當(dāng)履帶車(chē)在粗糙的表面行駛時(shí)，此狀態(tài)能夠提供充足的驅(qū)動(dòng)力。圖3表示了履帶車(chē)越障的整個(gè)過(guò)程，當(dāng)跨越臺(tái)階后，履帶車(chē)從臺(tái)階上掉下來(lái)并傾翻，此時(shí)該履帶車(chē)可以調(diào)整履帶的姿態(tài)，用另一面工作從而繼續(xù)前進(jìn)。由于履帶與地面的接觸面積較大，當(dāng)不需要很大的驅(qū)動(dòng)力的時(shí)候，可以將機(jī)構(gòu)變形為四輪驅(qū)動(dòng)的輪式機(jī)構(gòu)從而實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)效率的提高。當(dāng)履帶車(chē)運(yùn)動(dòng)到濕滑松軟環(huán)境時(shí)，還可以依靠步行姿態(tài)前進(jìn)。該履帶車(chē)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，具備穿越孔洞的能力，同時(shí)還能起到支撐的作用，防止二次坍塌，這在搶險(xiǎn)過(guò)程中是非常重要的。綜上所述，該履帶車(chē)集成了腿式、輪式和履帶式幾種運(yùn)動(dòng)方式，能夠在各種環(huán)境中運(yùn)動(dòng)。

根據(jù)以上分析設(shè)計(jì)研制的履帶車(chē)由2個(gè)平行四邊形結(jié)構(gòu)的履帶機(jī)構(gòu)組成。每個(gè)平行四邊形結(jié)構(gòu)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，即每個(gè)平行四邊形機(jī)構(gòu)由2個(gè)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，一個(gè)驅(qū)動(dòng)履帶轉(zhuǎn)動(dòng)，另一個(gè)電機(jī)用來(lái)驅(qū)動(dòng)小臂從而調(diào)整平行四邊形的姿態(tài)。這樣的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)使履帶車(chē)能夠?qū)崿F(xiàn)上面所述的各種運(yùn)動(dòng)。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果分析

各個(gè)零件在工廠加工完成后，我們將它們按照裝配圖組裝起來(lái)。通過(guò)遙控器控制，該平臺(tái)能夠完成各種動(dòng)作。在災(zāi)后最常見(jiàn)的就是樓梯環(huán)境，能夠跨越樓梯是考驗(yàn)該車(chē)的一項(xiàng)重要指標(biāo)。當(dāng)在較平整地面運(yùn)動(dòng)時(shí)該運(yùn)動(dòng)方式的運(yùn)動(dòng)效率更高。當(dāng)在較軟地面時(shí)適合采用腿式運(yùn)動(dòng)方式來(lái)運(yùn)動(dòng)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)我們發(fā)現(xiàn)該車(chē)具有了履帶式、腿式和輪式3種運(yùn)動(dòng)功能，完全能夠在各種復(fù)雜環(huán)境中運(yùn)動(dòng)。

應(yīng)用前景與創(chuàng)新點(diǎn)

該履帶車(chē)具有高度的環(huán)境適應(yīng)性，能夠在各種災(zāi)后的環(huán)境中運(yùn)動(dòng)。具有運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性和操作的靈活性，體積小，重量輕，具有廣泛的市場(chǎng)前景。

該履帶車(chē)的創(chuàng)新點(diǎn)有如下幾個(gè)方面：

原理上，模仿人類(lèi)行走運(yùn)動(dòng)將四桿機(jī)構(gòu)的可變形原理與履帶驅(qū)動(dòng)原理相結(jié)合解決履帶車(chē)的越障性能及環(huán)境適應(yīng)性能。

機(jī)構(gòu)上，設(shè)計(jì)雙邊履帶結(jié)構(gòu)調(diào)整車(chē)體在行進(jìn)過(guò)程中的重心，解決攀爬過(guò)程中由于重心的原因引起的無(wú)法越障問(wèn)題。同時(shí)可以調(diào)整車(chē)體的水平姿態(tài)及車(chē)體高度。

應(yīng)用上，成功解決了履帶車(chē)體在各種環(huán)境中的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性問(wèn)題，結(jié)合了腿式、輪式和履帶式運(yùn)動(dòng)，完全實(shí)現(xiàn)無(wú)障礙地運(yùn)動(dòng)，適用于各種搶險(xiǎn)救災(zāi)環(huán)境。

該項(xiàng)目獲得第26屆全國(guó)青少年科技創(chuàng)新大賽創(chuàng)新成果競(jìng)賽項(xiàng)目中學(xué)組工程學(xué)一等獎(jiǎng)。

專(zhuān)家評(píng)語(yǔ)

項(xiàng)目運(yùn)用平行四邊形運(yùn)動(dòng)原理，將履帶結(jié)構(gòu)與腿式結(jié)構(gòu)巧妙結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了履帶式，腿式和輪式3種運(yùn)動(dòng)功能，能夠在各種復(fù)雜環(huán)境下運(yùn)動(dòng)。但離實(shí)用尚有較大距離。建議繼續(xù)進(jìn)行深入研究。