畢業設計實習報告
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目錄1、搜救機械人簡介
1.1搜救機械人概述
1.2搜救機械人的用途和發展概況
1.3搜救機械人的分類
1.4搜救機械人的關鍵技術
1.5搜救機械人不同型別的移動分析
2、畢業設計題目——四連桿履帶式搜救機械人
2.1 設計指導思想
2.2 四連桿履帶式搜救機械人設施設計設計中需要注意的幾個問題
2.2.1電動機
2.2.2減速器設計
2.2.3機械人外殼材料選擇
2.2.4四連桿變形履帶機械人總體結構
2.2.5機械人越障原理及效能分析
3、實習總結
四、參考文獻
一、搜救機械人簡介
1.1搜救機械人概述
一、概述
近年來，多發的自然災害（如**、火災、洪水）、人為的恐怖活動、武力衝突及各種生化病毒、有毒物質、輻射等恐怖不斷威脅著人類的安全，使得人們普遍關注對各種災害的應急能力、災後的快速響應處理能力。在突發恐怖事件、自然災害及意外傷害發生後，巨大的災害往往造成大範圍的建築物坍塌和人員**，現場搜尋與救援成為人不最為緊急的工作。然而現場多為坍塌環境，結構複雜、不穩定，有些狹小空間救援人員和搜救犬根本無法進入，從而使搜救範圍限制在倒塌建築物表面範圍。
救援人員進入建築物也將有巨大的風險，其體重和移動可能會引起建築物進一步倒塌，造成對救援人員和倖存者的再次傷害。因此，救援隊員必須在結構工程師進行評估，並對不穩定的倒塌結構進行支撐加固後才能進入，這個過程延誤了搜救受災者的時間。同時，由於搜尋空間條件惡劣，易導致救援隊員勞累，從而易對周圍建築結構作出錯誤判斷，錯過沒有知覺受災者的概率上公升，而且救援人員也存在重大的健康風險和安全風險，影響救援工作的快速展開。
將機械人技術、營救行動技術、災害學等多學科知識有機融合，研製與開發用於搜救與營救的救援機械人，將有效地提高救援的效率和減少救援人員的**。
搜救機械人是指用在災後非結構環境下執行搜尋與救援任務的特種機械人。機械人在搜尋與救援過程中明顯具有以下幾個方面的優勢。
（1）在發生倒塌後，機械人可以立即展開對倖存者的搜尋，進入結構不穩定的建築物，降低救援隊員的風險，為搜救工作節約時間
（2）可以進入狹窄空間，擴充套件搜救專家的工作範圍。建築物倒塌會形成各種各樣的空間，這些空間可能就會有倖存者，但搜救人員難以進入，而機械人卻可以一展身手。
（3）可以攜帶多種感測器，探測倖存者空間狀況，在機械人軟體的幫助下對搜尋區域實行完整的三維搜尋，繪製結構圖，提公升工作效率和可靠性。搜救機械人可以攜帶溫度探測器、一氧化碳探測器、**界限探測器、氧氣、ph探測器、輻射探測器和殺傷性**探測器，從而測定空氣讀數，探測有害物質，分析後向救援人員提出警告。
1.2搜救機械人的用途和發展概況
**、火災、礦難等災難發生後,在廢墟中搜尋倖存者,給予必要的醫療救助,並盡快救出被困者是救援人員面臨的緊迫任務。實際經驗表明,超過48小時後被困在廢墟中的倖存者存活的概率變得越來越低。由於災難現場情況複雜，在救援人員自身安全得不到保證的情況下是很難進入現場開展救援工作的，此外，廢墟中形成的狹小空間使搜救人員甚至搜救犬也無法進入。
災難搜救機械人可以很好地解決上述問題。機械人可以在災難發生後第一時間進入災難現場尋找倖存者,對被困人員提供基本的醫療救助服務，進入救援人員無法進入的現場蒐集有關資訊並反饋給救援指揮中心等。近年來，為了滿足救援工作的需要，國內外很多研究機構開展了大量的研究工作，可在災難現場廢墟中狹小空間內搜尋的各類機械人如可變形多型機械人、蛇形機械人等相繼被開發出來。
