灾后水陆两栖机器人移动机构设计- 开题报告

3.0 闻远设计 2024-07-31 75 4 62.23KB 11 页 15光币

侵权投诉

一、选题的目的、意义和研究现状

1．目的、意义

在21 世纪的今天，随着自然灾害、恐怖活动和各种突然事故发生的越来越多，在灾

难救援中，救援人员用较短的时间在废墟中寻找幸存者的几率比较小，在这种紧急而危

险的情况下，救援机器人可以为救援人员提供有效的帮助。因此，将具有自主智能的救

援机器人用于危险而复杂的环境中搜索和营救幸存者是非常实用的。

煤炭是我国能源供应中的重要组成部分，我国煤炭产量已占世界煤炭产量的

51%[1]，随着当前我国经济的发展，煤矿的开采量也在不断的上升。煤矿开采过程中的诸

多不稳定因素就会导致安全事故的频繁发生。对当前我国煤矿安全生产现状进行了仔细

的梳理，借鉴欧美发达国家煤矿安全生产的经验，提出了有针对性的改善措施，这对于

降低我国煤矿生产的安全事故的发生有着重要现实意义。

矿井开采过程中大气降水、采空区老窑积水、地下水等通过渗入、淋入以及突入等多

种方式进入矿井开采空间内，给矿井生产安全带来一定的影响。近些年来，随着矿井采

掘深度增加，矿井生产受到水害制约更为明显，承压水、采空区老窑积水成为制约矿井

生产安全的重大隐患。若矿井生产过程中出现突水事故，水害发生后的快速抢险救援对

减少矿井损失或者人员伤亡具有重要意义。矿井水害事故发生后救援主要包括３个阶

段，依次分为抢险救灾、治水保矿以及治水复矿等阶段，其中前两个阶段尤为关键，通

过进行现场紧急处理，最大限度地降低人员伤亡及财产损失，从而为后续的矿井复工生

产创造条件Error: Reference source not found。

当矿井发生大型透水事故时会淹没采区甚至整个矿井，严重时会造成大量的人员伤

亡以及财产损失，给矿井带来灾难性影响。矿井出现水害事故后，水流动时具有较大水

头压力，会冲垮巷道或者淹没人员，给后续的抢险救灾带来较大难度。井下机电设备、

供电电缆等遭受水侵蚀，给其自身绝缘性能造成较大影响，设备无法保持正常运转，给

井下的正常通风、运输、疏排水等抢险救灾工作带来不利影响。在井下出现透水事故的过

程中，会携带大量的矸石、泥沙，大量的淤积物充填在巷道内给救援人员正常行进带来

影响，延误应急救援时间，透水时可能会携带大量的瓦斯、硫化氢等有害气体，给井下

人员安全带来较大威胁。透水事故发生后，遇难人员的位置难以确定，后续应急救援增

加难度[2]。

因此开发具有水陆两栖救援机器人是非常具有现实意义的。目前，救灾方式只是根

据事故的类型确定救灾的方案，一般救护人员无法进入危险区域，只能通过提升绞车、

移动式风车等设备清除垃圾，向井下通风，然后再搜救遇险矿工。此方式危险性大，伤

亡人数多，救灾周期长，往往效率低。随着科技的发展，水陆两栖机器人将被应用到煤

矿救灾领域。

2．研究现状

Ratler 是世界上第一台用于煤矿井下救援任务的机器人[4]，在 1998 年该煤矿探测机

器人被美国劳动部矿山安全中心和Sandia 智能系统机器人中心共同研究开发而

成。Ratler 煤矿井下探测机器人主要用于矿山事故发生后现场的安全情况调查，该机器

人配备有前端红外摄像机、陀螺仪和各种传感器，用于检测二氧化碳、一氧化碳和甲烷

等有害气体，可以监测矿井环境以及危险气体是否存在，并且通过机器人搜寻被困人员

具体位置。1998 年11 月24 日，Willow Creek 煤矿遭受严重灾难后，Ratler 煤矿救援机器

人前往现场进行初步适用性测试，但还远不能满足煤矿救援机器人的要求。

来自中国矿业大学的CUMT-I 型机器人是中国第一台煤矿救援机器人[5]，是由中国

矿业大学在2006 年研制而成的[6]。其主要功能是：能够携带食品、水、药品、救援仪器等

辅助材料，使遇难者能够主动进行自救，它还具有双面语音功能，可以快速联系受害者

并指导受伤者选择逃生路线。该机器人配备了微光摄像头和相关的气体、温度传感器，

可检测地下灾害环境中气体、一氧化碳和氧气的浓度以及环境温度等，该机器人采用无

线通讯的方式进行数据传输，并实现对机器人的远程遥控操作[7]。根据 CUMT-I 型的研

制，中国矿业大学通过不断研究创新，相继迭代出CUMT-II、CUMT-III、CUMT-VI 系列

煤矿救援机器人。

2003 年，哈尔滨工程大学孟庆鑫教授开发出一款仿螃蟹水陆两栖机器人。该机器人

有８个仿生蟹脚，每个仿生蟹脚有三个关节。通过灵活配置８条腿的动作，机器人可实

现特定的动作，转弯等。机器人只能在地面和水底以爬行的方式前进，而无法在水中游

动。

首尔国立大学的Sa-Reum Kim 等人设计了一款名叫 SNUMAX[9-10]的折纸轮式机器

人，如图 1.18 所示。由于轮式机器人在非结构化环境中的适应能力差，利用折纸结构的

