蛇形越障搜救车.docx
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蛇形越障搜救车.docx
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蛇形越障搜救车
第五届“圆融杯”电子设计竞赛
作品说明书
题目:
蛇形探测搜救车
参赛人员:
张芳礼郭扬张桐
目录
1绪论3
2工作原理4
1)机械部分5
2)电控部分10
3参数设计13
4创新点.....................................................15
5结论及展望16
1绪论
近年来多发的自然灾害、人为灾难严重威胁着社会的安全,引起了人们的广泛关注。
在一些危险性大的灾难中,如随时会引发爆炸的火灾现场;地震后易存在二次倒塌建筑物的现场;有毒物质的泄露等,施救人员无法深入进行探测或救援,人们急于探知灾难现场的内部险情,但又难以接近或进入灾难现场,此时,搜救车的参与可以有效提高搜救效率,减少施救人员的伤亡。
国内外现有的搜救车存在越障能力不强,探测能力不足的问题,不能对复杂灾难现场进行及时有效的探测,因此研发一种高机动越障,空间多角度探测的搜救车成为灾难救援机器的新方向。
为了快速高效的搜寻营救受灾者,我们设计了一款具有越障、探测等功能的搜救车。
可应用于地震、矿难、火灾等灾难搜索救援工作。
高机动被动越障车体能灵活越过坍塌的房屋废墟、楼道台阶等各种复杂地形,替代搜救人员深入灾难现场,增大救援力度,减少消防人员的伤亡;多关节蛇型机构可完成空间多角度柔性运动,伸入狭小的缝隙管道,实施快速高效搜索救援。
还可以为伤者送去必要的医药和食物,降低人民的生命财产损失。
2工作原理
作品主要包括机械部分和电控部分。
机械部分由被动式越障车体和蛇形转动系统组成;电控部分由蓄电池、单片机和机载探测系统组成。
车体由前部双曲柄越障机构、侧部平行四边形高架连杆机构和后部支撑机构组成。
前轮遇障时双曲柄机构被动转动变形,前连杆向上抬起,带动车体越过障碍,平行四边形机构可以确保两侧车轮与地面良好接触,保持运动的稳定性。
蛇形转动系统包括多组两自由度角斜机构、摄像头和红外生命探测仪,可对周围环境进行空间多角度有效的探测,把周围信息通过传感器反馈给电脑,实现灾难现场—搜救车—电脑之间的信息交换。
各部分工作原理如下:
1.蛇形旋转探测系统2.角斜机构3.前轮双曲柄越障机构4.侧部平行四边形高架连杆机构5弹簧组件6.转向机构7.后部支撑机构。
2.1机械部分:
2.1.1被动越障车体:
(被动越障车体仿真图)
车体设计为六轮越障车,车身前后各有一个轮,两侧各有两个轮,可以保证车体在崎岖不平地面运动的平稳性。
各连杆之间均为铰接连接,使四边形连杆在竖直平面上可沿着铰接点转动,带动车轮在该平面上位移自如。
1)车架:
车架由强度高、质量轻的铝合金材料制造,形状类似于五边形,使车体越障机动灵活。
蓄电池和机载电路板安放在车架的内部,并在蓄电池的左方设有电源开关、充电插头。
2)前部双曲柄越障机构:
(车体前部双曲柄越障机构图)
前部双曲柄越障机构包括四边形连杆、减震弹簧组件、转向电机及前导向轮。
四边形连杆包括前连杆、上下曲柄和支撑架,上下曲柄与前连杆、支撑架相连构成不规则四边形;弹簧组件包括弹簧固定架、弹簧伸缩轴及螺旋弹簧,安装在上下曲柄之间,当上下曲柄出现相对运动时,弹簧可随着伸缩轴的滑动而伸缩起到蓄能减震作用;转向电机带动车体前叉转动实现车体转向。
遇到障碍时前轮受阻,双曲柄机构被动转动变形,前连杆向上抬起带动前轮沿台阶侧壁爬升攀越障碍。
3)侧部平行四边形连杆机构:
(车体平行四边形高架连杆机构图)
侧部平行四边形连杆机构包括四边形连杆和两侧前后驱动轮。
四边形连杆由前后摆杆和上下连杆组成,摆杆下端分别与侧部前后驱动轮的轮轴相连,上下连杆中点分别与车架侧部相连。
当前侧驱动轮与障碍接触时,平行四边形连杆整体变形,形成有效被动越障,后轮依然与地面接触推动车体向前;当前轮越过障碍后即转化成驱动轮,带动后轮攀爬障碍。
由于平行四边形连杆整体变形,降低了车体重心上升高度和倾斜度,可实现单边平稳越障。
4)后部支撑机构:
后部支撑机构和前部越障机构相同,实现正反方向都能越障。
当车体前进时后部起支撑作用,保证车体的平稳性。
2.1.2蛇形转动探测系统:
(蛇形机构空间运动模拟图)
蛇形转动探测系统包括五组两自由度角斜机构和红外摄像头,蛇形机构可做空间多角度柔性运动,伸入狭小缝隙进行探测。
1)角斜机构:
(角斜机构模拟图)
角斜机构包括直齿圆锥齿轮、角斜连杆、直流步进电机。
角斜连杆包括曲杆、锥齿轴及滚针轴承,曲杆可绕锥齿轴转动。
锥齿轴相对竖直方向成45度夹角安装。
驱动电机
(1)带动锥齿
(1)绕锥齿
(2)转动,驱动电机
(2)带动整个角斜机构进行转动。
两自由度角斜机构结构简单紧凑,易于加工。
2
.2电控部分:
(电控系统原理图)
控制原理:
整个车载系统使用一台九通道35MHz无线遥控发射/接收作为中央控制器,采用PWM控制,伺服机外接MOSFET放大电桥作为减速电机的驱动,机械手采用单片机主控配合预先设定好的系统逻辑混控,两个通道可实现四对半减速电机位置选择,然后单片机控制电机选择电路,使对应的减速电机接通或者断开,另用两个通道实现减速电机的旋转方向控制和转速控制.
