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S126】多地形救援车

图文展示3264(1)

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副标题

作品说明

作者:周旭阳 王宁 吴柏强

单位:沈阳航空航天大学

      本项目制作的“多地形救援车”是集冰面救援、深雪救援、水上救援、泥沼、流沙地救援为一体的多功能救援机器车。它可以在紧急情况下,通过结构调整来对陷入紧急情况的人或牲畜进行救援。该机器车由可以救援和破冰的机器臂破冰锤可张合的划雪支撑板水路两用的划水车轮救援伤者的后仓以及坦克型机身红外线声控传感器等部分组成路面上它可以正常行驶,当前方有冰面或深雪泥沼流沙时,可张合的划雪支撑板降下,通过增大接触面积从而减小压强使车可以在这些特殊情况下如履平地的前行。如遇未冻或薄冰面时救援车可以利用特殊构造在水中受到的浮力,和车轮提供的划水动力平稳前进,前面的破冰锤可以破冰来扫除障碍。同时将救援车加上传感器,使其在紧急条件下,更具灵敏性和操控性。救援时如果可直接救援就用机器臂救援,如遇冰面洞口太小,或陷入雪中的情况可利用机器臂凿碎周围冰面或挖出被埋者。救出伤者后可将其转移到救助后仓,从而缩短救助时间。

1. 研制背景及意义

      冰上事故救援是指在冬季冻结的江河湖泊等水域的冰面上或在漂有浮冰的水面上,对人员、交通工具、牲畜等发生的溺水、被困、坠落等事故实施的营救行动。随着城市中人口的逐年增多,市区城建面积不断增大,多数城市在建设中将城边的各种水域变成了城内水域,在深冬季节较大程度的增加了人们在冰面上活动的机会。此外气候的反常变化使江河等水域内冰体的形成及解冻时间,经常性的背离季节的规律,发生意想不到的冰灾,极大地影响了靠近江河两岸居民的正常生活。特别是近几年来,由于人们经常性的冰面上的活动,故发生数起人员坠入冰河的事故,多数人员遇险无法及时报警,很快便失去自救能力而造成溺亡。又因救援现场情况恶略复杂,救援行动的成功率也得不到保证。对此,本组人员对近几年来发生的冰上事故救援案例及查阅了相关资料,研制出本冰上多地形救援车。多地形救援车利用自身的特点,能迅速到达受困人员位置,并借助先进工具实施有效救援,对提高救灾效率具有重大意义。针对冰上救援现场对机器人的实际要求。我们设计了这款全地形救援车。考虑到结冰区域冰面及水域周边地形及气候情况的复杂性,救援车首先应具备全地形通过能力。

      本项目希望全地形救援车能帮助人们来完成实际遇到的多种复杂危险的任务,例如在救灾、资源勘探等危险的工作环境中,由于面对的情况是未知的、难以预测的,人们希望这些勘察、搜救等危险任务由机器人来完成,这样既提高了效率又降低了人员伤亡。在未来越来越复杂的环境中,人类所面对的不可预知的危险境况将会越来越多,在既要排除险情又不伤及生命的工作环境中,在人力不能及的范围内,全地形救援车能够辅助人们高效的完成相应的工作任务,因此全地形救援车在未来将会有更加广阔的应用前景。

1.1 冰上事故的特点分析

      在标准大气压情况下,液态的水随着环境温度的大幅度变化,其形态会随温度的变化而变化。当温度由高到低降低到0度是,水机主开始由液态向固态转变,随着低温的持续和发展,液态的水将会变成固态的冰。根据易结成病体的水域环境特点,冰上事故主要有以下特征:

      冰河内水温低,遇险人员易冻僵

经测定,落水者在0度的水中,经过十五分钟全身皮肤即失去知觉,在-10度没有冻结的流动冰水中,4分钟即可造成落水者全身麻木,失去自救能力级配合救援的活动能力。所以冰上救援的最重要的一点是及时性。

