劉海燕 戴鵬 孟維云 徐影

【摘要】落井救助機(jī)器人的本體設(shè)計(jì)和實(shí)體建模。根據(jù)落井救助的實(shí)際工作要求，確定了包括探臂和抱臂在內(nèi)的探臂垂直移動(dòng)、托架座翻轉(zhuǎn)、抱臂垂直移動(dòng)、抱臂翻轉(zhuǎn)和抱臂開(kāi)合共5個(gè)自由度，并最終確定了機(jī)器人的結(jié)構(gòu)方案并完成其裝配工作。

1、落井救助機(jī)器人技術(shù)方案的確定及其工作原理

目前，抓斗方案和吊艙方案是小口徑落井救助的主要技術(shù)方案。抓斗方案結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，但是體積較大，且對(duì)落井人員不同位姿的適應(yīng)性不強(qiáng)。平臥式是最適合抓斗抓取的位姿，而小口徑落井人員的基本位姿則是直立式或斜臥式，因此該方案并不理想。吊艙方案在實(shí)施救助過(guò)程中，必須從待救人員的四周下落至身體下方，若被救人員傾斜且緊貼井壁的話，吊艙也無(wú)法下落進(jìn)行救助，因此該方案也不夠理想[4]。

隨著機(jī)器人救助技術(shù)的不斷發(fā)展，其在各種災(zāi)難救助領(lǐng)域得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，這也促使機(jī)器人的研發(fā)步伐不斷加快，目前此類機(jī)器人種類生產(chǎn)也越來(lái)越多，本課題通過(guò)引入機(jī)器人技術(shù)，設(shè)計(jì)研發(fā)了一套機(jī)器人機(jī)構(gòu)裝置，主要適應(yīng)落井救助工作的實(shí)施，其機(jī)體結(jié)構(gòu)如圖1.1所示。此井下救助機(jī)器人能夠適應(yīng)各種不同的情況，不管落井人員處于什么位姿都能夠得到有效救助，，總體包括井上和井下兩個(gè)作業(yè)單元，井上作業(yè)單元主要由監(jiān)控系統(tǒng)和卷?yè)P(yáng)裝置構(gòu)成；井下作業(yè)單元由機(jī)器人本體機(jī)構(gòu)、供氣裝置、照明裝置和攝像裝置構(gòu)成，其中機(jī)器人本體又包括本體機(jī)架、沿井壁滾動(dòng)機(jī)構(gòu)、井壁錨固機(jī)構(gòu)、探臂機(jī)構(gòu)及抱臂機(jī)構(gòu)，而照明裝置、供氣裝置和攝像裝置等輔助救助裝配，則通過(guò)電纜或管路與井上作業(yè)單元的對(duì)應(yīng)設(shè)備相連接，從而有利于救助工作順利、快速的完成。

出于對(duì)井下待救人員位姿不確定性的考慮，為了能夠?qū)崿F(xiàn)井下救助機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)向的任意調(diào)整，從而選擇最佳的救助位置，主要通過(guò)對(duì)卷?yè)P(yáng)裝置設(shè)計(jì)，使其可以在地面導(dǎo)軌上旋轉(zhuǎn)且范圍達(dá)到了 ，由此井下作業(yè)單元的方向可任意調(diào)整。為了能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)器人井下作業(yè)單元的滾動(dòng)行走，設(shè)計(jì)時(shí)把井壁錨固機(jī)構(gòu)和沿井壁滾動(dòng)機(jī)構(gòu)安裝在本體機(jī)架的行走輪組上，且與井壁接觸，當(dāng)移動(dòng)到合適位置后，通過(guò)錨固機(jī)構(gòu)將井下作業(yè)單元固定，然后托抱式救助機(jī)構(gòu)開(kāi)始動(dòng)作，從而開(kāi)始實(shí)施救助工作。

機(jī)器人完成井下救助作業(yè)的核心機(jī)構(gòu)且最關(guān)鍵的技術(shù)——托抱式救助機(jī)構(gòu)。其整個(gè)機(jī)構(gòu)由探臂和抱臂兩部分構(gòu)成。

探臂機(jī)構(gòu)由垂直移動(dòng)和托架翻轉(zhuǎn)兩個(gè)自由度構(gòu)成。機(jī)器人井下作業(yè)單元錨固定位后，觀察并分析井下傳上來(lái)的視頻信息，通過(guò)旋轉(zhuǎn)或微調(diào)井上旋轉(zhuǎn)平臺(tái)來(lái)確定最佳的方位，以便將探臂機(jī)構(gòu)下落至待救人員的下方，通過(guò)操作探臂前端的托架機(jī)構(gòu)，使其緩慢向上翻轉(zhuǎn)90度，即與探臂垂直的狀態(tài)，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)落井人員的托起作用，而且可以承受被救人員的重量及防止其進(jìn)一步下滑。

