彈跳機(jī)器人設(shè)計(jì)多功能升降器設(shè)計(jì)多功能擔(dān)架車設(shè)計(jì)

1、地震搜救機(jī)器人與多功能升降器開題報(bào)告班 級（學(xué) 號）：機(jī)0606（306010631） 姓 名： 張 威 指導(dǎo)教師： 王科社 教授 一、綜述地震搜救機(jī)器人1 引言機(jī)器人的運(yùn)動靈活性問題正日益受到關(guān)注，面對惡劣的環(huán)境、復(fù)雜的地形和危險(xiǎn)地帶時(shí)，要求機(jī)器人具有很強(qiáng)的自主運(yùn)動能力及生存能力。目前對自主式移動機(jī)器人的研究主要以輪式或履帶式的機(jī)器人和仿生的爬行或步行方式的機(jī)器人為主。而輪式或履帶式機(jī)器人只能在相對平坦的地勢下工作，一旦遇到凹凸不平的地形其運(yùn)動將受到很大限制。步行或爬行機(jī)器人自由度多，控制復(fù)雜，運(yùn)動緩慢，遇到障礙物時(shí)同樣無能為力。機(jī)器人在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，很多時(shí)候要求其具備彈跳裝置以便躍過障礙物或

2、溝渠。而多輪驅(qū)動以及爬行機(jī)器人無法滿足這種要求，因此迫切需要研制一個(gè)具有穿越建筑物樓梯、碎石甚至森林和沙漠的彈跳式微型機(jī)器人，從而大大提高機(jī)器人的活動范圍，而且彈跳運(yùn)動的突然性與爆發(fā)性有助于機(jī)器人躲避危險(xiǎn)，并且由于各星球間重力加速度的差別，使彈跳式機(jī)器人在星際探險(xiǎn)中也能發(fā)揮重大作用，另外在考古探測、軍事偵察、反恐活動中也能更好地發(fā)揮作用。2 國內(nèi)外彈跳式機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀美國的科學(xué)家發(fā)明了一個(gè)會跳躍的機(jī)器人，可以跳到高達(dá)20英尺，比目前的機(jī)器人更加機(jī)動和靈活。山迪亞國家實(shí)驗(yàn)室的史賓沙博士指出，目前的機(jī)器人是利用車輪走動，不能夠跳躍，他們設(shè)計(jì)的機(jī)器人，是利用一個(gè)內(nèi)燃機(jī)推動的活塞，像草蜢一樣，可以跳躍

3、高達(dá)1020英尺。如圖1所示，是科學(xué)家示范機(jī)器人跳躍的情況。史賓沙博士解釋說，機(jī)器人是使用碳化氫燃料推動，這種燃料的推動力比電池強(qiáng)大得多，機(jī)器人跳躍4000次、 移動超過5里路程，只消耗20g的碳化氫燃料。機(jī)器人在泥沙和沙灘行走，也可以活動自如?？茖W(xué)家正研究讓機(jī)器人完成一些困難的任務(wù)，如清理地雷，甚至幫助太空人在星球上工作等。圖1 跳躍的機(jī)器人美國加利福尼亞大學(xué)也研究出具有彈跳能力的機(jī)器人。圖2為第一代單腳跳躍機(jī)器人。這個(gè)機(jī)器人的運(yùn)動形式優(yōu)于傳統(tǒng)的輪式和腿式運(yùn)動。它利用跳躍和旋轉(zhuǎn)完成運(yùn)動和攝像，并且安裝有攝像頭作為視覺傳感器，安裝有微處理器和無線調(diào)制解調(diào)器來接收和自動執(zhí)行一系列復(fù)雜任務(wù)。這個(gè)機(jī)

4、器人的特點(diǎn)是用一個(gè)電機(jī)來控制跳躍方向和固定攝像頭。實(shí)驗(yàn)表明它能跳躍高達(dá)800mm，但是跳躍方向的控制欠佳，當(dāng)前和今后的任務(wù)是提高彈跳裝置的效率，在平滑地面上更好地完成彈跳功能和向微型化發(fā)展。圖3為第二代蛙形跳躍機(jī)器人。這個(gè)小型的跳躍機(jī)器人能夠在火星或其它重力適合的星球上執(zhí)行探險(xiǎn)任務(wù)，用一個(gè)電機(jī)來控制跳躍和指導(dǎo)操作。具有強(qiáng)大推進(jìn)力的新穎聯(lián)接提高了系統(tǒng)的效率。對于星際探險(xiǎn)，跳躍裝置的小型化優(yōu)于輪式和腿式運(yùn)動。圖2 第一代單腳跳躍機(jī)器人 圖3 第二代蛙形跳躍機(jī)器人美國明尼阿波利斯明尼蘇達(dá)大學(xué)的研究員尼古斯古洛波洛斯和他的同事研制出一種可以跳上樓梯和搜查危險(xiǎn)建筑物內(nèi)部的微型機(jī)器人。如圖4所示，這種機(jī)器