      冰层厚度不均,承重能力不平衡

      在冰层上进行救援活动,很难确定冰层的强度,特别是在还没有封严的水面上营救遇险人员时,因近水冰层过薄,冰面承重力不足,救援人员和器材很难接近遇险人员,极大地影响了救援行动有效地进行而且在救援行动时,出于安全考虑,只能派极少的人员在绝对安全的情况下,实施点对点的救助,极大地降低了成功率。

      环境条件恶劣,救援对策难以实施

      在几次实际救援行动中,救援人员在现场救援时都因为冰层破裂而导致救援失败;所以在恶劣情况下,使用机械装置进行救援的重要性大大凸现出来。

      救援器材缺乏,行动措施局限大

      冰上救援工作由于现场条件恶劣,对所使用的各类救援器材的技术性能和使用功能要求很多。从目前部队拥有的救援装备器材来看,适用于冰上救援的种类特别少,技术性能和使用性能单一,冰上救援的局限性太大。例如:例如:目前部队配备的部分老式师救生抛投器,产品性能指标与实际误差大,特别是在严寒条件下,抵抗低温和强风的能力差,抛投很难一次成功。对于破冰船来说,首先其进入救援环境需要先期破冰,再逐步接近被困者,所需时间太多,对于救援行动不利。然而,人工救援风险性太大。综合考虑上述因素,冰山救援小车的出现将会对目前的现状产生极大的帮助。

1.2 各种常见的救援方式及其利弊

      受环境的影响,在冰面上的救援行动有极大的局限性。一是近水冰薄其承重力严重不足,救援人员难以接近遇险人员二是水温过低,遇险人员在冰冷的水中,四肢极易冻僵失去活动能力,难于同救援人员配合;三是救援人员在接近遇险人员时,难度系数及风险系数大,必须采用相关的机械装置,展开营救。下面是几种常见的救援设施及其利弊:

      船艇救助法

      船艇救援在大规模水域救援的应用范围很广,且速度很快,但是仅限于冰层较薄的情况。对于较厚的冰层,则需要使用破冰船,但这样一来救援时间则大大地增加。

      绳索救助法

      营救已坠入冰水的遇险人员,在遇险人员还具有一定的活动能力时,相间距离比较小,现场风力比较小时,将带有救生圈的绳索通过缆绳抛给救援人员。待其将救生圈套住后,慢慢的将被困者拉出。

但是这种救援方法的前提条件过于繁杂,不切实际,且只限于近岸的救援。

      高空救助法

      该种救援方法是效率最高的救援方法,但是需要使用直升机,一般情况下不太现实。

1.3 冰面救援小车的意义

      冰面救援小车在设计之初就考虑到上述情况,并在原有的基础上不断做出相应改进。下面将进行简单介绍:

      对于较厚冰层,救援小车设计有履带系统,一方面提高传动能力,实现在冰面上的行走;同时,为了增大同冰面的接触面积,小车底部设计有外加底板,在冰面行走时可以放下,极大地分散了小车作用在冰面表面的压力,提高安全性。同时,小车安装有破冰锤,由遥控器操控,目的是当遇险者被困较小空间时,可以通过操作破冰锤,扩大救援空间。

      对于薄冰层,一旦冰层开裂,小车落入水中,小车的流线型外形就可以起到作用。一方面,由于底部密封,小车可以作为游艇继续工作;另一方面,小车上安装有螺旋桨,由履带转轮带动,推动小车接近被困者。

      救援小车安装有机械臂。当受困者四肢僵硬,无法做出应答时,通过遥控操作机械臂,将被困者通过主动抓举,实现救援。同时车上装配红外线,声控等传感器,在车出现危险情况时自动紧急处置。

      冰面救援小车最大的优势在于,救援全程全部由机器参与,而操纵者在岸边的安全地带,救援人员不会发生任何危险。同时,由于考虑到各种复杂情况,小车已经做出了相应的设计,可以在接到报警后短时间内实现救援任务。