本文在介紹國內外災難搜救機械人最新研究成果及近年來災難現場的實際使用情況的基礎上，根據現場使用的經驗教訓提出了災難救援機械人需要解決的一些關鍵技術問題，指出了災難救援機械人的發展趨勢。2001 年「911」事件發生後，美國國內主要機械人生產公司，研究機構都組織參加了紐約世貿大廈現場的搜救工作，他們是南佛羅里達大學機械人輔助搜尋與救援研究中心，mit 的irobot公司，美國海軍的spawar 研究中心，以及具有五十多年歷史的foster - miller公司等。據時代周刊報道:
在最初的十天當中，救援機械人在搜救犬、人工無法抵達的狹小或危險區域找到十餘具遇難者的遺體與現場搜救工作人員找到的數量基本相同，但所花的時間卻不到現場救援人員花費時間的一半。
搜救機械人為城市搜救展開了新思路，但是也暴露了一些問題。綜合考慮機械人技術和城市搜救環境，未來的搜救機械人技術需求應包括以下幾個方面。
1．機動裝置設計
在建築物搜救中，機動是機械人首先面臨的問題。作為機械人機動主體的底盤，需要裝載所有的感測器。考慮建築物倒塌的環境，底盤的設計應該滿足以下需求。
（1）能夠通過粗糙地形，越過或繞過障礙物，能夠爬樓梯，能夠通過狹窄空間。
（2）能夠耐熱、放水、防火、防腐蝕。
（3）重量輕，能夠在不發生滑動和再次倒塌的情況下對空間進行快速搜尋。
2．感測器
城市搜救的兩個明確任務：一是尋找可能的倖存者，二是在最初的結構評估過程中對空間進行分類。因此，機械人攜帶的感測器必須使它們在移動中探測受災者和收集受災者資訊。
如感測器的設計需要能夠確定受災者的生命跡象，並確定倖存者的狀態；為了判斷出受困者所在的位置和其所在地點的情形，需要綜合gps、慣性測量裝置、編譯器、陀螺儀、加速計、觸控、移動、視覺和聲學感測器獲得的資訊等。
3．通訊
使用有線通訊的機械人在行動中通訊系鏈易纏繞，限制了機械人的移動，適合於短距離的搜救行動。未來的發展是採用無線通訊。在紐約世貿中心救援中使用的機械人就是利用無線乙太網（2.
4ghz 802.11）、有線通訊方式與指揮中心保持通訊聯絡。無線乙太網由於頻寬的問題，易導致通訊中斷，因此，需要加強動力、抗干擾能力的設計。
4．影象處理
通過操縱機械人能夠獲取現場影象，用於確定牆壁和柱子計結構的破壞，管道和儲藏庫的洩漏和破裂等。同時機械人能夠通過獲得的現場結構資訊繪製出新的結構圖，從而向救援人員報告受災後的精確位置及可能的通路。地圖的繪製可以由乙個機械人完成，也可以與其他機械人合作來完成。
5．導航技術
提高機械人搜尋效率和範圍，開展視覺導航技術的相關研究。視覺在機械人路徑規劃、避障；自動爬樓梯過程中是非常重要的。如nasa噴氣動力實驗室利用影象的樓梯邊緣判斷方法，解決了機械人爬樓梯的自動化。
6．人機互動介面
為了方便使用者在救援行動中有效的使用機械人，便捷的人機互動是非常必須的。乙個有效的使用者介面必須能夠向操作員提供足夠的決策參考資訊，用於制定機械人的下一步行動。在這樣的介面下，使用者能夠很容易的獲得機械人的方向、位置和動力，操作眾多的裝置，比如攝像機、燈光和車載鉗子，準確的控制機械人的移動，從攝像機獲得影象。
7．群體機械人協同
在面對乙個巨大災難的時候，可以考慮由多個機械人組成群體，通過系統協調來完成單機械人無法或難以完成的工作。群體機械人系統具有空間分布、功能分布、時間分布等特點，所以群體機械人系統比單機械人系統具有更強的優越性，主要表現在以下幾個方面。
（1）群體機械人系統可以實現單機械人系統無法實現的複雜任務。