5、人形狀、大小和一卷衛(wèi)生紙差不多，直徑只有40mm，它可以跳躍。滾動和停下來，并通過無線電和其他“偵察兵”聯(lián)系。跳躍是由安裝在機(jī)器人腿內(nèi)的一個(gè)能突然釋放彈力的彈簧機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的，它和人用一條腿跳動時(shí)的情況差不多，當(dāng)腿突然沖擊地面時(shí)，沖力就使人彈跳起來。因此這種機(jī)器人可以登樓梯，也可以跳過小的障礙物。機(jī)器人還有兩個(gè)獨(dú)立的輪子幫助機(jī)器人在需要時(shí)滾到一定的位置。每個(gè)機(jī)器人偵察兵都有一個(gè)很小的傳感器，并有一個(gè)可以突然從體內(nèi)彈出的電視攝像機(jī)，攝像機(jī)既能左右擺動也能上下俯仰，因此可以拍攝周圍的全景；另一些偵察兵還配備有小的振動器和麥克風(fēng)。這種機(jī)器人可用于城市戰(zhàn)爭或幫助警察挫敗處于包圍之中的劫持人質(zhì)的恐怖分子，當(dāng)

6、然老百姓也可以用它們收集情報(bào)。除美國外，日本目前也有一些機(jī)構(gòu)進(jìn)行彈跳機(jī)器人的研究。日本索尼公司最近推出一款名為Qrio的新型機(jī)器人，如圖5所示，它不僅能行走自如，而且能跑能跳。為了確保機(jī)器人在運(yùn)動時(shí)的身體平衡，傳統(tǒng)的人形機(jī)器人都是至少有一只腳接觸地面。索尼公司研制者研究出一種控制機(jī)器人新方法，現(xiàn)在Qrio機(jī)器人已學(xué)會兩腳都離開地面一瞬間的移動。從技術(shù)角度來看，跑步就必須使雙腳在某一瞬間同時(shí)離開地面，為了做到這一點(diǎn)，索尼公司設(shè)計(jì)者花費(fèi)很長時(shí)間研制成一種新的運(yùn)動傳動機(jī)構(gòu)進(jìn)一步完善Qrio機(jī)器人四肢的控制系統(tǒng)，最終使機(jī)器人具有了跑步和跳躍功能。機(jī)器人具有沿階梯、搖晃平面和凹凸不平地面行走的能力，如果

7、機(jī)器人不小心跌倒了，它會使損傷減低到最小程度。在跌倒之后，Qrio機(jī)器人會對當(dāng)時(shí)的情況作判斷，并很快站起來。除了行走和跑步之外Qrio機(jī)器人還能像棒球手那樣將手中的球遠(yuǎn)遠(yuǎn)地投擲出去，還能跳傳統(tǒng)的日本舞蹈。圖4 微型機(jī)器人 圖5 Qrio的新型機(jī)器人另外，東方工大研發(fā)出了跳躍式旋轉(zhuǎn)機(jī)器人，如圖6所示。這種機(jī)器人的移動能力非常強(qiáng)，可在瓦礫中進(jìn)行跳躍等，為了越過復(fù)雜地域，這款機(jī)器人使用了壓縮空氣，可以調(diào)節(jié)自身的重量，以符合不同的地形需要。目前，我國對彈跳式機(jī)器人的研制已初現(xiàn)雛形。從公安部上海消防研究所了解到，我國最新一代具有彈跳能力的滅火機(jī)器人目前已基本組裝完畢，據(jù)介紹，滅火機(jī)器人由關(guān)節(jié)履帶移動載體

