救援机器人设计*

张瑞君，曹欢玲，陆 涛，周剑飞，徐导勇，魏 尧

（浙江农林大学工程学院，浙江临安 311300）

在自然界中，存在许多人类难以到达的地方和可能危及人类生命的特殊场合，如工地、地震救援等。灾害搜救工作的复杂性和危险性往往给救援工作带来极大的困难，救援机器人将成为灾害辅助救援的有效工具[1-2]。本文设计了一款能在废墟狭小空间中破障穿行的小型救援机器人。将装有多级减速器的直流电机作为履带装置的动力，采用四驱方式。综合考虑底盘离地面高度和机器人整体高度，初步设计驱动轮直径为80 mm，支持轮直径为36 mm，如图1所示。

1 行走机构设计

搜救机器人面对的工作环境是废墟，由大量的碎砖块、被损毁的家居用品等组成。废墟中各种小障碍极多且凹凸不平，为此，行走机构选取类似于同步带的行走履带。履带内齿面为同步带标准齿形，外齿面（着地面）采用矩形截面齿形，以提高其攀越障碍的能力。工作时，带齿与带轮的齿槽相啮合，是一种啮合运动，因而具有带传动的优点，如耐屈挠性好、伸长率小、强度高等。驱动轮的齿形为标准同步带轮齿形，带挡边以限制履带横向移动。从攀越障碍、防止打滑、动力以及履带式独特的转弯方式角度分析，

图1 行走履带

2 机械手设计

对于采用履带式行走方式的救援机器人而言，行走机构用来完成空间内的整体移动。为了增强救援机器人对废墟内部复杂状况的适应性，引入能够完成三维空间操作任务且能够精确操控的多自由度机械手[3-4]。综合实际可行性及角度分析，借鉴实际制作经验设计了一种四自由度机械臂，如图2所示。优点为：非工作状态时机构所占空间和整体体积较小、重量轻、动作较精确及操作灵活。机械手要完成破障任务，需要具备一定的承载能力，例如利用破障电锯将横向阻挡在通道内的木棍锯断后，由机械手将其从前进道路上抓离。

设计一款平行四边形连杆式平动型抓取机构，如图3所示。连架杆A、连架杆C、连杆E、机架以及与之对应的连架杆B、连架杆D、连杆F、机架分别组成一个双曲柄机构。由于连架杆A与连架杆C长度相等，连架杆B与连架杆D长度相等，故成为平行四边形机构。连架杆A作为动力源，连架杆A与B通过齿轮连接传递驱动力，当A受到驱动力按箭头运动方向转动时，B同时被带动，平行四边形机构中的连杆E和F向夹持机构的中心轴同步平移，完成夹取动作。

图2 机械臂机构运动简图

图3 抓取机构运动简图

3 破障装置和铲车结构设计

破障工具根据动力源不同分为三类：电动式、液压式和气动式。考虑到救援机器人的内部空间小和承载能力有限，为此需要提供动力源的液压式和气动式不在考虑范围内。常见电动破障工具根据原理不同分为：圆盘锯、电链锯、曲线锯、电钻等[5]，通过改造常见电动工具，设计出符合基本要求的小型化破障装置——往复式电锯，如图4。

图4 往复式电锯破障装置结构图

图5 机械手结构图

图6 铲斗抬升机构运动简图

图7 铲推装置结构图

在狭小的废墟通道内，对于体积较大的障碍物，无法使用破障设备破除，例如一块斜靠在通道壁上的石板、一堆碎石块堵塞前进通道。面对这类状况，机械手无法抓取体积过大的障碍物，破障电锯也无法发挥作用，这时最好的解决办法是将障碍物推开，或者直接将障碍物搬离。借鉴铲雪车的前铲结构，设计了具备铲车搬运功能、铲推功能、保护功能及开辟通道功能的铲推设备。铲斗被设计成150°夹角，能够将救援机器人前进的驱动力分解，产生向左、右两侧方向的分力，在前进过程中将障碍物推向两侧[6]。铲推装置结构上采用了连杆机构的设计方案，如图6，使用两个精确定位的小型伺服电机驱动，提供足够的抬升动力同时确保搬运障碍物的过程稳定进行。为避免前置铲斗对履带行走机构翻越障碍性能产生影响，铲斗最大抬升高度定为40 mm，如图7。

4 总结

图8 救援机器人结构图

救援机器人的实际工作环境非常复杂，需要考虑的因素很多，因此，其功能设计很难面面俱到。经过对救援机器人实际废墟运行环境具体分析，并对搜救任务执行过程中可能遇到的多种需求进行假设研究，明确了救援机器人应达到的功能配备和性能指标[7-8]，实现了越野功能、破障功能、多自由度机械手功能等。救援机器人结构图如图8所示。

［1］李斌.蛇形机器人的研究及在灾难救援中的应用［J］.机器人技术与应用，2003（3）：22-26.

［2］司戈.机器人在“9.11”救援行动中的应用［J］.消防技术与产品信息，2003（7）：44-47.

［3］王野，王田苗，裴葆青，等.危险作业机器人关键技术综述［J］.机器人技术与应用，2005（6）：23-31.

［4］钱善华，葛世荣，王永胜，等.救灾机器人的研究现状与煤矿救灾的应用［J］.机器人，2006，28（3）：350-354.

［5］刘金国，王越超，李斌，等.灾难救援机器人研究现状、关键性能及展望［J］.机械工程学报，2006，42（12）：1-12.

［6］董晓坡，王绪本.救援机器人的发展及其在灾难救援中的应用［J］.防灾减灾工程学报，2007，27（1）：112-117.

［7］唐鸿儒，宋爱国.危险环境侦测机器人的研究进展［J］.机器人技术与应用，2007，23（4）：29-35.

［8］孟庆鑫，王晓东.机器人技术基础［M］.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2006.