搶險救援組合器械在搶險救災中設計與應用

侯鵬??

摘要：近年來世界各國都有不同程度和類型的自然災害，本著以人為本的設計理念，設計此套搶險救援組合器械應用于搶險救災。使災后的救援工作進行的速率大大提高。

關(guān)鍵詞：搶險救援 組合器械 應用

中圖分類號：X928文獻標識碼：A文章編號：1009-5349（2017）09-0187-01

近年來世界各國都有不同程度和類型的自然災害，科學技術(shù)的高速發(fā)展使災后的救援工作進行的速率大大提高，但依然存在長時間的救助不到，導致遇難者在沒能及時被救助的情況下喪失生命，留下遺憾。據(jù)了解汶川地震中有69227人遇難，其中除被倒塌的房屋直接致命的遇難者外，大多數(shù)遇難者是等不到救援條件而放棄了生命。在礦難中，遇難者被埋在地下，只能利用狹小的縫隙與地面聯(lián)系，救援人員能看到傷者卻無法及時撤出，而救援的條件需要慢慢等，慢慢創(chuàng)造，在各種惡劣條件下，很多人因為缺水、缺食物、缺氧氣、救治不及時而喪失了生命。為此，本著以人為本的設計理念，設計此套搶險救援組合器械應用于搶險救災。

一、研究目的及內(nèi)容

設計該套機械裝置，機電結(jié)合，模塊結(jié)構(gòu)。夾持迅速，靈活多變，攜帶運輸方便。適用范圍：人員不便接近的危險地方，狹窄空間，具有傳遞工具、水下打撈等功能（地震、火災、水災、礦難等）。在各種突發(fā)災難或危險事故發(fā)生時，人不能接近的危險區(qū)域或人手夠不到的地方，能夠代替人手及時為遇難者遞送物品或搶救重要物資，適應各種場合，甚至在不能及時救出傷者的情況下，能夠維持其生命，等待救援。

1.作品簡介

該作品采用機電結(jié)合、組合模塊結(jié)構(gòu)。組合容易，操作簡單，快捷適用。適用于地震、火災、水災、礦難等各種突發(fā)災難或危險事故以及日常應用范圍。

2.作品構(gòu)成

作品由夾持手、剪刀手等多組模塊、機械臂、傳動機構(gòu)等構(gòu)成。

二、方案設計

1.機械手收放功能

為使機械手能夠?qū)崿F(xiàn)夾取物體，自動放開功能，采用曲柄連桿結(jié)構(gòu)，并利用彈簧的控制運動功能使機械手張開。

2.機械手角度調(diào)節(jié)

機械手完全模擬人手的旋轉(zhuǎn)角度，機械手指尖部位可隨物體重心進行自由的左右變換，機械腕可90度調(diào)節(jié)。

3.距離長度調(diào)節(jié)

為適應不同距離的操作，設計為可調(diào)節(jié)的伸縮管結(jié)構(gòu)。伸縮管可根據(jù)實際需要加長。

4.模塊化設計

為實現(xiàn)不同功能，設計采用模塊化的多組功能件組成，均設計成相同規(guī)格接頭與伸縮桿連接。如剪刀手模塊，夾持手模塊等。

5.實現(xiàn)靈活、便攜

在機械臂后方安裝背帶，不限制使用場所，以適應不同環(huán)境，自由調(diào)節(jié)方向，實現(xiàn)靈活性。選擇較輕的鋁合金材質(zhì)，韌性高，耐腐蝕性好。整套裝置可拆卸放在工具箱內(nèi)，起到便攜特性。

6.操作設計

采用渦輪蝸桿設計，控制機械手開合，實現(xiàn)輕松傳動。

可根據(jù)不同情況選擇手動或電機傳動兩種方案。

手柄轉(zhuǎn)動：適用于要求精密度高，操作輕的危險作業(yè)，如排爆等。

電機傳動：獨特的機電一體化設計，使操作變得更加快捷簡單。

7.附件添加

機械臂前端配備連接設備，可添加照明裝置和揚聲器，方便救援人員了解、觀察傷者情況，也可將氧氣管或其他救援器械遞給被困傷者，在不能及時救出傷者情況下為其提供自救設備。救援的同時也可輔助其他救援設備進行救助。

三、方案研制

1.傳動方案

本組合由原動機、傳動裝置、伸縮裝置和工作裝置組成。傳動裝置是用來傳遞原動機的動力和運動、變換其運動形式以滿足工作裝置的需要，是本組合的重要組成部分，傳動裝置是否合理直接影響本器械的工作性能、重量等。合理的傳動方案除滿足工作裝置的功能外，還要求結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，傳動效率高和維護容易。

