某水陸兩棲救援機(jī)器人機(jī)械總體設(shè)計(jì)案例目錄TOC\o"1-3"\h\u6470某水陸兩棲救援機(jī)器人機(jī)械總體設(shè)計(jì)案例 1135881.1引言 1280281.2水陸兩棲救援機(jī)器人黨的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求 2188121.3水陸兩棲救援機(jī)器人的陸地移動(dòng)方案設(shè)計(jì) 2275851.4水陸兩棲救援機(jī)器人的水上移動(dòng)方案設(shè)計(jì) 5205621.5水陸兩棲救援機(jī)器人機(jī)械手方案設(shè)計(jì) 6138121.6水陸兩棲救援機(jī)器人救援平臺(tái)方案設(shè)計(jì) 7109441.7小結(jié) 81.1引言 針對(duì)災(zāi)難發(fā)生后，救援空間狹小、嚴(yán)重滲水、建筑結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定以及空氣稀薄等問題，本文參考了現(xiàn)有的水陸兩棲救援機(jī)器人的方案設(shè)計(jì)，同時(shí)借鑒各救援機(jī)器人中一些別具一格的裝置設(shè)計(jì)，同時(shí)分析它們?cè)诠ぷ鬟^程中存在的的缺陷，最后綜合所有方案，結(jié)合任務(wù)書的要求，確定水陸兩棲救援機(jī)器人的機(jī)械總體設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)方法采用“局部到整體”的模式進(jìn)行設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)的過程中，首先通過Solidworks三維軟件對(duì)水陸兩棲機(jī)器人的各部分進(jìn)行設(shè)計(jì)，各部分的設(shè)計(jì)有：陸地移動(dòng)機(jī)構(gòu)、水面移動(dòng)機(jī)構(gòu)、多功能機(jī)械手、救援平臺(tái)，再將這些設(shè)計(jì)整合成一個(gè)整體，最后進(jìn)行模擬運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，要求機(jī)器人在模擬實(shí)際情況的條件下，能夠正常穩(wěn)定的工作。圖1.1方案的各組成部分1.2水陸兩棲救援機(jī)器人黨的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求（1）水陸兩用救援機(jī)器人具有全地形和水中運(yùn)動(dòng)行走能力；（2）救援機(jī)器人具有遠(yuǎn)程遙控和信息傳遞能力；（3）救援機(jī)器人具有物品投送、搜救、排除障礙等能力；（4）救援機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)性能表現(xiàn)能夠適應(yīng)復(fù)雜多變的環(huán)境，操控靈活。1.3水陸兩棲救援機(jī)器人的陸地移動(dòng)方案設(shè)計(jì) 行走機(jī)構(gòu)對(duì)于機(jī)器人的工作效率來說至關(guān)重要，特別是在災(zāi)后的環(huán)境下，路面會(huì)比平時(shí)更加崎嶇不平。通過上文對(duì)國內(nèi)外各類救援機(jī)器人的了解，在綜合國內(nèi)外研制的各類救援機(jī)器人，其行走機(jī)構(gòu)可分為輪式、履帶式、腿式和蛇形機(jī)器人。以上各類運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)在第一章第三節(jié)已經(jīng)加以描述，通過分析各類機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，可以得出如表1.1所示的各類運(yùn)動(dòng)方式優(yōu)缺點(diǎn)。表1.1機(jī)器人各類運(yùn)動(dòng)方式的優(yōu)缺點(diǎn)機(jī)器人分類優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)輪式運(yùn)動(dòng)速度快、機(jī)械效率高、運(yùn)動(dòng)噪聲低、結(jié)構(gòu)簡單、移動(dòng)平穩(wěn)、運(yùn)動(dòng)時(shí)的阻力小。越過壕溝、臺(tái)階的能力較差，對(duì)地形的適應(yīng)能力差，轉(zhuǎn)彎效率低以及轉(zhuǎn)彎半徑較大。履帶式對(duì)地形的適應(yīng)能力強(qiáng)，越障能力高，能實(shí)現(xiàn)原地轉(zhuǎn)彎，能適應(yīng)各種非結(jié)構(gòu)化環(huán)境，其機(jī)械結(jié)構(gòu)比較緊湊。移動(dòng)速度緩慢，控制系統(tǒng)比較復(fù)雜.機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的難度大，其重量較重，機(jī)械傳動(dòng)效率低，運(yùn)動(dòng)時(shí)噪聲大。