煤矿救灾机器人毕业设计报告

1、立论依据（包括项目研究的目的和意义，国内外研究现状分析）
1、项目的研究意义

　　在世界各地,由于自然灾害、恐怖活动和各种突发事故等原因,灾难经常发生。 在灾难救援中,救援人员只有非常短的时间(约48小时)用于在倒塌的废墟中寻找幸存者,否则发现幸存者的几率几乎为零。 在这种紧急而危险的环境下,救灾机器人可以为救援人员提供帮助。 因此,将具有自主智能的救灾机器人用于危险和复杂的灾难环境下“搜索和营救” ( SAR)幸存者,是机器人学中的一个新兴而富有挑战性的领域。
　　我国煤矿大多数为矿工开采,不安全因素很多,瓦斯煤尘和火灾等灾害事故频繁发生,灾害事故危害严重,伤害人员多,中断生产时间长,损毁井巷工程或生产设备。 然而,煤矿事故发生的原因极为复杂,是偶然性和必然性的结合,各类灾害事故存在突发性、灾难性、破坏性和继发性特点] 。 因此,研究煤矿救灾新装备是一项紧迫任务。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。 这种方式危险性大,伤亡人数多,救灾周期长,往往效率低。 随着科技的发展,机器人将被应用到煤矿救灾领域。 救灾机器人利用自身的优点,能迅速找到井下遇险矿工的位置,降低事故危害性,对提高救灾效率具有重大意义,具体表现为:
(1)机器人具有灵活性好、机动性强的特点,有较好的爬坡和越障能力,能适应现场各种各样的地理环境。 比如,蛇形救灾机器人能适应任何的复杂环境,在井下能自由运动。
(2)机器人的探测技术发展迅速,能迅速找到井下遇险矿工的位置。 机器人利用传感器通过探测井下遇险矿工的呻吟声、体温的变化及心脏跳动的频率的信息能找到他们的位置。 其次,机器人的视频探测器(CCD摄像头)具有信息直观、能实现计算机辅助控制等特点,可以将现场环境的图像返回到救灾中心,为进一步控制机器人的运动方向,制定下一步救灾的方案提供决策依据。 最后,机器人还能进入井下区域,监测事故现场(如温度、瓦斯以及有害气体的浓度)的变化,防止事故的二次发生。
(3)机器人具有为井下遇险矿工投放小包食品、药物和通讯装置等辅助功能,能有效地减少遇险矿工的伤亡人数。
　　世界上许多国家都在研制军用机器人、扫雷机器人、排爆机器人和消防机器人等危险作业机器人。救灾机器人是机器人的一个新兴发展领域,属于危险作业机器人的一个分支,具有危险作业机器人的特点。

2、国内外的研究现状

　　国外的研究现状
　　在国外,救灾机器人发展迅速,技术日益成熟,并进入实用化阶段,日本、美国、英国等已开始装备使用。在灾难现场中,救灾机器人应能迅速找到幸存者的位置。 日本大阪大学研制出蛇形机器人,能在高低不平的模拟废墟上前进,其顶端带有一部小型监视器,身体部位安装传感器,可以在地震后的废墟里寻找幸存者。 美国iRobot公司研制了PackBot系列机器人,能适应崎岖不平的地形环境和爬楼梯,主要执行侦察任务、寻找幸存者、勘探化学品泄漏等任务。 InuKtun公司研制了机器人MicroVGTV ,机身可变位,采用电缆控制,含有直视的彩色摄像头,并带有微型话筒和扬声器,可用于与压在废墟中的幸存者通话,适用于在小的孔洞和空间中执行任务。 除了前面的中小型救灾机器人,微型救灾机器人也正在研究中,美国加州大学伯克利分校研制出世界第一个苍蝇机器人，通过装在它脑袋上的微型传感器与微型摄像机,可以到倒塌的建筑物废墟底下或其他灾难场所寻找幸存者。
　　
   国内的研究现状
　　在国内,救灾机器人的研究刚刚起步,但进展很快。 中科院沈阳自动化所在2002年研制了一种蛇形机器人,由16个单自由度关节模块和蛇头、蛇尾组成,在监控系统的无线控制下可实现蜿蜒前进、后退、侧移、翻滚等多种动作,并能通过安装在蛇头上的微型摄像头将现场图像传回监控系统。 国防科技大学在2001年也研制了一种蛇形机器人。中国矿业大学在“211工程”的支持下,已开始研制煤矿救灾机器人。

