杜微 孫雅萍 孟艷萍

摘 ?要：外掛式礦難機(jī)器人設(shè)計是為了解決目前在礦難發(fā)生時出現(xiàn)的救援問題：二次塌方，有毒氣體等。機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計采用履帶結(jié)構(gòu)，履帶對地形適應(yīng)能力很強(qiáng)。行進(jìn)機(jī)構(gòu)采用雙履帶結(jié)構(gòu)，利用驅(qū)動履帶實現(xiàn)行進(jìn)運動，利用爬坡履帶實現(xiàn)破路爬行運動，機(jī)器人上有托舉機(jī)構(gòu)，可以在搜索到遇難人員時，進(jìn)行托舉救援。

關(guān)鍵詞：礦難機(jī)器人救援托舉機(jī)構(gòu)

中圖分類號：TP242 ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B ? ? ?文章編號：1006-8937（2015）35-0016-02

1 ?背景概述

工業(yè)的發(fā)展離不開資源，絕大部分的資源來自于礦產(chǎn)的開發(fā)。隨著資源需求量的增大，礦產(chǎn)的開發(fā)也被進(jìn)一步的擴(kuò)大。礦產(chǎn)在為工業(yè)現(xiàn)代化作出重大貢獻(xiàn)的同時也伴隨著的礦難事故的發(fā)生率急劇上升。據(jù)不完全統(tǒng)計，就煤礦礦難自2001～2014年以來，我國共發(fā)生煤礦遇難30 494起，死亡人數(shù)52 348人，平均每起死亡人數(shù)1.72人;其中重大事故498起，死亡人數(shù)11 723人，平均每起23.54人。給國家和個人帶來了極大的損失和傷害。造成死亡的主要原因是瓦斯爆炸和采空導(dǎo)致的煤礦坍塌，工作人員被困而得不到及時的救助。

礦難死亡率人數(shù)的眾多表示在發(fā)生礦難時救援困難重重而無法及時搜救，主要表現(xiàn)在挖掘救援通道時有可能造成二次坍塌，給救援人員帶來危險;再者礦下情況復(fù)雜，遇難人員無法準(zhǔn)確定位。在這種緊急而危險的情況下，使用一種可以替代救援人員，及時、迅速深入礦難現(xiàn)場進(jìn)行偵查、探測并實施搜救的救援機(jī)器人，即可以減少救援人員的危險，也可以提前發(fā)現(xiàn)受災(zāi)人員及時施救，這對于救援工作有著極其重要的意義。

2 ?機(jī)械結(jié)構(gòu)

設(shè)計礦難機(jī)器人的目的是為了解決在礦難發(fā)生的復(fù)雜環(huán)境里幫助因受災(zāi)而導(dǎo)致的昏迷人員成功逃脫的技術(shù)問題。

其機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1所示。

所設(shè)計的礦難搜救機(jī)器人包括行走機(jī)構(gòu)、擺臂機(jī)構(gòu)、翻斗機(jī)構(gòu)和升舉機(jī)構(gòu)。行走機(jī)構(gòu)設(shè)計成履帶式可以適應(yīng)復(fù)雜的礦下地形;擺臂機(jī)構(gòu)增大了機(jī)器人的爬坡越障功能;翻斗機(jī)構(gòu)可以救援已經(jīng)昏迷的遇難人員;升舉機(jī)構(gòu)，可以把遇難人員托舉出救援通道。

其中行走機(jī)構(gòu)包括行走驅(qū)動電機(jī)、行走減速齒輪組、行走驅(qū)動軸、行走傳動機(jī)構(gòu)。行走驅(qū)動電機(jī)通過聯(lián)軸器與行走減速齒輪組連接;行走減速齒輪組是通過齒輪嚙合、聯(lián)軸器與行走驅(qū)動軸連接;行走驅(qū)動軸與行走傳動機(jī)構(gòu)連接;行走傳動機(jī)構(gòu)通過行走驅(qū)動輪的轉(zhuǎn)動帶動行走履帶、支重輪和行走轉(zhuǎn)向輪一起轉(zhuǎn)動，完成行走任務(wù)。