（2）設計和製造多個簡單機械人比單個複雜機械人更容易、成本更低。
（3）使用群體機械人系統可以大大節約時間、提高效率。
（4）群體機械人系統的平行性和冗餘性可以提高系統的柔性和彈性。
1.3搜救機械人的分類
1.履帶式搜救機械人
履帶式機械人是為了滿足軍事偵察、拆除危險物等作業的需要,在傳統的輪式移動機械人的基礎上發展起來的。圖1 給出了目前國際上幾家著名機械人公司的典型產品,他們主要是為了滿足軍事需要而開發的,體積普遍偏大,不太適合在倒塌的建築物廢墟中狹小空間內搜尋倖存者。
圖12.可變形(多型) 搜救機械人
為了能進入狹小空間展開搜救工作，要求機械人的體積要盡可能小，但體積小了搜尋視野就會受到限制，為了解決這一矛盾，近年來在傳統牽引式搜救機械人平台基礎上，研製出了形態可變的履帶式多型搜救機械人。圖2為美國irobot公司生產的packbot系列機械人, packbot機械人有一對鰭形前肢，這對鰭形前肢可以幫助在崎嶇的地
面上導航,也可以公升高感知平台以便更好地觀察。圖3為加拿inuktun 公司microvgtv多型搜救機械人，他可以根據搜尋通道的大小及搜尋範圍的遠近靈活地調整形狀和尺寸。
圖2圖3
3.仿生搜救機械人
雖然履帶式可變形多型機械人可根據搜尋空間的大小改變其形狀和尺寸，但受驅動方式的限制，其體積不可能做得很小。為了滿足對更狹小空間搜尋的需要，人們根據生態學原理研製出了各種體積更小的仿生機械人,其中蛇形機械人就是其中很重要的一類。圖4 (a) 為cmu 研製的安裝在移動平台上的蛇形機械人，圖4 (b) 為日本大阪大學研製的蛇形機械人。
我國中國科學院瀋陽自動化研究所，國防科技大學，北京航空航天大學等單位也都相繼研製出了類似的蛇形機械人系統。圖4 (c)為美國加州大學伯克利分校研製的身高不足3 cm 的蒼蠅搜救機械人。隨著技術的不斷成熟,相信蛇形、蠅形等仿生機械人會在災難搜救工作中發揮越來越大的不可替代的特殊作用。
圖41.4搜救機械人的關鍵技術
一．硬體
1. 1 移動性/ 機械機構
移動性是搜救機械人完成搜救工作的決定因素,「911」事件後紐約世貿大廈現場的搜救工作以及西維吉尼亞sago 煤礦的礦難救援工作都很好地證明了這一點。機械人移動平台應該能夠在惡劣廢墟環境中靈活地穿梭於狹小的空間之中,能夠翻越障礙,爬樓梯,穿越泥濘的道路等,且機械人的移動不應對周圍不穩定結構產生影響，以免發生二次坍塌或**等。此外,機械人還應該具備適應惡劣環境的能力,具有防水、耐高溫等能力。
早期為軍用目的而設計的輪履式機械人由於體積偏大而不太適合搜救工作。目前,各種履帶式多型可變形小型機械人已經研製出來, 並已商業化。近年來, 特別是2000 年以來以蛇形機械人為代表的仿生機械人正在成為新的研究熱點,且已經取得不少突破性研究成果。
1. 2 感測檢測裝置
搜救機械人的主要工作就是通過感測器實現自身的導航、環境資訊的獲取以及倖存人員的搜尋。由於災難現場環境的複雜性及不確定性,傳統在室內結構化環境中已較成熟的導航演算法無法滿足救援工作的要求。傳統的聲納、雷射測距儀等在充滿煙霧和灰塵的環境中也很難取得理想的效果。
目前搜救機械人主要採用人工控制方式來發現被困人員後需要迅速判斷其是否還活著。生命體徵檢測裝置的研製近年來成為了研究的熱點。南佛羅里達大學murphy教授領導的機械人團隊已開發出了多個非介入式生命體徵檢測感測器,用於判斷被困人員的生存狀況。
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