废墟狭窄空间辅助救援机器人研究-机械工程专业毕业论文.docx

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Dissertation for the Master Degree in Engineering
RESEARCH ON THE AUXILIARY RESCUE ROBOT IN NARROW SPACE OF RUINS
Candidate: Wang Jibin
Supervisor: Associate Prof. Zang Xizhe Academic Degree Applied for: Master of Engineering Speciality: Mechanical Engineering
Affiliation: School of Mechatronics Engineering
Date of Defence: July, 2014
Degree-Conferring-Institution: Harbin Institute of Technology
摘 要
全球范围内地震灾害频繁,给相关国家和人民带来巨大的人民生命伤亡和经济财产损失。在救援工作中,当前救援人员大多采用手动或者半自动的救援工具在废墟环境中完成切割、顶撑等作业,以开辟救援通道,严重降低了救援工作的效率,同时危险的震后环境也时刻威胁着救援人员的生命安全。本文在国家 863 计划“面向地震应急搜救机器人研究开发与应用”的支持下, 研制出适合于进入废墟狭窄空间的救援机器人实验样机以及用于切割、顶撑的救援工具和相应的操作臂,辅助救援人员深入废墟狭窄空间建立救援通道。
根据救援机器人的性能指标及功能要求,设计一种可模块化组装、结构紧凑、可搭载救援工具的履带式救援机器人。机器人车体单元间的连接关节采用空间并联机构,强度和可靠性更好,可实现车体间主动的俯仰、偏航, 而沿着车体轴线方向的被动转动自由度可以通过抱闸控制进行锁定和解锁, 提高了机器人对地震复杂环境的适应性。
根据救援机器人车体体积限制及功能指标,设计两个结构紧凑、升降范围大的顶撑工具和一个用于投放顶撑工具的通用顶撑机械臂;切割功能则由一个三自由度切割机械臂末端固定一个电动切割工具实现。高通过性的救援机器人搭载可实现远程作业的切割和顶撑机械臂及救援工具,增强了救援机器人深入废墟狭窄空间作业的能力。
运动学分析是对机器人进行控制的前提,因此对机械臂和并联驱动关节进行运动学分析,求出各关节运动与末端位姿的关系。应用 ADAMS 仿真软件对并联驱动关节和顶撑机械臂进行仿真分析,验证结构设计的合理性。由于顶撑工具需要承受很大负载,利用有限元分析软件 ANSYS WORKBENCH 对顶撑工具进行有限元分析,检验强度刚度是否满足要求。
研制救援机器人、救援工具及操作臂的实验样机,基于 VC++ 编制控制软件,实现对救援机器人的远程控制。针对救援机器人的高通过性和远程作业能力进行爬坡、行走、越障、切割和顶撑等实验。实验结果表明,救援机器人可以翻越 300mm 高的垂直障碍,跨越 400mm 宽的沟壕,切割工具可以切断直径为 10mm 的钢筋,两个顶撑工具顶撑范围分别为 50-100mm 和 70-400mm,都可以顶撑 500kg 的重物。
关键词:履带救援机器人;机械臂;切割工具;顶撑工具;运动学;静力学
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Abstract
The earthquake disasters take place frequently worldwide, bringing huge losses of life and possession to the relevant countries and people. In the current rescue operations, the rescuers usually employ the manual or semiautomatic tools in plex ruins environment to handle the task such as cutting and jacking work to open up a rescue channel, in which way are the efficiency of rescue work greatly reduced and the life security of rescuers threatened by the dangerous post-disaster environment all the time. This paper, under the aid of the National 863 Program “Research, developmen