落井救助機器人的結構設計與總裝

劉海燕 戴鵬 孟維云 徐影

【摘要】落井救助機器人的本體設計和實體建模。根據落井救助的實際工作要求，確定了包括探臂和抱臂在內的探臂垂直移動、托架座翻轉、抱臂垂直移動、抱臂翻轉和抱臂開合共5個自由度，并最終確定了機器人的結構方案并完成其裝配工作。

1、落井救助機器人技術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方案。抓斗方案結構相對簡單，易于實現，但是體積較大，且對落井人員不同位姿的適應性不強。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。吊艙方案在實施救助過程中，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，吊艙也無法下落進行救助，因此該方案也不夠理想[4]。

隨著機器人救助技術的不斷發展，其在各種災難救助領域得到了越來越廣泛的應用，這也促使機器人的研發步伐不斷加快，目前此類機器人種類生產也越來越多，本課題通過引入機器人技術，設計研發了一套機器人機構裝置，主要適應落井救助工作的實施，其機體結構如圖1.1所示。此井下救助機器人能夠適應各種不同的情況，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作業單元，井上作業單元主要由監控系統和卷揚裝置構成；井下作業單元由機器人本體機構、供氣裝置、照明裝置和攝像裝置構成，其中機器人本體又包括本體機架、沿井壁滾動機構、井壁錨固機構、探臂機構及抱臂機構，而照明裝置、供氣裝置和攝像裝置等輔助救助裝配，則通過電纜或管路與井上作業單元的對應設備相連接，從而有利于救助工作順利、快速的完成。

出于對井下待救人員位姿不確定性的考慮，為了能夠實現井下救助機構轉向的任意調整，從而選擇最佳的救助位置，主要通過對卷揚裝置設計，使其可以在地面導軌上旋轉且范圍達到了 ，由此井下作業單元的方向可任意調整。為了能夠實現機器人井下作業單元的滾動行走，設計時把井壁錨固機構和沿井壁滾動機構安裝在本體機架的行走輪組上，且與井壁接觸，當移動到合適位置后，通過錨固機構將井下作業單元固定，然后托抱式救助機構開始動作，從而開始實施救助工作。

機器人完成井下救助作業的核心機構且最關鍵的技術——托抱式救助機構。其整個機構由探臂和抱臂兩部分構成。

探臂機構由垂直移動和托架翻轉兩個自由度構成。機器人井下作業單元錨固定位后，觀察并分析井下傳上來的視頻信息，通過旋轉或微調井上旋轉平臺來確定最佳的方位，以便將探臂機構下落至待救人員的下方，通過操作探臂前端的托架機構，使其緩慢向上翻轉90度，即與探臂垂直的狀態，不僅能夠實現對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一步下滑。

抱臂機構由垂直移動、抱臂開合及抱臂翻轉三個自由度構成。抱臂垂直向下移動，當其移動到合適位置后緩慢調整抱臂翻轉角度，使抱臂與被困人員的身體成相互垂直狀態，然后控制抱臂開合角度，使抱臂從被救人員的腋下對其進行抱攏固定。當探臂和抱臂將落井人員托起抱攏后即可松開救助機器人的錨固機構，然后再控制卷揚裝置將井下作業單元與被救人員一起提升，從而實現對落井人員的成功救助。

2、機器人本體結構的設計

落井救助機器人的本體結構主要由以下幾部分構成：機架裝配體、探臂裝配體、抱臂裝配體。如圖所示。

機架裝配體：本體機架呈正多棱柱體結構，在各柱面上安裝有兩只行走輪，通過輪軸和軸承連接在輪架上，實現整個機構沿井壁滾動行走。井壁錨固機構通過馬達帶動大齒輪旋轉，然后通過齒輪副、絲杠螺母結構帶動直動臂桿伸縮，直動臂桿的自由端設置有帶尖狀物的接觸部，從而將井下作業單元錨固在固定位置（圖2.1）。

探臂裝配體：共包括兩個升降工作部。第一升降工作部通過第一馬達帶動大齒輪旋轉，然后通過齒輪副傳遞給長絲杠，使長絲杠的旋轉變為大絲母座的升降，從而帶動探臂機構沿豎直導軌垂直移動。第二升降工作部通過第二馬達帶動小絲杠旋轉，也就相當于小絲母座的升降，然后通過連桿的作用，從而帶動托架翻轉（圖2.2）。

抱臂裝配體：包括兩個升降工作部和一個開合工作部。第一、第二升降工作部同探臂，區別在于探臂的第二工作部帶動的是托架的翻轉，而抱臂的第二工作部帶動的則是抱臂的垂直翻轉。抱臂是一對對稱弧形齒輪，分別于一小齒輪嚙合，馬達帶動小齒輪旋轉，則與其嚙合的抱臂齒輪在定導軌內滑動進行開合（圖2.3）。

3、機器人本體的總裝模型

進行三維建模時，首先根據已有的二維圖紙把各個零件的三維模型畫出來，然后根據裝配關系，先將各個零部件組裝成子裝配體，最后進行總裝。按照零件——子裝配——總裝配的順序，不僅使裝配工作方便有序，給裝配工作帶來便利，并且各個零部件均在裝配導航器中裝配樹下，便于管理。

通過各個零部件到子裝配體再到總裝配體，最終得到落井救助機器人本體的總裝模型如圖所示。

4、小結

本文根據小口徑豎井落井救助的具體工況和本體結構設計要滿足的技術指標，確定了落井救助機器人的整體結構方案。并運用SolidWorks計算機應用軟件，完成了落井救助機器人本體的三維建模及裝配，為救助機器人的優化設計及運動學分析做好了準備。

參考文獻：

[1]施建昌.拓展消防部隊社會緊急救助功能的探討[J].消防科學與技術，2005。

[2]劉金國，王越強，李斌，等.災難救助機器人研究現狀、關鍵性能及展望[J].機械工程學報，2006。

[3]董曉波，王緒本.救助機器人的發展及其在災害救助中的應用[J].防災減災工程學報，2007。

[4]王傳江，孫秀娟，尹翠霞，等.落井救助機器人及其驅動控制[J].消防科學與技術，2009。

基金項目：山東協和學院（XHXY201406）