腿式能適應(yīng)各種復(fù)雜的非結(jié)構(gòu)化環(huán)境，能跨越障礙。其運(yùn)動(dòng)速度低，控制系統(tǒng)復(fù)雜，重心不穩(wěn)定容易側(cè)翻。蛇形作為仿生機(jī)器人，能在各種非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中自由移動(dòng)，地形適應(yīng)能力非常強(qiáng)。由于過多的關(guān)節(jié)以及自由度。因此其建模的難度與控制系統(tǒng)的難度都非常大通過對(duì)上述內(nèi)容的分析，再結(jié)合本課題的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求中的第(1)條，陸地移動(dòng)方案設(shè)計(jì)選擇了履帶式移動(dòng)設(shè)計(jì)。在確定采用履帶運(yùn)動(dòng)方式后，還要求救援機(jī)器人有全地形的越障能力，故擬設(shè)計(jì)以下兩種履帶機(jī)構(gòu)。（1）擺臂式履帶擺臂機(jī)構(gòu)（圖1.2）是此類履帶移動(dòng)機(jī)器人較為成功的設(shè)計(jì)，擺臂的加入使得機(jī)器人既保持著系統(tǒng)剛體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，同時(shí)從廣義上又使機(jī)器人具有了“柔性”特征。機(jī)器人在轉(zhuǎn)向、越障、適應(yīng)地形時(shí)擺臂抬起，起引導(dǎo)作用。擺臂系統(tǒng)由擺臂驅(qū)動(dòng)輪、小前輪、兩側(cè)擺臂桿、桿固定軸、擺臂履帶等結(jié)構(gòu)組成。擺臂驅(qū)動(dòng)輪與主動(dòng)輪、從動(dòng)輪采用相同尺寸結(jié)構(gòu)；擺臂前輪采用尺寸較小的從動(dòng)輪，與擺臂驅(qū)動(dòng)輪通過兩側(cè)的擺臂桿連接。圖1.2擺臂式履帶機(jī)器人（2）被動(dòng)式懸掛履帶（圖1.3）常見的履帶式機(jī)器人的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)一般均是采用鏈輪和履帶剛性連接，諸如此類的機(jī)構(gòu)存在以下缺點(diǎn)，底盤在負(fù)載行走時(shí)會(huì)對(duì)路面造成一定的損傷，各個(gè)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)之間的剛性連接使底盤的減震效果大幅降低，容易導(dǎo)致車體本身的減震效果不佳。懸掛式履帶可以避免以上缺點(diǎn)，通過在承重輪和履帶支撐架之間添加彈簧，可以使履帶在機(jī)器人在跨越障礙時(shí)被動(dòng)變形，具有良好的越障和避震能力。圖1.3被動(dòng)式懸掛履帶機(jī)器人對(duì)比以上兩種履帶機(jī)構(gòu)，本設(shè)計(jì)決定采用被動(dòng)式懸掛履帶作為機(jī)器人的陸地移動(dòng)機(jī)構(gòu)。1.4水陸兩棲救援機(jī)器人的水上移動(dòng)方案設(shè)計(jì)本課題是設(shè)計(jì)水陸兩棲救援機(jī)器人，所以除了能在陸地上行走外，還能在水上行走，這對(duì)于在海嘯過后的救援行動(dòng)中是極為重要的。所以，為了保證救援機(jī)器人在水域中能夠靈活且穩(wěn)定的工作，就需要合適的推進(jìn)器，就目前船體常見的推進(jìn)器有螺旋槳、平旋推進(jìn)器等。（1）螺旋槳如圖1.4，螺旋槳又稱螺旋槳推進(jìn)器，這種推進(jìn)器是靠槳葉在空氣或水中旋轉(zhuǎn)，將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)功率轉(zhuǎn)化為推進(jìn)力的裝置，一般兩個(gè)或較多的葉與轂相連[7]。螺旋槳的安裝位置一般在船艇尾部水線以下的推進(jìn)軸上，將水從槳葉的吸入面吸入，從排出面排出，其原理是利用水的反作用力推動(dòng)船艇前進(jìn)。螺旋槳分為很多種，應(yīng)用也十分廣泛，如飛機(jī)、輪船的推進(jìn)器等。圖1.4螺旋槳推進(jìn)器（2）平旋推進(jìn)器如圖1.5，平旋推進(jìn)器與通常的螺旋槳運(yùn)動(dòng)形式不一樣，它的每個(gè)葉片都垂直裝在船尾底部（也有在中部、前部的）可旋轉(zhuǎn)的圓盤上，并能繞垂直軸作水平方向旋轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)[8]。推力可以是任何方向的，當(dāng)推力是向左右方向時(shí)，推力就是舵力，起到舵的作用，該推進(jìn)器的特點(diǎn)是：主機(jī)不需反轉(zhuǎn)，操縱性能特別好，但是，推力小，推進(jìn)效率低、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，僅用在特種船舶和操縱性能特別高的船上。圖1.5平旋推進(jìn)器結(jié)合課題的要求，最終選擇了螺旋槳作為救援機(jī)器人在水上移動(dòng)的推進(jìn)器。