本組合的原動機是電機，工作裝置是機械手，傳動裝置采用一級傳動，即蝸桿傳動。

蝸桿傳動是由蝸桿和蝸輪組成，常用于傳遞交錯角為90度的兩交錯軸之間的運動和動力，具有傳動比大、傳動平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)緊湊和操作簡單等優(yōu)點，適合本組合的傳動要求，因此選用蝸桿傳動。

2.機械方案

（1）彈簧的設計

估計彈簧鋼絲直徑d=D2/C=116mm

補償系數(shù)K=1+145/C=112

彈簧鋼絲σB=2800MPa

許用剪應力[τ]=05σB=1400MPa

計算鋼絲直徑d′≥16

（2）機械臂的設計

鋁合金的許用應力[σ]=195MPa ，由于許用應力和彎矩不變，所以在不同長度所能承受的最大壓力不同；由于是伸縮桿，另一桿在此桿內(nèi)部，所以R=d=34mm，同種材料的直管，厚度也相等，r=28mm。

經(jīng)實驗驗證：在2—5米時可承受20公斤的重物；在5—8米時可承受10公斤的重物，8米以上時建議重物不要超過5公斤。

（3）蝸輪蝸桿的設計

蝸輪選材ZCuSn5Pb5Zn5，砂型鑄造，蝸桿選用20CrMnTi，心部調(diào)質(zhì)，表面滲碳淬火硬度≥HRC45。查表得，[σ]′=125MPa轉(zhuǎn)速n=600r/min，工作10年，每年工作300天，一天16小時，受力Ft1=100N，λ=40。

選擇蝸桿頭數(shù)，確定轉(zhuǎn)速和扭矩，疲勞強度計算，剪刀的設計。

（4）剪刀的設計

通過對普通的剪刀進行改裝，剪刀手選擇特殊的彎鉤形狀，可迅速定位方便剪斷。剪刀手放松時，刀刃部分隱藏，不會造成誤傷。經(jīng)實驗驗證：剪刀可剪小于8號線家用電線。

（5）零件的設計

各部元件已實現(xiàn)了標準化和通用化，使用和維護都比較方便。機械手部位的模塊化設計，可以實現(xiàn)多種不同的功能。既保證了實用性，又保證了攜帶方便的特性。

（6）電機的選擇

由于手動操作蝸桿裝置精度高，操作簡便，但速度較慢，在緊急情況下，應用電機會提高傳動速率，提高工作效率。

選用充電式電機，方便攜帶。

電池電壓：72伏—14伏可選；

無負載旋轉(zhuǎn)數(shù)：0-280/480/分鐘；

最大鎖定扭矩：176牛頓·米（156英寸-磅）；

離合扭矩設定：22級10-59牛頓·米（9-52英寸-磅）；

全長：220公厘（8-21/32英寸）；

操作容易的正、反轉(zhuǎn)切換按鈕； 可逆轉(zhuǎn)，可變速；

標準附件：電池（FEB9S），充電器（UC9SD），批頭。

（7）工作原理

利用了曲柄連桿和機電傳動機構(gòu)使機械手的往復閉合，實現(xiàn)對物體的抓取、遞送。利用杠桿原理實現(xiàn)剪刀的閉合功能、蝸輪蝸桿的傳動功能。

通過簡單的機電傳動進行一系列人本身不能實現(xiàn)的送給物品的過程。在各種突發(fā)災難或危險事故發(fā)生時，人不能接近的危險區(qū)域或人手夠不到的地方，能夠代替人手及時為遇難者遞送物品或搶救重要物資，裝置小巧，方便攜帶，適合于各種類似場合，甚至在不能及時救出傷者的情況下，能夠維持其生命，等待救援。

當施救人員搖動蝸桿傳動裝置的搖桿或利用電機，收緊拉線，使機械手收緊抓緊物品，到達遇難者位置，放松拉線時，機械手張開，放下物品，將機械手取出。

四、技術(shù)難點

1.機械手多角度變換

機械指部位采用特殊設計，可隨物體的重心在一定范圍內(nèi)自動進行左右調(diào)節(jié)，其設計完全模擬人手的左右旋轉(zhuǎn)角度。機械腕部位采用插銷定位，兩個傳動滑輪定向，實現(xiàn)90度變換。

2.創(chuàng)新點

可配備多組模塊，可全方位多角度調(diào)整。

機電結(jié)合。具有操作簡單、夾持迅速、攜帶方便等特點。

在實踐中，搶險救援組合器械得到了應用。在各種惡劣條件下，很多人缺水、缺食物、缺氧氣，救援人員應用搶險救援組合器械及時把傷者救出，延續(xù)生命。

責任編輯：孫瑤