8、，高壓消防炮和控制系統(tǒng)組成，能輕松翻越30斜坡，跳過250mm高的障礙物。滅火過程中，機(jī)器人不僅會自己調(diào)節(jié)油門，控制行動速度，一旦環(huán)境溫度超過55時(shí)，機(jī)器人還能為自己灑水沖涼，并在1min內(nèi)直搗關(guān)鍵著火點(diǎn)。而消防隊(duì)員卻可在150m安全地進(jìn)行遙控。圖6 跳躍式旋轉(zhuǎn)機(jī)器人3 課題研究意義近年來，我國工業(yè)生產(chǎn)、儲運(yùn)過程中涉及的易燃易爆和劇毒化學(xué)制品迅速增加，由于設(shè)備及管理等方面的原因，導(dǎo)致化學(xué)危險(xiǎn)品和放射性物質(zhì)泄漏以及燃燒、爆炸的事故隱患越來越多。因而對智能化彈跳機(jī)器人的要求愈來愈高。智能化彈跳機(jī)器人代替救援人員從事危險(xiǎn)的災(zāi)情偵察任務(wù)，將會大大減輕救援人員的壓力，提高救援工作的效率。彈跳機(jī)器人還可廣

9、泛應(yīng)用于考古探測、星際探索、軍事偵察以及反恐活動等。為了能夠快捷、順利到達(dá)指定地點(diǎn)執(zhí)行偵察任務(wù)，彈跳機(jī)器人應(yīng)具有較強(qiáng)的越野能力，行走過程中可以跨越具有一定坡度和高度的障礙物，還應(yīng)具有攀登樓梯的功能。為了能在超視距的情況下完成行走任務(wù)，在機(jī)器人尚不具備自主行走能力的前提下，機(jī)器人攜帶的攝像機(jī)應(yīng)能傳回清晰的、有關(guān)路面情況的視頻信號，以便操作人員借助這一信息指揮機(jī)器人的行走。而輪式機(jī)器人無法滿足這種要求，因此迫切需要研制具有彈跳能力的機(jī)器人。多功能升降器2001年的美國 “911”事件造成大量人員傷亡，2008年以來世界各地大大小小的地震，充分暴露了高樓大廈消防系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)的的弊端。自此以后，如何迅速

10、的從高樓里逃生或有效得到庇護(hù)而逃生的難題又一次擺在了世界各地科研人員面前。此類裝置若能做到結(jié)構(gòu)巧妙，制作簡便，成本低廉，便于家庭使用的話，不但解決了當(dāng)前的消防難題，大大的降低了逃生時(shí)的風(fēng)險(xiǎn)，可以挽回人民的生命和財(cái)產(chǎn)，更可以產(chǎn)生了良好的社會效應(yīng)，值得在家庭中大力推廣！目前非鋼絲繩的高樓逃生器方案：救生傘，云梯，軟體，柔性救生滑道，氣囊等等。利用鋼絲繩的方案有：專業(yè)手套，采用發(fā)電機(jī)，讓繞線輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生電力，由電力產(chǎn)生摩擦力矩或阻力矩；歐拉公式加手控；間歇沖擊式，利用離心力來產(chǎn)生摩擦力；利用輪系來增速；利用液體流動阻尼等。雖然目前的方案或是產(chǎn)品已是很多，但卻存在各種各樣的缺點(diǎn)。圖7 高樓逃生器例一用手

11、轉(zhuǎn)動手柄8，使大錐齒輪9轉(zhuǎn)動，帶動小錐齒輪24直齒輪3，傳給直齒輪2蝸5，傳給蝸輪4鋼絲輪13。小錐齒輪10的作用是使大錐齒輪24受力平衡。此方案缺點(diǎn)：蝸輪阻力矩大，手柄8難轉(zhuǎn)動，無排線和阻尼機(jī)構(gòu)。圖8 高樓逃生器例二先將活動夾條10壓死。下降時(shí)，旋轉(zhuǎn)手柄8，放松絲桿9，調(diào)整活動夾條10對鋼絲繩的壓力，2是固定夾條（半圓柱形）。此方案缺點(diǎn)：裝置主要依靠繩與夾條之間摩擦來減速，對工作條件要求高，安全性較差。圖9 高樓逃生器例三扳動手柄20可使逃生器緩慢下降。18是掛鉤。結(jié)構(gòu)簡單，單手難微調(diào)，若包角太大，有可能卡住。研究意義 鑒于以上的方案，打算設(shè)計(jì)一個(gè)能夠在高樓發(fā)生火災(zāi)而消防員無法救援或者通過自