2. 设计方案

      面对冰面、深雪、水上、泥沼、流沙地等复杂的地形结构,我们决定采用履带式行进方式来大幅减少路况对载重车辆的限制,提供强大的动力、安全可靠性、行进速度,我们由一个大轮和三个小轮构成每侧的整体框架,由上面两个电机带动,这样可以提高舵机的高度,因为在我们的设计方案中,可以在浅水中行进,这样我们就放弃了将舵机放在下面的选择。中间加一个大轮,提供强劲的动力同时在上面附着拨片,这样在落入水中时同样能快速行进。由于履带与地面的接触面积要远远大于轮胎与地面的接触面积,不仅让行驶更加平稳也减小了救援车对路面的压强,因此它就不会陷入松软、泥泞的路面,提高了救援车的通行能力。履带板上有花纹并能安装履刺,增大了在雨、雪、冰或上坡等路面上的抓地力,不会滑转。我们将车身主体的钢板加载在上面舵机上提高多地形救援车的涉水能力。为了提高多地形救援车的浮力,在底板下我们加入了泡沫板。当履带行驶在冰面上时压力过大,为了减轻履带对冰面的压力,我们组装了一个可自由升降的底板,这样当行驶在冰面时就可以降下来,当在其他地形上行驶时升上去。这大大加强了多地形救援车对冰面的要求,同时我们将泡沫板附着了上面。电机和杆件机构控制的减压板在车身底部可以升降,减压板下部用强度高、刚性好的材料,如钢板,提供减压作用,上部加上密度小、浮力大的材料,如海绵,提供增浮作用,减压板前端是前滑板,用以减少前行阻力。材料都可以调整,如使用复合材料,以达到更好的效果。若冰面、深雪、水上、泥沼、流沙地等路面所能承受压强较小,即可放在减压板,减压板恰与履带底部相平,更大程度增大受力面积,减小压强,保证救援车顺利安全通。为了应对当有人坠入冰下需要救援时冰面破口较小,或者多地形救援车陷入冰面里,我们为它打造了一款破冰锤,这样就可以打破冰面,畅通无阻。在车身上我们加入了一个用于救援的机械臂,它可以实现很多功能,自由度很高。360度自由旋转,机械臂的自由伸展和夹子的自由咬合和松开,提供了强大的救援能力。在车尾我们设计了一个安全座椅,当被困人员被救出水面时,我们可以将他放置在安全座椅上面,上面加了厚厚的泡沫板。同时也可以放一些应急食物和医疗用品,保证落水人员的生命安全。以上是我们多地形救援车的各部分硬件设施,先进安全的结构为求援成功提供了保障。

      在实现多地形救援车的自动控制方面,我们也进行了多方面设计,这大大减少了人工控制的难度。在行进过程中,如果多地形救援车遇到了不可穿越的障碍,红外线感测器就会接受信号自动向后倒退,不用掉头行进,减少了后退时间。在破冰时,我们增加了一个声控装置,我们将破冰程序写进了控制板中这样当我们需要破冰时,我们只要喊一声破冰即可,不用重复机械的破冰操控,为其他人工操作提供了充裕的时间。在进行人工智能抓取时,我们同样进行了程序设定,当我们救援一些非生物体时为了增加救援效率,我们增加了一个红外传感器,这样只有我们锁定救援目标就可以实现自动识别目标、抓取、放回安全座椅等一系列活动,减少了人工控制,提高了救援效率和安全性。我们增加了一个红外传感器,这样只有我们锁定救援目标就可以实现自动识别目标、抓取、放回安全座椅等一系列活动,减少了人工控制,提高了救援效率和安全性。多地形救援车的系统控制部分总体设计是基于Arduino平台开发,该平台主要的硬件有Basra 控制板、Bigfish 扩展板、蓝牙运动控制系统、wifi采集传输视频模块、传感器电路部分和电源系统等。

      多地形救援车在运动搜索过程中能够通过传感器不断的检测周围环境的变化,同时能够将采集到的视频图像传输到PC机或手机监控终端。其中,运动控制系统部分采用直流电机,控制摄像头旋转部分及机械手部分采用圆周舵机,能够很好的控制机器人的运动速度; wifi采集传输视频模块主要功能是采集救援等现场的视频图像,并将采集到的视频图像传输到智能探测机器人监控终端软件;蓝牙通信系统是探测机器人系统中最为重要的数据通信传输通道,探测机器人周围所有能检测到的包括温度信息、湿度信息等都需要通过无线通信系统进行传输,它是连接硬件和软件的最核心部分。

