落井救助机器人的结构设计与总装

2014-05-30刘海燕戴鹏孟维云徐影

东方教育 2014年4期

刘海燕戴鹏孟维云徐影

【摘要】落井救助机器人的本体设计和实体建模。根据落井救助的实际工作要求，确定了包括探臂和抱臂在内的探臂垂直移动、托架座翻转、抱臂垂直移动、抱臂翻转和抱臂开合共5个自由度，并最终确定了机器人的结构方案并完成其装配工作。

1、落井救助机器人技术方案的确定及其工作原理

目前，抓斗方案和吊舱方案是小口径落井救助的主要技术方案。抓斗方案结构相对简单，易于实现，但是体积较大，且对落井人员不同位姿的适应性不强。平卧式是最适合抓斗抓取的位姿，而小口径落井人员的基本位姿则是直立式或斜卧式，因此该方案并不理想。吊舱方案在实施救助过程中，必须从待救人员的四周下落至身体下方，若被救人员倾斜且紧贴井壁的话，吊舱也无法下落进行救助，因此该方案也不够理想[4]。

随着机器人救助技术的不断发展，其在各种灾难救助领域得到了越来越广泛的应用，这也促使机器人的研发步伐不断加快，目前此类机器人种类生产也越来越多，本课题通过引入机器人技术，设计研发了一套机器人机构装置，主要适应落井救助工作的实施，其机体结构如图1.1所示。此井下救助机器人能够适应各种不同的情况，不管落井人员处于什么位姿都能够得到有效救助，，总体包括井上和井下两个作业单元，井上作业单元主要由监控系统和卷扬装置构成；井下作业单元由机器人本体机构、供气装置、照明装置和摄像装置构成，其中机器人本体又包括本体机架、沿井壁滚动机构、井壁锚固机构、探臂机构及抱臂机构，而照明装置、供气装置和摄像装置等辅助救助装配，则通过电缆或管路与井上作业单元的对应设备相连接，从而有利于救助工作顺利、快速的完成。

出于对井下待救人员位姿不确定性的考虑，为了能够实现井下救助机构转向的任意调整，从而选择最佳的救助位置，主要通过对卷扬装置设计，使其可以在地面导轨上旋转且范围达到了，由此井下作业单元的方向可任意调整。为了能够实现机器人井下作业单元的滚动行走，设计时把井壁锚固机构和沿井壁滚动机构安装在本体机架的行走轮组上，且与井壁接触，当移动到合适位置后，通过锚固机构将井下作业单元固定，然后托抱式救助机构开始动作，从而开始实施救助工作。

机器人完成井下救助作业的核心机构且最关键的技术——托抱式救助机构。其整个机构由探臂和抱臂两部分构成。

探臂机构由垂直移动和托架翻转两个自由度构成。机器人井下作业单元锚固定位后，观察并分析井下传上来的视频信息，通过旋转或微调井上旋转平台来确定最佳的方位，以便将探臂机构下落至待救人员的下方，通过操作探臂前端的托架机构，使其缓慢向上翻转90度，即与探臂垂直的状态，不仅能够实现对落井人员的托起作用，而且可以承受被救人员的重量及防止其进一步下滑。

抱臂机构由垂直移动、抱臂开合及抱臂翻转三个自由度构成。抱臂垂直向下移动，当其移动到合适位置后缓慢调整抱臂翻转角度，使抱臂与被困人员的身体成相互垂直状态，然后控制抱臂开合角度，使抱臂从被救人员的腋下对其进行抱拢固定。当探臂和抱臂将落井人员托起抱拢后即可松开救助机器人的锚固机构，然后再控制卷扬装置将井下作业单元与被救人员一起提升，从而实现对落井人员的成功救助。

2、机器人本体结构的设计

落井救助機器人的本体结构主要由以下几部分构成：机架装配体、探臂装配体、抱臂装配体。如图所示。

机架装配体：本体机架呈正多棱柱体结构，在各柱面上安装有两只行走轮，通过轮轴和轴承连接在轮架上，实现整个机构沿井壁滚动行走。井壁锚固机构通过马达带动大齿轮旋转，然后通过齿轮副、丝杠螺母结构带动直动臂杆伸缩，直动臂杆的自由端设置有带尖状物的接触部，从而将井下作业单元锚固在固定位置（图2.1）。

探臂装配体：共包括两个升降工作部。第一升降工作部通过第一马达带动大齿轮旋转，然后通过齿轮副传递给长丝杠，使长丝杠的旋转变为大丝母座的升降，从而带动探臂机构沿竖直导轨垂直移动。第二升降工作部通过第二马达带动小丝杠旋转，也就相当于小丝母座的升降，然后通过连杆的作用，从而带动托架翻转（图2.2）。

抱臂装配体：包括两个升降工作部和一个开合工作部。第一、第二升降工作部同探臂，区别在于探臂的第二工作部带动的是托架的翻转，而抱臂的第二工作部带动的则是抱臂的垂直翻转。抱臂是一对对称弧形齿轮，分别于一小齿轮啮合，马达带动小齿轮旋转，则与其啮合的抱臂齿轮在定导轨内滑动进行开合（图2.3）。

3、机器人本体的总装模型

进行三维建模时，首先根据已有的二维图纸把各个零件的三维模型画出来，然后根据装配关系，先将各个零部件组装成子装配体，最后进行总装。按照零件——子装配——总装配的顺序，不仅使装配工作方便有序，给装配工作带来便利，并且各个零部件均在装配导航器中装配树下，便于管理。

通过各个零部件到子装配体再到总装配体，最终得到落井救助机器人本体的总装模型如图所示。

4、小结

本文根据小口径竖井落井救助的具体工况和本体结构设计要满足的技术指标，确定了落井救助机器人的整体结构方案。并运用SolidWorks计算机应用软件，完成了落井救助机器人本体的三维建模及装配，为救助机器人的优化设计及运动学分析做好了准备。

参考文献：

[1]施建昌.拓展消防部队社会紧急救助功能的探讨[J].消防科学与技术，2005。