煤礦救災機器人畢業設計開題報告

　　1、立論依據(包括項目研究的目的和意義，國內外研究現狀分析)

　　1、項目的研究意義

　　在世界各地，由于自然災害、恐怖活動和各種突發事故等原因，災難經常發生。 在災難救援中，救援人員只有非常短的時間(約48小時)用于在倒塌的廢墟中尋找幸存者，否則發現幸存者的幾率幾乎為0。 在這種緊急而危險的環境下，救災機器人可以為救援人員提供幫助。 因此，將具有自主智能的救災機器人用于危險和復雜的災難環境下“搜索和營救” ( sar)幸存者，是機器人學中的1個新興而富有挑戰性的領域。

　　我國煤礦大多數為礦工開采，不安全因素很多，瓦斯煤塵和火災等災害事故頻繁發生，災害事故危害嚴重，傷害人員多，中斷生產時間長，損毀井巷工程或生產設備。 然而，煤礦事故發生的原因極為復雜，是偶然性和必然性的結合，各類災害事故存在突發性、災難性、破壞性和繼發性特點] 。 因此，研究煤礦救災新裝備是1項緊迫任務。目前，救災方式只是根據事故的類型確定救災的方案，1般救護人員無法進入危險區域，只能通過提升絞車、移動式風車等設備清除垃圾，向井下通風，然后再搜救遇險礦工。 這種方式危險性大，傷亡人數多，救災周期長，往往效率低。 隨著科技的發展，機器人將被應用到煤礦救災領域。 救災機器人利用自身的優點，能迅速找到井下遇險礦工的位置，降低事故危害性，對提高救災效率具有重大意義，具體表現為:

　　(1)機器人具有靈活性好、機動性強的特點，有較好的爬坡和越障能力，能適應現場各種各樣的地理環境。 比如，蛇形救災機器人能適應任何的復雜環境，在井下能自由運動。

　　(2)機器人的探測技術發展迅速，能迅速找到井下遇險礦工的位置。 機器人利用傳感器通過探測井下遇險礦工的呻吟聲、體溫的變化及心臟跳動的頻率的信息能找到他們的位置。 其次，機器人的視頻探測器(ccd攝像頭)具有信息直觀、能實現計算機輔助控制等特點，可以將現場環境的圖像返回到救災中心，為進1步控制機器人的運動方向，制定下1步救災的方案提供決策依據。 最后，機器人還能進入井下區域，監測事故現場(如溫度、瓦斯以及有害氣體的濃度)的變化，防止事故的2次發生。

　　(3)機器人具有為井下遇險礦工投放小包食品、藥物和通訊裝置等輔助功能，能有效地減少遇險礦工的傷亡人數。

　　世界上許多國家都在研制軍用機器人、掃雷機器人、排爆機器人和消防機器人等危險作業機器人。救災機器人是機器人的1個新興發展領域，屬于危險作業機器人的1個分支，具有危險作業機器人的特點。

　　2、國內外的研究現狀

　　國外的研究現狀

　　在國外，救災機器人發展迅速，技術日益成熟，并進入實用化階段，日本、美國、英國等已開始裝備使用。在災難現場中，救災機器人應能迅速找到幸存者的位置。 日本大阪大學研制出蛇形機器人，能在高低不平的模擬廢墟上前進，其頂端帶有1部小型監視器，身體部位安裝傳感器，可以在地震后的廢墟里尋找幸存者。 美國irobot公司研制了packbot系列機器人，能適應崎嶇不平的地形環境和爬樓梯，主要執行偵察任務、尋找幸存者、勘探化學品泄漏等任務。 inuktun公司研制了機器人microvgtv ，機身可變位，采用電纜控制，含有直視的彩色攝像頭，并帶有微型話筒和揚聲器，可用于與壓在廢墟中的幸存者通話，適用于在小的孔洞和空間中執行任務。 除了前面的中小型救災機器人，微型救災機器人也正在研究中，美國加州大學伯克利分校研制出世界第1個蒼蠅機器人，通過裝在它腦袋上的微型傳感器與微型攝像機，可以到倒塌的建筑物廢墟底下或其他災難場所尋找幸存者。

　　國內的研究現狀

　　在國內，救災機器人的研究剛剛起步，但進展很快。 中科院沈陽自動化所在XX年研制了1種蛇形機器人，由16個單自由度關節模塊和蛇頭、蛇尾組成，在監控系統的無線控制下可實現蜿蜒前進、后退、側移、翻滾等多種動作，并能通過安裝在蛇頭上的微型攝像頭將現場圖像傳回監控系統。 國防科技大學在XX年也研制了1種蛇形機器人。中國礦業大學在“211工程”的支持下，已開始研制煤礦救災機器人。

