全地形搜救車

研究背景

2008年的汶川地震帶給了我們太多太多的災難和悲痛。而當我們在新聞中看到2010年1月12日的海地地震時，不禁又想起了汶川地震。這兩次地震的遇難人數都超過1萬，傷亡慘重。由于種種原因，救援設備無法在災害發生時及時進入災區內部，導致了48小時內的最佳救援時間被錯過。看到這些，我突然有了一個想法：如果可以將各種設備的優點組合，重新發明出一種搶險救災的新型設備，也許會大大提高救援速度，減少傷亡人數。

通過上網搜索，總結出我國救災裝置大體有3種類型：一種是康復裝置，一種是預警裝置，還有一種是搜救裝置。我比較了這幾種裝備的急需程度和可行性，發現目前在我國，搜救裝置和設備還存在空白且還有很大的提升空間，由此也下定決心更加明確了自己的想法。隨后我向老師提出了這個想法，得到了老師的大力支持，同時我也同幾個與我興趣相投的同學一起討論，把我們的研究目標確定為：面向搶險救災的復雜環境，設計并制作一種能夠適應復雜環境又能夠在環境中自由運動，同時控制簡單的救災載體。

研究過程

履帶車的機構設計

該機構運用平行四邊形運動原理，將履帶結構與腿式結構結合在一起，實現了履帶運動及腿式運動。這一靈感主要來源于生活中人們行走時的交替運動，步伐的交替運動正與平行四邊形的2條對邊的交替運動類似。如圖1所示，當步行時左右腳交替地與地面接觸，這時可以將左右腳看作為平行四邊形的2條對邊，如圖1中的藍色及綠色線段。人體的腳與地面的接觸正好可以看成是平行四邊形的這2條邊與地面的交替接觸，從而實現了腿式運動。作為體育項目的輪滑體現出輪子移動速度快的特點。所以我們想到將2種結構結合起來，同時面向救災環境的復雜性將輪式驅動改換成履帶結構。因此，我們所設計的移動機構為具有履帶驅動的平行四邊形結構。

根據以上的運動原理及設計理念，我們設計了履帶式小車。該車采用雙平行四邊形履帶結構，布置在車體的兩側。分別采用4個直流電機來驅動履帶和平行四邊形的構型。使履帶車成為可根據工作情況變形的機構。

履帶車的運動分析

綜合上述設計理念，對履帶車的各種工作狀態進行分析。圖2所示的是履帶車的正常工作狀態。當履帶車在粗糙的表面行駛時，此狀態能夠提供充足的驅動力。圖3表示了履帶車越障的整個過程，當跨越臺階后，履帶車從臺階上掉下來并傾翻，此時該履帶車可以調整履帶的姿態，用另一面工作從而繼續前進。由于履帶與地面的接觸面積較大，當不需要很大的驅動力的時候，可以將機構變形為四輪驅動的輪式機構從而實現運動效率的提高。當履帶車運動到濕滑松軟環境時，還可以依靠步行姿態前進。該履帶車運動平穩，具備穿越孔洞的能力，同時還能起到支撐的作用，防止二次坍塌，這在搶險過程中是非常重要的。綜上所述，該履帶車集成了腿式、輪式和履帶式幾種運動方式，能夠在各種環境中運動。

根據以上分析設計研制的履帶車由2個平行四邊形結構的履帶機構組成。每個平行四邊形結構單獨驅動，即每個平行四邊形機構由2個直流電機驅動，一個驅動履帶轉動，另一個電機用來驅動小臂從而調整平行四邊形的姿態。這樣的機構設計使履帶車能夠實現上面所述的各種運動。

實驗過程及結果分析

各個零件在工廠加工完成后，我們將它們按照裝配圖組裝起來。通過遙控器控制，該平臺能夠完成各種動作。在災后最常見的就是樓梯環境，能夠跨越樓梯是考驗該車的一項重要指標。當在較平整地面運動時該運動方式的運動效率更高。當在較軟地面時適合采用腿式運動方式來運動。通過實驗我們發現該車具有了履帶式、腿式和輪式3種運動功能，完全能夠在各種復雜環境中運動。

應用前景與創新點

該履帶車具有高度的環境適應性，能夠在各種災后的環境中運動。具有運動穩定性和操作的靈活性，體積小，重量輕，具有廣泛的市場前景。

該履帶車的創新點有如下幾個方面：

原理上，模仿人類行走運動將四桿機構的可變形原理與履帶驅動原理相結合解決履帶車的越障性能及環境適應性能。

機構上，設計雙邊履帶結構調整車體在行進過程中的重心，解決攀爬過程中由于重心的原因引起的無法越障問題。同時可以調整車體的水平姿態及車體高度。

應用上，成功解決了履帶車體在各種環境中的運動穩定性問題，結合了腿式、輪式和履帶式運動，完全實現無障礙地運動，適用于各種搶險救災環境。

該項目獲得第26屆全國青少年科技創新大賽創新成果競賽項目中學組工程學一等獎。

專家評語

項目運用平行四邊形運動原理，將履帶結構與腿式結構巧妙結合，實現了履帶式，腿式和輪式3種運動功能，能夠在各種復雜環境下運動。但離實用尚有較大距離。建議繼續進行深入研究。