可展性使车轮同样具有可折展性，增加机器人的移动能力。该机器人在水弹结构的外侧

添加了履齿结构，履齿结构在增大水弹轮折展比的同时还可增加与地面的接触摩擦力。

折纸机器人是通过折叠实现形态和功能的自动化机器。它通过设计材料折痕的几何

实现所需的功能,从而将材料与机器紧密地结合起来。此外,用于制造折纸机器人的纸张

或其他可折叠薄片材料在显著减少机器人重量和降低材料成本的同时也有利于环境保护

[11]。折纸结构的形式种类非常丰富，根据折痕特点以及单元数目划分，常用的有 Miura-

Ori 折纸、Yoshimura 折纸和三浦折纸这些特性使得折纸机器人在医疗、太空探索、灾区搜

救等方面都有着广阔的应用前景.对其发展现状的分析将有助于更好地理解折纸机器人

发展面临的问题,并更准确地把握其未来发展的方向[13]。

二、研究方案及预期结果

1．设计原始参数

整车外形尺寸：1170×2630×1290mm，最高车速：5 km/h，整车总质量：20kg，最

小离地间隙：176~240mm。

2．主要研究内容及方案

（1）总体设计

本次毕业设计所研究的内容为灾后水陆两栖机器人移动机构设计。

目前，世界上大多数煤矿井下机器人多为履带式，但履带式救援机器人的越障能力

不强、整体控制系统复杂，在遇到深沟、积水等特殊地形时有可能会导致其行走能力的

丧失，影响搜救任务的进行。研究表明，可变轮径式水陆两栖救援机器人将会是井下搜

救机器人的发展趋势。

本文所研究的灾后水陆两栖机器人属于可变轮径式水陆两栖救援机器人，可折展轮

整体看作轮式结构，骨架则可以看作腿式结构，在灾后井下复杂环境中行走，不仅机器

人的整体结构要能够适应井下复杂环境，其运动控制系统也必须适应这种复杂环境可折

展机器人主要由可折展轮、折展驱动结构、底盘以及双层控制结构组成。机器人运动由四

个电机控制，采用四轮差速进行转弯，初步确定整车实际重量为 20kg，需要大扭矩低

转速的电机，初步选择了减速比为 1:90、89 rad、12 V、15 W 的直流减速电机。由于可折

展轮的特殊性，在运动过程存在单杆着地和双杆着地两种情况，可折展轮收缩状态下，

单杆与双杆分别着地时车身高度为 181mm 和176mm；可折展轮展开状态下，单杆与双

杆分别着地是车身高度为 240mm 和228mm，整体机械结构设计中，壳体、底盘及可展

连杆均采用 PLA 材料进行制作，其优势为价格低、制作方便、质量轻和方便机器人迭

代，虽强度稍微不足，但对整车影响不大。

驱动结构由丝杠、螺母、螺母支架和推杆组成。将螺母固定在螺母支架上，推杆一端

穿过螺母支架与其固定，电机带动丝杠旋转时，螺母与丝杠相对旋转且向前直线行进，

并带动安装在上面的推杆一起行进，从而将收缩的可折展轮展开。采用直径为12mm 螺

距为4mm 的丝杠传动可以精准的控制可折展轮展开大小，在不同地形中控制丝杠旋转

从而控制推杆前进距离以达到可折展轮目标半径。丝杠螺母采用 45 号钢材质的标准件，

在丝杠传动过程中可以保证其运动的直线性。螺母支架和推杆均采用 PLA 材料通过 3D

打印技术制作而成，在保证强度的同时，既可减轻整车重量达到轻量化，又可降低成

本。

底盘设计分为控制模块和驱动硬件安装模块，控制模块采用两层设计，其优势在于

可将控制系统硬件分两部分安装。上层为控制可折展轮折展的主控板、电机驱动器和电

源转换模块，下层为可折展轮行走驱动的主控板、树莓派和机器人供电电源，两层安装

板上的相应位置均设有安装孔，方便系统硬件安装，并且两端设有走线孔方便排线。上

层安装板上两侧带有磁铁，可以方便检修时安装拆卸。驱动硬件安装模块的设计主要考

虑电机、丝杠、推杆等的安装、折展电机和行走电机的位置以及丝杠与推杆配合的位置。

折展电机驱动器采用 H桥集成电路的L298N 驱动器，该种驱动器是专用驱动电机

的集成电路，如图 3.8 所示。驱动器的最大工作电压能够达到 50V，且该驱动器正常状

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标签： #设计 #开题报告 #开题

摘要：

一、选题的目的、意义和研究现状1．目的、意义在21世纪的今天，随着自然灾害、恐怖活动和各种突然事故发生的越来越多，在灾难救援中，救援人员用较短的时间在废墟中寻找幸存者的几率比较小，在这种紧急而危险的情况下，救援机器人可以为救援人员提供有效的帮助。因此，将具有自主智能的救援机器人用于危险而复杂的环境中搜索和营救幸存者是非常实用的。煤炭是我国能源供应中的重要组成部分，我国煤炭产量已占世界煤炭产量的51%[1]，随着当前我国经济的发展，煤矿的开采量也在不断的上升。煤矿开采过程中的诸多不稳定因素就会导致安全事故的频繁发生。对当前我国煤矿安全生产现状进行了仔细的梳理，借鉴欧美发达国家煤矿安全生产的经验，...

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