废墟表层顶撑机器人研究-机械工程专业毕业论文.docx

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Dissertation for the Master Degree in Engineering
RESEARCH ON DEBRIS SURFACE JACK ROBOT
Candidate:
Liu Yixiang
Supervisor:
Associate Prof. Zang Xizhe
Academic Degree Applied for:
Master of Engineering
Speciality:
Mechanical Engineering
Affiliation:
School of Mechatronics Engineering
Date of Defence:
July, 2013
Degree-Conferring-Institution:
Harbin Institute of Technology
摘 要
全球范围内地震灾害频发,给相关国家和人民造成了巨大的生命和财产损失。在救援工作中,救援人员多是采用手动工具在复杂的废墟环境中完成切割、起缝和空间顶撑,以打通救援通道。这种方法降低了救援工作的效率,危险的现场环境也时刻威胁着救援人员的人身安全。本文结合国家 863 计划重点项目“地震灾害辅助救援机器人示范系统研究”,研制出一种能够进入震后复杂废墟环境中,辅助或代替救援人员完成起缝和顶撑作业的废墟表层顶撑机器人。
根据废墟表层顶撑机器人的功能要求,设计出机器人的本体结构,机器人包含顶撑模块、左右两侧的支撑模块和运动模块等五个模块。顶撑模块采用液压驱动的二级剪叉式顶撑机构,具有结构紧凑、承载力大等优点;运动模块采用基于平行四杆机构的可变形履带式运动机构,具有较好的机动性能,并可根据不同作业任务的需要改变自身结构形式。顶撑机器人具有快速运动与蠕动两种运动模式,快速运动时利用履带驱动机器人在废墟等非结构化环境中进行直线、转向或爬坡运动,蠕动时机器人可以在废墟中建立运动通道,使自身在废墟下面穿行。
顶撑机器人在顶撑作业时需要承受较大负载,各零部件必须要有足够大的强度和刚度,因此对顶撑机器人在整个顶撑作业过程中的运动与受力状态进行了运动学和动力学分析; 针对顶撑作业时的最危险工况, 利用 ANSYS Workbench 进行了有限元静力结构分析, 为结构优化提供了理论依据;并在 ADAMS 环境中完成了顶撑机器人的蠕动过程仿真,验证了结构设计的合理性。
为了增强顶撑机器人控制系统在复杂工作环境中的可靠性,基于模块化原则搭建了控制系统硬件平台;控制系统软件采用 LAAS 体系结构,将控制软件
分为决策层、执行控制层、功能层、逻辑系统层和硬件层,这种软件体系结构基本不受硬件变化的影响,具有较强的灵活性和扩展性;基于 Windows 系统的多线程机制,利用 Visual C++编写了控制软件。
研制出顶撑机器人样机,进行了快速运动、蠕动、爬坡、原地转向等运动实验和起缝、顶撑作业实验。实验结果表明,顶撑机器人具有较强的运动能力, 可以利用蠕动功能在重物下面建立运动通道使自身通过, 最低可以插入到 40mm 的缝隙中,并可将 700kg 的物体顶撑至距离地面 410mm,各项技术指标
均达到设计要求。
关键词:救援机器人;顶撑机器人;蠕动;运动学;动力学
Abstract
Earthquakes occur frequently all around the world, causing grave losses of life and property to relevant countries and people. In rescue works, hand tools are mostly used to cut the barricades, open narrow gaps and jack up debris in order to open up a rescue channel in plex debris environment. This method reduces the efficiency of rescue works and the dangerous spot environment is also a threaten to the safety of rescue parties. This paper is closely connected to the national 863 project “Research on Earthquake Disaster Rescue Robots Demonstration System”, w