履带式探援小车结构与功能设计研究:履带式小车
时间：2019-04-01 03:19:25 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
摘要：在灾难发生后救援人员无法直接接触到被困者，为获取被困者的信息，可使用探援机器进入并探测，为搜救人员提供宝贵的救援信息，也可以为被困者送水和面包等食物以维持其生命。本文正是探讨一种履带式探援小车，该小车底盘机构采用平行四边形的设计形式，可以行走于大部分障碍路面，其中重心平移特性更是加强了探测机器人跨越沟坎、台阶等障碍的能力。同时，强劲的动力和小巧的外观设计更是让它能够进入到很多人员无法进入的地域进行侦查，将环境状况提供给救援人员。蓄电池供电和低功耗设计，使其可长时间连续工作。
关键字：探援；平行四边形机构；重心平移特性
Abstract: As the relief workers can not derectly contact with the trapped person after a disaster, in order to access to the information of the trapped person, the relief workers can use detector machine for valuable rescue information, or send water and food for the trapped person to maintain his life. This paper is to discussa kind of caterpillar detector car, which adopting the design of the parallelogram form can walk on the most obstacles road, among the translation characteristics strengthening the abilities of acrossing obstacles. At the same time, the strong power and small appearance design is to let it can enter into the space that man can not to investigate, providing rescuers with environment condition. Battery power supply and low power design make its long time to continuous work.
Key words: detector; parallelogram frame; focus translation characteristics
中图分类号：E923.37文献标识码：A文章编号：
1 设计背景与意义
在火灾、水灾、地震、矿难中救援破障应具有在各种艰难路况下行进的能力且能够抵抗部分残余灾害的影响如余震、高温、潮湿等。应能够携带或牵引简易救援设备和探测仪器，并且有良好的通信能力。在遇到障碍时，能有一定突破障碍或支撑薄弱环节的能力。
救援情况分析：在火灾、水灾、地震、矿难中救援应当注重效率，要在黄金72小时内发现幸存者并及时给与救助（震后20分钟获救的救活率达98%以上，震后一小时获救的救活率下降到63%，震后2小时还无法获救的人员中，窒息死亡人数占死亡人数的58%）就要求救援破障机械能够具有高运行速度和稳定性可靠性。并且操作简便，运载组装方便，自带照明设备。
救援应注意：一是使用的工具不要伤及埋压人员；二是不要破坏了埋压人员所处空间周围的支撑条件，引起新的垮塌，使埋压人员再次遇险；三是应尽快与埋压人员的封闭空间沟通，使新鲜空气流人，挖扒中如尘土太大应喷水降尘，以免埋压者窒息；四是埋压时间较长，一时又难以救出，可设法向埋压者输送饮用水、食品和药品，以维持其生命。
在地震、火灾、矿难等灾难中，在人员无法进入的情况下，若能第一时间掌握受灾地域周围的环境条件，将探测机器人投放至受灾地区，在救援人员未进入灾区之前进行预期探测，能为救援提供宝贵的信息，方便救援计划的拟定，确保人员的安全以及救援的效率。
2 设计方案
2.1设计功能
1．实现前后左右行进以及原地旋转功能。
2．实现跨越部分障碍物的能力，如台阶、小沟等。
3．实现远程可视控制。
4．实现对灾区环境的温度检测（数字温度传感器），对受困人员所处位置的探测(人体释热传感器)，对灾区环境中是否含有易燃易爆气体的探测（气体传感器），对灾区环境的照度探测（光敏传感器），对机器人的可通过性的探测（红外测距传感器、激光可视定位），昏暗环境照明（LED灯）
5．平行四边形机构可为机器人的行进提供很好的结构支持（向前向后均可爬坡，无需调转车头），强劲的“心脏”（20kg•cm）为机器人提供足够的动力（可载重13kg），因而其越野性能强劲，能够很好的适应灾区复杂的地形地貌。
6．可携带一些应急救援物资
7．电力可供其持续行进6小时，电池或者电瓶均可供电，且更换方便
8．底盘加装履带式结构，运行稳定，爬坡能力强。
2.2电子结构
采用arduino16位单片机，结合数字温度传感器、人体释热传感器、红外测距传感器、直流电机驱动板、伺服电机、步进电机等设备，采用apc串口通信模块实现远程控制。
2.3理论设计计算
第一个小车模型参数：长60cm，高30cm。后经实验测试，效果不理想，原因为小车尺寸过大，整车重量约为3kg，而电机转矩只有2kg•cm,爬坡效果不理想。后更换电机及修改尺寸，其详细参数如下：
小车自重：4.755kg高：22.5cm
底盘高度：28mm履带轮外端间距：32cm
外平行四边形连杆机构：长：45cm，宽：22.5cm
内平行四边形连杆机构：长：20.3cm，宽：20.3cm
直流电机转矩：20kg•cm额定电压：12V
伺服电机：转角范围30°—150°额定电压：6V
由经验参数初步设计：
由一般楼梯台阶高度（15cm-20cm）确定小车高度22.5cm，取小车长宽比2：1，故小车长：45cm，宽：22.5cm。由伺服电机转角范围在30°— 150°之间，确定其中心水平方向可调范围在19.485cm — 22.5cm之间，竖直方向可调范围在5.625cm — 11.25cm之间，采用后驱的驱动方式。
驱动的任务仅仅是在确定了机械结构并计算出所需要的速度和驱动力矩之后选择合适的电机和相应的控制方法，这就涉及到电机的运行特性问题。
由于体积重量等原因限制，所以应选用质量小，功率适宜的永磁电机。它的励磁磁通是恒定的。在控制系统钟，通常用电枢电压作为控制信号，电压的大小与电机转速成正比，改变电压极性，电机运转方向也随之改变。下图是电枢控制的原理图。
Ia
（图二） 电枢控制的原理图