12、救的一個(gè)產(chǎn)品，初想此產(chǎn)品是一個(gè)平時(shí)是一個(gè)晾衣架，緊急情況下能逃生的自救裝置。由于人們對晾衣架的需求仍在不斷的提高，所以與市場上多數(shù)的逃生器相比，具有很好的市場前景，不會像其他逃生器一樣在日常生活中閑置，極大地提高了此產(chǎn)品的使用率。而相對于普通的晾衣架來說，又具備承載能力強(qiáng)，使用壽命更長，操作方便，結(jié)構(gòu)巧妙的排線機(jī)構(gòu)等優(yōu)點(diǎn)，很大程度的提高了實(shí)用性，可靠性，穩(wěn)定性，同樣也提高了產(chǎn)品自身的競爭力。二、研究內(nèi)容地震搜救機(jī)器人災(zāi)難的來臨無法預(yù)測的，但是救援的快、及時(shí)、有效是我們的職責(zé)，以讓受災(zāi)之人及時(shí)脫離危險(xiǎn)。而在災(zāi)難之后，一些非常危險(xiǎn)的地方，救援工作不能很好的開展的地方，這時(shí)候就不能在不確定救援地的地

13、面情況就開展救援，所以應(yīng)該先了解清楚地面情況再開展救援工作才能事半功倍。為救援研制的機(jī)器人舉不勝數(shù)，并且隨著機(jī)器人的飛速發(fā)展，機(jī)器人的功能日新月異，但目前大部分機(jī)器人都存在翻越障礙等問題。因此，救援彈跳機(jī)器人小車應(yīng)運(yùn)而生，它主要利用車體上的彈簧壓縮產(chǎn)生彈性勢能，彈簧釋放時(shí)，作用于地面的彈力反作用于小車，使小車向前跳躍前進(jìn)，更好的解決了越障問題，彈跳小車了解清楚了地面情況之后，這樣救援工作才能高效順利開展。分配的主要任務(wù)是彈跳機(jī)器人驅(qū)動部分的設(shè)計(jì)和該部分的二維零部件圖，三維proe建模以及最終的動畫演示。多功能升降器此多功能升降器必須質(zhì)量要輕，體積要小，質(zhì)量可靠，且利于人操作，當(dāng)然也要便于回收。

14、主要的設(shè)計(jì)在升降手柄上，這也是此設(shè)計(jì)的難點(diǎn)和重點(diǎn)。 分配的主要任務(wù)是部分零件的二維圖制作和最后的動畫演示。三、實(shí)現(xiàn)方法及預(yù)期目標(biāo)方案設(shè)計(jì)：袋鼠的跳躍運(yùn)動的奧秘就在于袋鼠后腿強(qiáng)大的跟腱里。通過實(shí)時(shí)動態(tài)地調(diào)整重心、起跳受力點(diǎn)以及起跳力度三者之間的關(guān)系，使身體保持向前運(yùn)動的狀態(tài)。該方案節(jié)約能量、跳躍方式靈活機(jī)動，但是，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，控制過程復(fù)雜，在小型機(jī)器人上很難實(shí)現(xiàn)理想的效果。因此無法采用動物的彈跳機(jī)理。大炮的發(fā)射原理是確定好著彈點(diǎn)之后，直接計(jì)算出射擊諸如仰角、裝藥量等，然后發(fā)射炮彈，是一個(gè)靜態(tài)過程。其結(jié)構(gòu)簡單，控制過程簡單，易于實(shí)現(xiàn)，綜合考慮，彈跳機(jī)器人的跳躍方式模仿大炮原理。下圖即為彈跳小車原理

15、圖。圖10 彈跳小車原理圖驅(qū)動部分：四輪小車的車輪主要依靠2個(gè)電機(jī)驅(qū)動，小車的前后輪子通過皮帶連接起來，保證小車平穩(wěn)前進(jìn)，車體的厚度小于輪子的直徑，這樣就可以保證車體在傾覆的狀況下仍然可以前進(jìn)。彈力產(chǎn)生機(jī)構(gòu)：該部分主要由1個(gè)電機(jī)，蝸桿，擋片，大螺母及彈簧組成，電機(jī)與蝸桿通過固定件連接，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動時(shí)帶動前端的蝸桿旋轉(zhuǎn)，同時(shí)裝配在蝸桿上的螺母會向前移動，彈簧被壓縮，彈簧前端的圓板被擋板擋住，此時(shí)電機(jī)反轉(zhuǎn)，彈簧仍處于壓縮狀態(tài)。使用棘齒輪與卡筍組合來控制彈簧的釋放。小車傾斜機(jī)構(gòu)：該部分由舵機(jī)和一個(gè)雙向同步開合的四桿機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。以彈射桿的頂點(diǎn)為圓心，通過改變機(jī)構(gòu)的開合程度來控制機(jī)體與地面的角度。初步方案