抱臂機(jī)構(gòu)由垂直移動(dòng)、抱臂開(kāi)合及抱臂翻轉(zhuǎn)三個(gè)自由度構(gòu)成。抱臂垂直向下移動(dòng)，當(dāng)其移動(dòng)到合適位置后緩慢調(diào)整抱臂翻轉(zhuǎn)角度，使抱臂與被困人員的身體成相互垂直狀態(tài)，然后控制抱臂開(kāi)合角度，使抱臂從被救人員的腋下對(duì)其進(jìn)行抱攏固定。當(dāng)探臂和抱臂將落井人員托起抱攏后即可松開(kāi)救助機(jī)器人的錨固機(jī)構(gòu)，然后再控制卷?yè)P(yáng)裝置將井下作業(yè)單元與被救人員一起提升，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)落井人員的成功救助。

2、機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

落井救助機(jī)器人的本體結(jié)構(gòu)主要由以下幾部分構(gòu)成：機(jī)架裝配體、探臂裝配體、抱臂裝配體。如圖所示。

機(jī)架裝配體：本體機(jī)架呈正多棱柱體結(jié)構(gòu)，在各柱面上安裝有兩只行走輪，通過(guò)輪軸和軸承連接在輪架上，實(shí)現(xiàn)整個(gè)機(jī)構(gòu)沿井壁滾動(dòng)行走。井壁錨固機(jī)構(gòu)通過(guò)馬達(dá)帶動(dòng)大齒輪旋轉(zhuǎn)，然后通過(guò)齒輪副、絲杠螺母結(jié)構(gòu)帶動(dòng)直動(dòng)臂桿伸縮，直動(dòng)臂桿的自由端設(shè)置有帶尖狀物的接觸部，從而將井下作業(yè)單元錨固在固定位置（圖2.1）。

探臂裝配體：共包括兩個(gè)升降工作部。第一升降工作部通過(guò)第一馬達(dá)帶動(dòng)大齒輪旋轉(zhuǎn)，然后通過(guò)齒輪副傳遞給長(zhǎng)絲杠，使長(zhǎng)絲杠的旋轉(zhuǎn)變?yōu)榇蠼z母座的升降，從而帶動(dòng)探臂機(jī)構(gòu)沿豎直導(dǎo)軌垂直移動(dòng)。第二升降工作部通過(guò)第二馬達(dá)帶動(dòng)小絲杠旋轉(zhuǎn)，也就相當(dāng)于小絲母座的升降，然后通過(guò)連桿的作用，從而帶動(dòng)托架翻轉(zhuǎn)（圖2.2）。

抱臂裝配體：包括兩個(gè)升降工作部和一個(gè)開(kāi)合工作部。第一、第二升降工作部同探臂，區(qū)別在于探臂的第二工作部帶動(dòng)的是托架的翻轉(zhuǎn)，而抱臂的第二工作部帶動(dòng)的則是抱臂的垂直翻轉(zhuǎn)。抱臂是一對(duì)對(duì)稱弧形齒輪，分別于一小齒輪嚙合，馬達(dá)帶動(dòng)小齒輪旋轉(zhuǎn)，則與其嚙合的抱臂齒輪在定導(dǎo)軌內(nèi)滑動(dòng)進(jìn)行開(kāi)合（圖2.3）。

3、機(jī)器人本體的總裝模型

進(jìn)行三維建模時(shí)，首先根據(jù)已有的二維圖紙把各個(gè)零件的三維模型畫出來(lái)，然后根據(jù)裝配關(guān)系，先將各個(gè)零部件組裝成子裝配體，最后進(jìn)行總裝。按照零件——子裝配——總裝配的順序，不僅使裝配工作方便有序，給裝配工作帶來(lái)便利，并且各個(gè)零部件均在裝配導(dǎo)航器中裝配樹(shù)下，便于管理。

通過(guò)各個(gè)零部件到子裝配體再到總裝配體，最終得到落井救助機(jī)器人本體的總裝模型如圖所示。

4、小結(jié)

本文根據(jù)小口徑豎井落井救助的具體工況和本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要滿足的技術(shù)指標(biāo)，確定了落井救助機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)方案。并運(yùn)用SolidWorks計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件，完成了落井救助機(jī)器人本體的三維建模及裝配，為救助機(jī)器人的優(yōu)化設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)學(xué)分析做好了準(zhǔn)備。

參考文獻(xiàn)：

[1]施建昌.拓展消防部隊(duì)社會(huì)緊急救助功能的探討[J].消防科學(xué)與技術(shù)，2005。

[2]劉金國(guó)，王越強(qiáng)，李斌，等.災(zāi)難救助機(jī)器人研究現(xiàn)狀、關(guān)鍵性能及展望[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2006。

[3]董曉波，王緒本.救助機(jī)器人的發(fā)展及其在災(zāi)害救助中的應(yīng)用[J].防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)報(bào)，2007。

[4]王傳江，孫秀娟，尹翠霞，等.落井救助機(jī)器人及其驅(qū)動(dòng)控制[J].消防科學(xué)與技術(shù)，2009。

基金項(xiàng)目：山東協(xié)和學(xué)院（XHXY201406）