2、设计产品的用途和应用领域

　　根据灾难发生的时间，灾难救援可以分为灾前救援、灾时救援与灾后救援三个阶段。灾前救援指的是对己经预先知道的，即将要发生的灾难采取防范与梢除灾难、人员琉散和物资转移的工作;灾时救级是针对火灾、水灾、毒气、放射性物质等有一定发生时间的灾难过程，采取的扑救和补救工作;灾后救援指的是地震、爆炸等突发性和短时性灾难，事后的搜寻和营救工作。三个阶段在灾难发生时通常没有明确的界限，但是各个阶段救援工作都面临着两个问题:环境的复杂性和环境的危险性。以城市环境为例，人口城市化和城市人口密集现象加剧，高层建筑、地下工程、大型商贸场所、文化娱乐场所迅猛发展，城市建筑物不断增加，使得城市建筑环境中的搜救作业十分复杂。在一些危险性大的灾难中，如随时会引发爆炸的火灾现场，有易燃、易爆或剧毒气体存在的现场，地震后存在易二次倒塌建筑物的现场，施救人员无法深入进行侦察或施救，人们急于探知灾难现场的内部险情，但又不敢或无法接近或进入灾难现场。此时，救援机器人的参与可以有效地提高救援的效率和减少施救人员的伤亡，它们不但能够帮助工作人员执行救援工作，而且能够代替工作人员执行搜救任务，在灾难救援中起着越来越重要的作用。
　　
3、设计方案

1、设计目标、研究内容和拟解决的关键问题
　　设计目标：本移动平台主要用于煤矿火区的现场探察工作，机械结构是该平台的基础和重要组成部分。
　　
研究内容：在设计救灾机器人时,应从系统总体要求出发,考虑救灾机器人的环境适应性,协调各分系统的技术关联,开展顶层设计,研究综合集成关键技术。

拟解决的关键问题：救灾机器人利用自身的优点,能迅速找到井下遇险矿工的位置,降低事故的危害性。

2、设计方案

　　移动机构作为救灾机器人的移动载体,必须具备以下特点:一定的移动速度和低能耗;良好的姿态稳定性和高运动精度;能够适应各种各样的地理环境,有一定的爬坡和越障能力。 现有的救灾机器人移动机构主要有:无肢运动(以蛇形机器人为主) 、轮式、腿式、轮腿式和履带式等。 蛇形机器人具有运动稳定性好、适应地形能力强和高的牵引力等特点,但多自由度的控制困难,运动速度低;轮式机器人具有结构简单、重量轻、轮式滚动摩擦阻力小和机械效率高等特点,但越过壕沟、台阶的能力差;腿式机器人具有适应地形能力强的特点,能越过大的壕沟和台阶,其缺点是速度慢;轮腿式机器人融合腿式机构的地形适应能力和轮式机构的高速高效性能,其缺点是结构相对复杂;履带式机器人地形适应能力强,动载荷小,设计紧凑,其缺点是重量大,能耗大。根据本题目的设计要求及技术特点，本次设计拟选择履带式移动机构。
　　
　　

        图1 张力分布图

3、题目的可行性分析

　　履带式机器人地形适应能力强,动载荷小,设计紧凑,其缺点是重量大,能耗大。本次设计拟选择履带式移动机构。原因有:
1. 相对于轮式移动机构
    1)支承面积大，接地比压小
    2)越野机动性能好，爬坡、越障、跨沟能力强
    3)履带的牵引附着性能好，不易打滑，有利于发挥较大的牵引力
2．相对于步行式行走机构:
    1)技术成熟
　　2)控制简单

　　
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