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4、四连杆履带式搜救机器人设计1 绪论1.1 选题背景和意义 近年来，多发的自然灾害（如地震、火灾、洪水）、人为的恐怖活动、武力冲突及各种生化病毒、有毒物质、辐射等恐怖不断威胁着人类的安全，使得人们普遍关注对各种灾害的应急能力、灾后的快速响应处理能力。在突发恐怖事件、自然灾害及意外伤害发生后，巨大的灾害往往造成大范围的建筑物坍塌和人员伤亡，现场搜索与救援成为人不最为紧急的工作。然而现场多为坍塌环境，结构复杂、不稳定，有些狭小空间救援人员和搜救犬根本无法进入，从而使搜救范围限制在倒塌建筑物表面范围。由于某些原因，没有上传完整的毕业设计（完整的应包括毕业设计说明书、相关图纸CAD/PROE、中英文文献
5、及翻译等），此文档也稍微删除了一部分内容（目录及某些关键内容）如需要的朋友，请联系我的叩扣:二二壹五八玖一壹五一，数万篇现成设计及另有的高端团队绝对可满足您的需要.救援人员进入建筑物也将有巨大的风险，其体重和移动可能会引起建筑物进一步倒塌，造成对救援人员和幸存者的再次伤害。因此，救援队员必须在结构工程师进行评估，并对不稳定的倒塌结构进行支撑加固后才能进入，这个过程延误了搜救受灾者的时间。同时，由于搜寻空间条件恶劣，易导致救援队员劳累，从而易对周围建筑结构作出错误判断，错过没有知觉受灾者的概率上升，而且救援人员也存在重大的健康风险和安全风险，影响救援工作的快速展开。 将机器人技术、营救行动技术、
6、灾害学等多学科知识有机融合，研制与开发用于搜救与营救的救援机器人，将有效地提高救援的效率和减少救援人员的伤亡。 搜救机器人是指用在灾后非结构环境下执行搜索与救援任务的特种机器人。机器人在搜索与救援过程中明显具有以下几个方面的优势。 （1）在发生倒塌后，机器人可以立即展开对幸存者的搜索，进入结构不稳定的建筑物，降低救援队员的风险，为搜救工作节约时间 （2）可以进入狭窄空间，扩展搜救专家的工作范围。建筑物倒塌会形成各种各样的空间，这些空间可能就会有幸存者，但搜救人员难以进入，而机器人却可以一展身手。 （3）可以携带多种传感器，探测幸存者空间状况，在机器人软件的帮助下对搜索区域实行完整的三维搜索，绘
7、制结构图，提升工作效率和可靠性。搜救机器人可以携带温度探测器、一氧化碳探测器、爆炸界限探测器、氧气、PH探测器、辐射探测器和杀伤性武器探测器，从而测定空气读数，探测有害物质，分析后向救援人员提出警告。 同时由于机器人技术发展极为迅猛，用于侦察和作战等军事领域的机器人，由于其特殊用途受到了各国军方的广泛关注。许多军用机器人的研究成果直接应用于国家安全领域，在维护国家安定，保障人民生活安全方面发挥了很大作用。军用的地面移动机器人在各种复杂环境下具有较高的机动性，可以代替人类进入一些危险未知的环境，适应于国防和民用等多个领域，而且在反恐斗争中叶可以发挥很大作用。这类机器人的主要应用领域包括以下几个方
8、面： （1）战场侦察与环境探测 在移动平台上装备摄像头、安全激光测距仪、夜视装置和卫星全球点位仪等设备，通过无线电或光缆操纵，完成侦察和监视敌情、情报收集、目标搜索和自主巡逻等任务。还可以进入一些人类无法进入或适应的危险环境，完成规模战争和反恐作战中的侦察任务。 （2）高度机动与协同作战 由于体积较小、机动能力较强，机器人能快速部署，完成侦察、警戒、目标突击、追击乃至解救人质、街巷战斗、反恐作战、反装甲作战等武器装备，使之具备强大的攻击杀伤力，特别适用于城市和恶劣环境下（如核、生、化战场等）的局部战争和信息战争。（3）探测危险与排除险情在战场上或工程中，常常会遇到各种各样的意外。这时，微型移动
9、机器人就会发挥很好的作用。美国军方曾广泛使用智能车辆扫除路边炸弹、寻找地雷和销毁地雷。民用方面，可以探测化学泄露物质，可以进行地铁灭火，以及在强烈地震发生后到废墟中寻找被埋人员等。（4） 安全检测与受损评估 在工程建设领域，除可对水库堤坝、江河大坝进行质量和安全性检测之外，还可应用于码头、桥墩等被撞后的受损程度探测评估。在制造领域，可用于工业管道中机械损伤，裂纹等缺陷的探寻，对输油和输气管道线的泄露和破损点的查找和定位等。还可用于机场、车站等一些人口密集型场所，对来往人群、货物进行安全监控，也可以直接布置在客机机舱中执行检查危险物品的任务。 这些特种机器人技术集机械、电子、新材料、传感器、计算
