救援機器人設計*

張瑞君，曹歡玲，陸 濤，周劍飛，徐導勇，魏 堯

（浙江農(nóng)林大學工程學院，浙江臨安 311300）

在自然界中，存在許多人類難以到達的地方和可能危及人類生命的特殊場合，如工地、地震救援等。災害搜救工作的復雜性和危險性往往給救援工作帶來極大的困難，救援機器人將成為災害輔助救援的有效工具[1-2]。本文設計了一款能在廢墟狹小空間中破障穿行的小型救援機器人。將裝有多級減速器的直流電機作為履帶裝置的動力，采用四驅方式。綜合考慮底盤離地面高度和機器人整體高度，初步設計驅動輪直徑為80 mm，支持輪直徑為36 mm，如圖1所示。

1 行走機構設計

搜救機器人面對的工作環(huán)境是廢墟，由大量的碎磚塊、被損毀的家居用品等組成。廢墟中各種小障礙極多且凹凸不平，為此，行走機構選取類似于同步帶的行走履帶。履帶內齒面為同步帶標準齒形，外齒面（著地面）采用矩形截面齒形，以提高其攀越障礙的能力。工作時，帶齒與帶輪的齒槽相嚙合，是一種嚙合運動，因而具有帶傳動的優(yōu)點，如耐屈撓性好、伸長率小、強度高等。驅動輪的齒形為標準同步帶輪齒形，帶擋邊以限制履帶橫向移動。從攀越障礙、防止打滑、動力以及履帶式獨特的轉彎方式角度分析，

圖1 行走履帶

2 機械手設計

對于采用履帶式行走方式的救援機器人而言，行走機構用來完成空間內的整體移動。為了增強救援機器人對廢墟內部復雜狀況的適應性，引入能夠完成三維空間操作任務且能夠精確操控的多自由度機械手[3-4]。綜合實際可行性及角度分析，借鑒實際制作經(jīng)驗設計了一種四自由度機械臂，如圖2所示。優(yōu)點為：非工作狀態(tài)時機構所占空間和整體體積較小、重量輕、動作較精確及操作靈活。機械手要完成破障任務，需要具備一定的承載能力，例如利用破障電鋸將橫向阻擋在通道內的木棍鋸斷后，由機械手將其從前進道路上抓離。

設計一款平行四邊形連桿式平動型抓取機構，如圖3所示。連架桿A、連架桿C、連桿E、機架以及與之對應的連架桿B、連架桿D、連桿F、機架分別組成一個雙曲柄機構。由于連架桿A與連架桿C長度相等，連架桿B與連架桿D長度相等，故成為平行四邊形機構。連架桿A作為動力源，連架桿A與B通過齒輪連接傳遞驅動力，當A受到驅動力按箭頭運動方向轉動時，B同時被帶動，平行四邊形機構中的連桿E和F向夾持機構的中心軸同步平移，完成夾取動作。

圖2 機械臂機構運動簡圖

圖3 抓取機構運動簡圖

3 破障裝置和鏟車結構設計

破障工具根據(jù)動力源不同分為三類：電動式、液壓式和氣動式?？紤]到救援機器人的內部空間小和承載能力有限，為此需要提供動力源的液壓式和氣動式不在考慮范圍內。常見電動破障工具根據(jù)原理不同分為：圓盤鋸、電鏈鋸、曲線鋸、電鉆等[5]，通過改造常見電動工具，設計出符合基本要求的小型化破障裝置——往復式電鋸，如圖4。

圖4 往復式電鋸破障裝置結構圖

圖5 機械手結構圖

圖6 鏟斗抬升機構運動簡圖

圖7 鏟推裝置結構圖

在狹小的廢墟通道內，對于體積較大的障礙物，無法使用破障設備破除，例如一塊斜靠在通道壁上的石板、一堆碎石塊堵塞前進通道。面對這類狀況，機械手無法抓取體積過大的障礙物，破障電鋸也無法發(fā)揮作用，這時最好的解決辦法是將障礙物推開，或者直接將障礙物搬離。借鑒鏟雪車的前鏟結構，設計了具備鏟車搬運功能、鏟推功能、保護功能及開辟通道功能的鏟推設備。鏟斗被設計成150°夾角，能夠將救援機器人前進的驅動力分解，產(chǎn)生向左、右兩側方向的分力，在前進過程中將障礙物推向兩側[6]。鏟推裝置結構上采用了連桿機構的設計方案，如圖6，使用兩個精確定位的小型伺服電機驅動，提供足夠的抬升動力同時確保搬運障礙物的過程穩(wěn)定進行。為避免前置鏟斗對履帶行走機構翻越障礙性能產(chǎn)生影響，鏟斗最大抬升高度定為40 mm，如圖7。

4 總結

圖8 救援機器人結構圖

救援機器人的實際工作環(huán)境非常復雜，需要考慮的因素很多，因此，其功能設計很難面面俱到。經(jīng)過對救援機器人實際廢墟運行環(huán)境具體分析，并對搜救任務執(zhí)行過程中可能遇到的多種需求進行假設研究，明確了救援機器人應達到的功能配備和性能指標[7-8]，實現(xiàn)了越野功能、破障功能、多自由度機械手功能等。救援機器人結構圖如圖8所示。

［1］李斌.蛇形機器人的研究及在災難救援中的應用［J］.機器人技術與應用，2003（3）：22-26.

［2］司戈.機器人在“9.11”救援行動中的應用［J］.消防技術與產(chǎn)品信息，2003（7）：44-47.

［3］王野，王田苗，裴葆青，等.危險作業(yè)機器人關鍵技術綜述［J］.機器人技術與應用，2005（6）：23-31.

［4］錢善華，葛世榮，王永勝，等.救災機器人的研究現(xiàn)狀與煤礦救災的應用［J］.機器人，2006，28（3）：350-354.

［5］劉金國，王越超，李斌，等.災難救援機器人研究現(xiàn)狀、關鍵性能及展望［J］.機械工程學報，2006，42（12）：1-12.

［6］董曉坡，王緒本.救援機器人的發(fā)展及其在災難救援中的應用［J］.防災減災工程學報，2007，27（1）：112-117.

［7］唐鴻儒，宋愛國.危險環(huán)境偵測機器人的研究進展［J］.機器人技術與應用，2007，23（4）：29-35.

［8］孟慶鑫，王曉東.機器人技術基礎［M］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學出版社，2006.