      经过多次组装和程序修改,我们完成了多地形救援车的各项设计目标,实现了各操作之间的完美衔接,成功的完成了这款多地形救援车。

3. 理论设计计算

3.1 动力装置

      多功能救援车的前进动力装置为一台4缸2.5升内燃机,重量大约200千克,在前进过程中,能提供大约100kw动力,车重约800-1000kg,空车最高速约为80km每小时。

3.2 车载结构

      车载设备包括一台砸地式破冰锤,一只机械抓手,一个有效载荷平台,以及底部支撑板。砸地式破冰锤由一台大电动机提供动力,破冰最大压力为5000N,锤头端面积约0.04平方米,最大压强125000pa。机械抓手,由一台电动机提供动力,最大抓举力约为2000N,整个结构高1.5米,可活动半径约2米,有效旋转角接近360度。有效载荷平台宽1m,长1.5米,高1m,面积1.5平方米,可用容积1.5立方米。底部支撑板长2m,宽1.2米,面积2.4平方米,厚度0.15米,内部为蜂窝状结构,外包橡胶减震并可以防水材料。

3.3 整车设计

      设计空车重量800-1000kg,车身重量600-800kg,车载结构200-300kg,最大载重200kg,车长3m,宽2m,高1.5m。前进机构为履带,履带宽0.4m,触地长度2m,触地面积为1.6平方米,满载路上行进时,对地压强约800kpa,支撑板放下后,对地压强约200kpa。此时最大行进速度约30千米每小时。整车车架采用金属网状结构,每个网格面积约0.04平方米。车身高度1.5米,车载结构高约1.5米。由于履带接地长度达4米,诱导轮中心位置较高,所以通过壕沟、垂壁的能力较强,该救援车的越壕宽度可达2米,可通过1米高的垂直墙。

4. 工作原理及性能分析

      本项目制作出的模型如下图所示,本作品设计的机器车由可以救援和破冰的机器臂破冰锤可升降的底盘水路两用的划水车轮救援伤者的后仓以及坦克型机身传感器等部分组成。

作品说明

带有机械臂和破冰锤的救援车

可升降底盘

带有划雪板的救援车

装配完成的侧视图(可清楚看到大轮上的划水板)

装配完成的俯视图

机械臂和机械爪

喷水装置

      本作品设计的救援车在正常行驶状态下,它可以如正常小车一样在路面行驶,用柴油为动力的它足可以使其平稳前行。在行进过程中,如果多地形救援车遇到了不可穿越的障碍,红外线感测器就会接受信号自动向后倒退,不用掉头行进,减少了后退时间。同时通过红外线探测仪和超声波探测仪共同探测既减小了超声波对身体辐射造成的危害又解决了红外线探测距离短的问题,使得对被困人员的辐射降至最低

水路两用的划水车轮的工作原理是在路面或郊野沙地里车轮正常运转。当车陷入水中时,该车轮利用轮上的划水桨为其在水中提供动力。同时在车尾装有螺旋桨,在水中提供动力。

      可升降的地盘形状是滑雪板。它的工作原理是在遇到冰上,深雪,泥沼,流沙地等松软易碎地面时,地盘降低与地面平行从而增大接触面积,减小压强,使其在多种松软地形不至于陷入,无法开展救援。同时地盘前端是划雪板形,减少前行阻力。

破冰的机械臂的工作原理是常见的制造类机器人是机械臂。机械臂由五个金属部件构成,它们是用三个关节接起来的,这三个关节分别可以实现机械臂相对机身旋转,机械臂的抬降,和抓去几个动作。每个关节分别相连的步进式马达,以便控制机器人(某些大型机器臂使用液压或气动系统)。与普通马达不同,步进式马达会以增量方式精确移动(这使计算机可以精确地移动机器臂,使机械臂不断重复完全相同的动作。机器人利用运动传感器来确保自己完全按正确的量移动。