10、机、智能控制与网络通信等多门科学于一体，是一种具有基础性、战略性和前瞻性的高新技术。对这种机器人的研究，将为未来地面战争、反恐事业和民用工业的发展提供技术上的有力支持。本课题目标是要研究和开发一种能搭载多种特殊装置的移动机器人平台。可以搭载不同功能模块完成相应的任务，在军事领域和民用领域得到推广，应用前景广阔。1.2 履带机器人研究现状 1.2.1 国外研究现状 从20世纪60年代开始，国外就对小型履带式式移动机器人展开了系统的研究，经过多年的技术积累和经验总结，已经取得了丰硕的研究成果。在微小型履带机器人研究方面，美国走在了世界的前列，它具有独立的实验性无人作战机器人计划，加上近年来反恐及城
11、市巷战的需要，小型智能履带机器人研制工作受到了军方高度重视。影响较大的有Packbot机器人、URBOT、NUGV和Talon机器人。它们应用在伊拉克战争和阿富汗战争中，取得了巨大的成功。 图1 Packbot机器人 美国著名的军用及特种机器人公司IRobot研制了微小型便携式机器人Packbot系列，如图1所示。该系列机器人采用履带式结构并装备有鳍状肢，鳍状肢可根据任务要求在机器人前端安装一对或前、后两端各安装一对，Packbot利用鳍状肢辅助翻越障碍；德国TELEROB公司研制了名为TEODOR的反恐机器人，如图2所示。这种凝结了尖端技术的机器人能够移动、销毁或引爆炸弹。在TEODOR的身
12、上装备有4个摄像头、切割器以及用来砸破窗户的装置。它不仅可以上下台阶，还能行走在陡峭的河岸、悬崖或绝壁，更能在及其恶劣的气候下作业，并能快速冻结炸弹装置。 图2 TEODOR机器人履带式机器人是为了满足军事侦察、拆除危险物等作业的需要,在传统的轮式移动机器人的基础上发展起来的。图3给出了目前国际上几家著名机器人公司的典型产品,他们主要是为了满足军事需要而开发的,体积普遍偏大,不太适合在倒塌的建筑物废墟中狭小空间内搜寻幸存者。 图3 目前国际上几家著名机器人公司的典型产品 为了能进入狭小空间展开搜救工作，要求机器人的体积要尽可能小，但体积小了搜索视野就会受到限制，为了解决这一矛盾，近年来在传统牵
13、引式搜救机器人平台基础上，研制出了形态可变的履带式多态搜救机器人。图4为加拿大Inuktun 公司MicroVGTV多态搜救机器人，他可以根据搜索通道的大小及搜寻范围的远近灵活地调整形状和尺寸。 图4 加拿大Inuktun 公司MicroVGTV多态搜救机器人 1.2.2 国内研究现状 国内微小型机器人的研究与开发工作晚于西方发达国家。我国是从20世纪80年代开始涉足机器人领域的研究和应用的。1986年，我国开展了“七五”机器人攻关计划；80年代末，我国把排爆机器人列入“863”高技术计划。目前我国从事机器人研究和应用开发的主要是高校及有关科研所，针对微小型履带机器人研究主要集中在警用、民用等
14、非作战领域。经过近20年的发展，目前已研究并开发出多种微小型履带机器人，它们具有探测及多种作业功能，是可以广泛应用于军队、公安、武警的新型机器人产品。在设计性能上，国内开发研制的微小型机器人与国外同类机器人相比还存在一定差距。中国科学院沈阳自动化所研制的复合移动机器人“灵晰-B”型排爆机器人进入服役期，如图5所示，该机器人采用轮、腿、履复合移动式机构，车身分三段，前、后履带可绕车体转动，辅助上下台阶。车体装备机械手、云台、三个摄像头，重180Kg，行驶速度2.4km/h，可以通过小于45的斜坡和楼梯，可以跨越0.45m高的障碍物，实现全方位行走。根据需求可装备爆炸物销毁器、连发散弹枪、催泪弹等
15、武器，大小手臂完全伸展时能举起8kg重物，可以在很大程度上减小公安和武警人员在排除爆炸物、打击犯罪活动中的伤亡，对犯罪分子起到威慑作用。 图5 “灵晰-B”型 图6 龙卫士反恐机器人 图6所示是由上海广茂达伙伴机器人有限公司研制的“龙卫士Dragon Guard X3B反恐机器人”，是我国第一台单兵反恐机器人。机器人重50kg，行驶速度为01m/s,可以通过27楼梯、30斜坡，可以跨越20cm高的障碍物，可在草地、沙地、碎石地、雪地运行，适应全天候、全地形、操作方便，广泛用于爆炸物处理、侦察、特种作业等反恐领域，综合指标接近国际水平。 JW-901排爆机器人是由北京京金吾高科技有限公司研制的，如图7 所示，该机器人可广泛应用于搜索、排爆、排除放射性物质，代替人去完成危险的工作。JW-901排爆机器人的主要功能抓取，优于国内外同类机器人。该排爆机器人机械臂最高伸展2.7m，可将可疑物轻轻地放于高达1.8m的车载防爆罐中。机械臂最低可水平伸出距地面0.2m，可伸入车底拆弹或抓取可疑物品。其抓取器，横向旋转90，纵向旋转360，可灵活地将可疑物品从防爆罐中取出。这是其他机