擺臂機(jī)構(gòu)包括擺臂電機(jī)、擺臂驅(qū)動電機(jī)、擺臂減速齒輪組、擺臂驅(qū)動軸、套筒、擺臂傳動機(jī)構(gòu)和擺臂連接桿。擺臂電機(jī)和擺臂驅(qū)動電機(jī)分別通過聯(lián)軸器與擺臂驅(qū)動軸和擺臂減速齒輪組連接;擺臂減速齒輪組是通過齒輪嚙合、聯(lián)軸器與套筒連接;套筒與擺臂傳動機(jī)構(gòu)通過鍵固定連接;擺臂傳動機(jī)構(gòu)通過擺臂驅(qū)動輪的轉(zhuǎn)動帶動擺臂履帶和擺臂轉(zhuǎn)向輪一起轉(zhuǎn)動，使擺臂與行駛履帶共同行進(jìn)。這樣的設(shè)計可以增大機(jī)器人的驅(qū)動和底面的適應(yīng)能力。擺臂驅(qū)動軸與擺臂驅(qū)動連接桿連接;擺臂驅(qū)動連接桿與擺臂轉(zhuǎn)向輪連接，這樣使擺臂可以繞著驅(qū)動回轉(zhuǎn)軸擺動相應(yīng)的角度，以適應(yīng)坡路行駛。

翻斗機(jī)構(gòu)由電動推桿、翻斗連桿和救援鏟組成。電動推桿與翻斗連桿連接;翻斗連桿與救援鏟連接，電動推桿的運動是往復(fù)移動，通過連接桿可以使救援鏟對昏迷人員實行救援工作。救援鏟通過翻轉(zhuǎn)運動把被救援人員安全的放到升舉機(jī)構(gòu)上。

升舉機(jī)構(gòu)由升舉電機(jī)和連桿組組成。升舉電機(jī)通過聯(lián)軸器與絲杠連接，絲杠和螺母組成螺旋副，當(dāng)絲杠轉(zhuǎn)動時便帶動螺母在絲杠上實現(xiàn)左右移動，螺母與連桿組固定連接，帶動連桿組運動。連桿組是通過轉(zhuǎn)動副連接的連交叉接桿，在螺母的推動下實現(xiàn)上下運動，把遇難人員通過安全通道送到安全位置。

3 ?控制系統(tǒng)設(shè)計

機(jī)械結(jié)構(gòu)給了機(jī)器人骨架，控制系統(tǒng)部分則給了機(jī)器人動起來能量?？刂企w統(tǒng)為機(jī)器人的結(jié)構(gòu)提供了驅(qū)動力，使機(jī)器人可以靈活的運行。完善的電氣設(shè)計保證機(jī)器人良好的運轉(zhuǎn)。針對機(jī)器人各個部位不同的驅(qū)動需求設(shè)計與之匹配的驅(qū)動電路。

控制系統(tǒng)包括電機(jī)的控制模塊設(shè)計、行走蔽障模塊設(shè)計、人體紅外感應(yīng)模塊設(shè)計、無線遙控模塊設(shè)計、供電系統(tǒng)設(shè)計和位姿控制模塊設(shè)計。

其中位姿控制模塊設(shè)計非常重要，它能準(zhǔn)確報告機(jī)器人的位置，同時機(jī)器人在執(zhí)行任務(wù)時，需要實時測量和估算機(jī)器人本體的側(cè)傾角、前傾角等姿態(tài)信息，以說明控制系統(tǒng)完成越障、避障動作，并保證機(jī)器人不發(fā)生傾覆等不安全事故。

4 ?結(jié) ?論

礦難搜救機(jī)器人的設(shè)計和使用可以替代救援人員，及時、迅速深入礦難現(xiàn)場進(jìn)行偵查、探測并實施搜救救援機(jī)器人，即可以減少救援人員的危險，降低了救援時的勞動強(qiáng)度，也可以提前發(fā)現(xiàn)受災(zāi)人員及時施救，這對于救援工作有著極其重要的意義。

參考文獻(xiàn)：

[1] 宋繼祥，李全軍，劉益輝，等.地震多功能救援機(jī)器人設(shè)計[J].機(jī)電產(chǎn)品 ? 開發(fā)與創(chuàng)新，2011，（9）.

[2] 王鵬，李鑫，汪文浩.地震搜救機(jī)器人構(gòu)型設(shè)計綜述[J].哈爾濱理工大 ? 學(xué)學(xué)報，2012，（2）.

[3] 王紅軍，魏超.一種地震搜救機(jī)器人運動結(jié)構(gòu)設(shè)計研究[J].北京信息 ? 科技大學(xué)學(xué)報，2010，（9）.