1)供电系统:
本系统采用两套相互隔离的电源,其中12V作为系统动力电源,5V作为控制电源。
2)车体运动控制:
PWM实现全比例车体行走、转向控制。
3)蛇形转动机构控制:
PWM比例调制控制,对控制关节.
4)视频回传系统:
2.4G无线视频发射/接收。
此控制系统可遥控搜救车对周围环境进行空间多角度有效的探测,把周围信息通过传感器反馈给电脑,实现灾难现场—搜救车—电脑之间的信息交换。
3参数设计
车架采用8011A型铝合金板材制造,连杆采用8A06型铝合金板材制造,锥齿采用5A02型铝合金棒材加工。
各连杆之间的连接件均采用耐磨材质(40Cr调质)的转动铰链。
3.1电机的选择:
3.1.1驱动电机参数设计:
按工作要求和条件,驱动电机均采用M型直流无刷微特电机。
车体重量控制在20KG之内,车轮直径110mm。
查《机械设计手册》可知:
车轮与地面的摩擦系数为0.2。
牵引力
。
车体前进速度V=0.35m/s。
驱动电机功率P=FV=14W。
电机转矩
额定电压/V:
12
额定转速/(r/min):
600(配有减速箱)
额定转矩/(mN·m):
2.5
额定功率/W:
20
堵转转矩倍数≥:
3
3.1.2关节驱动电机参数设计:
根据工作要求和条件需要,蛇形机构组件重量应控制在2.5KG之内。
当蛇形机构作空间转动时,安装在车架上的第一组角斜机构需最大的驱动力,此节电机功率最大。
查《机械设计手册》可知:
锥齿间的滚动摩擦系数为0.1,驱动力F=
=25N,锥齿旋转线速度=转速(r/min)÷60(s/min)×2π×旋转半径(m)=0.05m/s,电机功率P=FV=1.25W。
电机转矩
额定电压/V:
12
额定转速/(r/min):
300(配有减速箱)
额定转矩/
4创新点
作品创新点如下:
1)多关节仿蛇机构实现万向转动探测:
多关节仿蛇机构,可作空间多角度柔性运动,能在复杂狭窄地形进行高效探测。
2)遥控技术实现远程智能控制:
作品采用远程遥控控制,提高了搜救半径。
实现灾难现场—搜救车—电脑之间的信息交换
5结论及展望
本作品属于灾难搜索救援机械,车体巧妙运用了双曲柄机构和平行四边形连杆机构,实现了适应性被动越障和单边稳定越障。
蛇形探测机构可完成空间多角度柔性运动,深入狭小的缝隙管道寻找幸存者。
作品还可以对易燃、易爆、有毒物质进行排除。
符合灾难救援机器发展方向。
现在我们已经基本完成计划任务,我们还将继续对作品进行完善与改进。
如:
加入破障机构,剪断地震废墟中的钢筋,掀开压在被困者身上的物体;钻透墙壁将蛇形机构伸进房间搜索被困者;在蛇形机构上加入对讲装置,以便搜救人员及时了解被困者的情况。
通过这次电子设计大赛,我们从中学到了很多知识,提高了我们的创新意识、加强了我们的团队合作精神、增强了我们独立分析和解决问题的能力,这将使我们终生受益。
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- 关 键 词:
- 蛇形 越障 搜救