1.5水陸兩棲救援機(jī)器人機(jī)械手方案設(shè)計(jì)在通常的機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)當(dāng)中，機(jī)械手的手部是用來抓持工件的部件，而根據(jù)被抓持物件的形狀、尺寸、重量、材料和作業(yè)要求，有不同程度的設(shè)計(jì)方案可以選擇，如夾持型、托持型和吸附型等。而機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)方式，比如運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的升降、伸縮、旋轉(zhuǎn)等獨(dú)立運(yùn)動(dòng)方式，稱為機(jī)械手的自由度。一般在設(shè)計(jì)當(dāng)中，專用機(jī)械手有2～3個(gè)自由度，與之配套的控制系統(tǒng)是通過對(duì)機(jī)械手每個(gè)自由度的電機(jī)的控制，來完成特定動(dòng)作的操作，如果機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)完善，那么就能同時(shí)接收傳感器反饋的信息，形成穩(wěn)定的閉環(huán)控制[9]。機(jī)械手所用的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要有4種：液壓驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)、電力驅(qū)動(dòng)和機(jī)械驅(qū)動(dòng)。結(jié)合各驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)與分析機(jī)器人在實(shí)際救援工作環(huán)境，選擇電力驅(qū)動(dòng)作為機(jī)器手的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。確定好驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)后，還要確定機(jī)器手的末端執(zhí)行器，由于本課題設(shè)計(jì)的是救援機(jī)器人，所以機(jī)器手通常都是在搬運(yùn)倒塌下來的碎塊，木頭等，清理出一條安全的通道將傷員救助出來，于是機(jī)器手就能按照搬運(yùn)機(jī)器人的設(shè)計(jì)來設(shè)計(jì)它的末端執(zhí)行器。常見的搬運(yùn)末端執(zhí)行器有吸附式、夾鉗式和仿人式等，各末端執(zhí)行器的特點(diǎn)如下：（1）吸附式吸附式可分為氣吸附和磁吸附，氣吸附是利用內(nèi)部氣壓與外部大氣壓的壓差進(jìn)行吸附的，磁吸附是利用磁力進(jìn)行吸附[9]。（2）夾鉗式夾鉗式的手爪類似于人手，一樣是通過抓取進(jìn)行工作的，其多用于負(fù)載重、高溫、表面粗糙等無法吸附的工作場合。（3）仿人式仿人式是專門用于特別外形且需要精確操作的工件的，其分類有柔性手和多指靈巧手，廣泛用于航天、核工業(yè)等工作。通過分析上述三種末端執(zhí)行器的特點(diǎn)，夾鉗式末端執(zhí)行器是最適合本課題的救援機(jī)器人的機(jī)器手抓取方式。1.6水陸兩棲救援機(jī)器人救援平臺(tái)方案設(shè)計(jì)如圖1.6所示為日本研制的履帶式搬運(yùn)救援機(jī)器人Crawler，該機(jī)器人能將傷員裝進(jìn)機(jī)身中然后駛離危險(xiǎn)地帶這樣能有效減少60%的傷亡。該機(jī)器人剛研制出來時(shí)形狀酷似一個(gè)長方體盒子，因此又被稱作"履帶棺材"，后來在測試中又給機(jī)器人增加了機(jī)械臂、攝像機(jī)以及各種傳感器，并且安裝在機(jī)器人內(nèi)部的傳感器能對(duì)傷員的病情進(jìn)行初步探測。該機(jī)器人已被投入使用，由于其救援的效率很高，在日本的很多地方如安保部門等都配備了該機(jī)器人。圖1.6Crawler搬運(yùn)機(jī)器人本課題所設(shè)計(jì)的救援平臺(tái)也是基于上述的Crawler搬運(yùn)機(jī)器人的救援方式所設(shè)計(jì)的，平臺(tái)的主體分成三節(jié)，第一節(jié)屬于載人平臺(tái)，第二和第三節(jié)屬于輸送平臺(tái)，如圖1.7為救援平臺(tái)工作狀態(tài)。輸送平臺(tái)上帶有履帶，履帶會(huì)將平躺在地上的傷員從頭到腳輸送到機(jī)器人內(nèi)部，然后平臺(tái)上的電機(jī)會(huì)帶動(dòng)輸送平臺(tái)進(jìn)行回收，最終將傷員收容在機(jī)器人的內(nèi)部，如圖1.8為救援平臺(tái)回收狀態(tài)。圖1.7工作狀態(tài)圖1.8回收狀態(tài)1.7小結(jié) 本課題對(duì)水陸兩棲救援機(jī)器人的總體方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，整個(gè)救援機(jī)器人主要組成部分分別為地面移動(dòng)機(jī)