16、是利用以上幾個(gè)機(jī)構(gòu)，再利用小車上裝載的攝像頭來勘察地面情況或者生命探測儀來探測在災(zāi)難危險(xiǎn)地帶的生命跡象，從而達(dá)到救援的目的。方案重點(diǎn)在于彈跳發(fā)射機(jī)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)和彈跳的精準(zhǔn)度，這兩點(diǎn)也是也是此方案的兩個(gè)難點(diǎn)，還有一個(gè)難點(diǎn)就是小車的重量控制，小車不能太重，因?yàn)樾≤囋街?，那么小車跳躍的高度和精準(zhǔn)度將降低。在災(zāi)難之后，那些非常危險(xiǎn)的地方或者人們不易去救援的地方，那么小車將會代替人們?nèi)ノｋU(xiǎn)的地方探索生命的跡象，這樣能讓救援人員更加有針對性地開展救援工作。預(yù)期目標(biāo)：1. 地震搜救機(jī)器人整個(gè)結(jié)構(gòu)的完整圖紙、各部分零件圖及完整的控制程序；2. 地震搜救機(jī)器人整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)件的三維建模、虛擬裝配及運(yùn)動仿真；3. 地震

17、搜救機(jī)器人加工模型；4. 地震搜救機(jī)器人設(shè)計(jì)說明書；5. 參加北京市創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽。四、對進(jìn)度的具體安排周次計(jì) 劃 完 成 工 作51 對方案進(jìn)行修改并確定最終方案。61 對最終方案進(jìn)行三維建模。71 對方案進(jìn)行各零件圖和總裝配圖的繪制；2 采購零部件。81 對方案進(jìn)行各零件圖和總裝配圖的繪制；2 采購零部件。91 制作三維動畫演示，并對圖進(jìn)行修改；2 制作模型。101 編寫設(shè)計(jì)說明書的提綱；畢業(yè)設(shè)計(jì)小論文的構(gòu)思與選題，擬定初步提綱；2 整理前期的設(shè)計(jì)工作，接受學(xué)校與系的期中檢查；3 制作模型。111 制作模型。121 修改設(shè)計(jì)說明書。131 完成畢業(yè)設(shè)計(jì)要求的小論文的撰寫；2 修改工程圖和三維

18、模型。141 完善設(shè)計(jì)圖并打??；整理設(shè)計(jì)說明書并裝訂；2 準(zhǔn)備參加比賽。151 畢業(yè)設(shè)計(jì)總結(jié)；必要的資料和成果刻光盤存檔；答辯準(zhǔn)備，寫答辯提綱；2 在小組內(nèi)進(jìn)行預(yù)答辯；3 參加北京市機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽。161 答辯；2 歸還學(xué)校和老師提供的圖書資料。五、參考文獻(xiàn)1 機(jī)床設(shè)計(jì)手冊編寫組編.機(jī)床設(shè)計(jì)手冊.1上、下冊 , 通用標(biāo)準(zhǔn)資料.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，19782 機(jī)床設(shè)計(jì)手冊編寫組編.機(jī)床設(shè)計(jì)手冊.2上、下冊 ,零件設(shè)計(jì).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，19793 機(jī)床設(shè)計(jì)手冊編寫組編.機(jī)床設(shè)計(jì)手冊.5上、下冊,電力傳動及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，19794 任大為. 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，19985 徐灝. 新編機(jī)械設(shè)計(jì)師手冊.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，19956 黃靖遠(yuǎn). 機(jī)械設(shè)計(jì)學(xué).北京：機(jī)械工業(yè)出版社,19997 孟憲源等. 現(xiàn)代機(jī)構(gòu)手冊(上、下冊).北京：19948 濮良貴.紀(jì)名剛. 機(jī)械設(shè)計(jì)(第七版).北京：高等教育出版社,20009 程能林. 產(chǎn)品造型材料與工藝，北京理工大學(xué)出版社，200210 劉壯志，席文明，朱劍英.彈跳式機(jī)器人研究 M .機(jī)器人，2003,25（6）：568-57311 譚定忠,王葉蘭,王啟