　　2、設計產品的用途和應用領域

　　根據災難發生的時間，災難救援可以分為災前救援、災時救援與災后救援3個階段。災前救援指的是對己經預先知道的，即將要發生的災難采取防范與梢除災難、人員琉散和物資轉移的工作;災時救級是針對火災、水災、毒氣、放射性物質等有1定發生時間的災難過程，采取的撲救和補救工作;災后救援指的是地震、爆炸等突發性和短時性災難，事后的搜尋和營救工作。3個階段在災難發生時通常沒有明確的界限，但是各個階段救援工作都面臨著兩個問題:環境的復雜性和環境的危險性。以城市環境為例，人口城市化和城市人口密集現象加劇，高層建筑、地下工程、大型商貿場所、文化娛樂場所迅猛發展，城市建筑物不斷增加，使得城市建筑環境中的搜救作業10分復雜。在1些危險性大的災難中，如隨時會引發爆炸的火災現場，有易燃、易爆或劇毒氣體存在的現場，地震后存在易2次倒塌建筑物的現場，施救人員無法深入進行偵察或施救，人們急于探知災難現場的內部險情，但又不敢或無法接近或進入災難現場。此時，救援機器人的參與可以有效地提高救援的效率和減少施救人員的傷亡，它們不但能夠幫助工作人員執行救援工作，而且能夠代替工作人員執行搜救任務，在災難救援中起著越來越重要的作用。

　　3、設計方案

　　1、設計目標、研究內容和擬解決的關鍵問題

　　設計目標：本移動平臺主要用于煤礦火區的現場探察工作，機械結構是該平臺的基礎和重要組成部分。

　　研究內容：在設計救災機器人時，應從系統總體要求出發，考慮救災機器人的環境適應性，協調各分系統的技術關聯，開展頂層設計，研究綜合集成關鍵技術。

　　擬解決的關鍵問題：救災機器人利用自身的優點，能迅速找到井下遇險礦工的位置，降低事故的危害性。

　　2、設計方案

　　移動機構作為救災機器人的移動載體，必須具備以下特點:1定的移動速度和低能耗;良好的姿態穩定性和高運動精度;能夠適應各種各樣的地理環境，有1定的爬坡和越障能力。 現有的救災機器人移動機構主要有:無肢運動(以蛇形機器人為主) 、輪式、腿式、輪腿式和履帶式等。 蛇形機器人具有運動穩定性好、適應地形能力強和高的牽引力等特點，但多自由度的控制困難，運動速度低;輪式機器人具有結構簡單、重量輕、輪式滾動摩擦阻力小和機械效率高等特點，但越過壕溝、臺階的能力差;腿式機器人具有適應地形能力強的特點，能越過大的壕溝和臺階，其缺點是速度慢;輪腿式機器人融合腿式機構的地形適應能力和輪式機構的高速高效性能，其缺點是結構相對復雜;履帶式機器人地形適應能力強，動載荷小，設計緊湊，其缺點是重量大，能耗大。根據本題目的設計要求及技術特點，本次設計擬選擇履帶式移動機構。

　　圖1 張力分布圖

　　3、題目的可行性分析

　　履帶式機器人地形適應能力強，動載荷小，設計緊湊，其缺點是重量大，能耗大。本次設計擬選擇履帶式移動機構。原因有:

　　1。 相對于輪式移動機構

　　1)支承面積大，接地比壓小

　　2)越野機動性能好，爬坡、越障、跨溝能力強

　　3)履帶的牽引附著性能好，不易打滑，有利于發揮較大的牽引力

　　2.相對于步行式行走機構:

　　1)技術成熟

　　2)控制簡單

　　參考文獻　( references)

　　[l]李元宗。機器人學講義，太原工業大學。

　　[2]蹼良貴，紀各剛。機械設計。高等教育出版社。1996

　　[3]余達太，馬香峰。工業機器人應用。冶金工業出版社。

　　[4]秦曾煌，電子技術。高等教育出版社。1996

　　[5]劉鴻文，材料力學。高等教育出版社。

　　[6]蔡白興。機器人學。清華大學出版社。

　　[7]蔡白興，張鐘俊。機器人技術的發展機器人。1987， 3: 58-62

　　[8]徐元呂，工業機器人。中國輕工業出版社。1999

　　[9]吳1玉，姜復光。機器人工程導論。哈爾濱工業大學出版社。1999

　　[10]周伯英，工業機器人設計。北京機械土業出版社。