      这种带有三个关节的机器人与人类的手臂极为相似,它具有相当于肩膀、肘部和腕部的部位。它的“肩膀”通常安装在一个固定的基座结构(而不是移动的身体)上。这种类型的机器人有三个自由度,也就是说,它能向三个不同的方向转动。

      本作品设计的机器车机械手加有红外线传感器,可以感知人所在区域而触发,并使机械手和机械臂产生动作,对受困人或物采取救援,这样既准确又快捷。对于实际中,我们考虑有内置的压力传感器,用来将机器人抓握某一特定物体时的力度传递给计算机。这使机器人手中的物体不致掉落或被挤破,也同时减少对人或物的伤害。同时机械臂灵活性较强,在遇到受陷者所困地的洞口较小,无法使机械手采取救援时,可以利用它对受困区域周围敲凿,从而方便救援。破冰锤的工作原理是在出现车陷入冰水中时,车会因冰面而受困,这时打开破冰锤将冰面打开航道,为救援车救援缩短时间。在破冰锤的驱动装置上装有声控传感器,在发出口令后,破冰锤会触发,开始破冰任务。救援伤者的后仓主要作用是在将伤者救起后,将其转移到后仓进行紧急救援,为救助伤者极大地缩短了时间。

5. 创新点及应用

      该救援车将可以实现冰河救援,深雪救援,水上救援,泥沼救援,流沙地救援等多种救援。多种功能合为一体,实现救援车的多功能化。在面临复杂的救援情况,多一项技能,就多了一份成功的希望,一个全能型求援车,是参与救援的不二之选。

      可张合的划雪支撑板利用通过增大接触面积从而减小压强的原理使车可以在冰上,深雪,泥沼,流沙条件下顺利前行,进而实现快速救援。在水上救援时,也可以起到防水的作用,防止核心设备长时间在水中作业失灵的情况。在泥沼,流沙的环境下,也可以防止泥土沙石进入车内,陷入沼泽,也可以减少沙石对精密仪器的影响。

      改变传统的破冰方法,用锤子来破冰,从而减小船体损伤。与传统的依照自身重量的作用来破冰,我们采用了一个新的破冰装置,由于我们的设备没有破冰船的吨位,很难对厚冰层实行重力破冰,所以破冰锤的作用就显而易见了,可以快速的造成大面积破冰,是救援车的神兵利器。

      灵活的机械臂不仅可进行救援,还可凿开周围冰面或挖掘等辅助功能,实现灵巧的操作,从而面对各种复杂的救援情况。机械臂高灵活性,可操作性,可靠性,可以实现救人取物的能力,可以安全可靠的伸长,夹取。在夹取的时候既不松动,也不紧闭使人有压迫感,是一个人性化的设计,给我们带来良好的体验。

      改进传统车轮,使其不仅可以在路面行驶,又可以在水中提供动力。为了适应多种情况下的救援,我们采用了能力更强的履带式车轮,强大的抓地力,能够在复杂的情况下奔驰,犹如一台强劲的小坦克。为了在水下也能行进,我们又加入了一个水下划水车轮,可以快速的在水下灵活的前行。

      面对恶劣的救援环境,有些情况下,驾驶员不能安全的到达和操作,所以我们加入远程操作功能,配合5G网络的低延迟性,完全可以实时操控,这样既提高了驾驶员的安全性,也能实现救援活动,各项传感器的精妙配合和高自动化,减少了复杂的操作和驾驶员失误的概率,提高了救援成功的几率,受困人员也能安全地解救出来。

      救援时,被困人员可能会收到伤害,需要及时治疗,所以我们在车后安装了一个医疗室,可以先进行简单的治疗,提供一些必要的医疗器械和药物,如果来不及运送到医院治疗,也可以在医疗室进行小型手术,为求援提供一个安全可靠的医疗环境。

      该救援车通过加多种传感器和主控板控制,使救援车在危险条件下既保证自身安全又高效快速地实施救援。为了实现各种功能的自动化,我们记录下了一些常用操作,编程汇集在了一起,当我们需要重复一些机械的操作时,我们可以选择让机器自动完成。这样既减少了失误的可能,也解放了人力,可以去做更复杂的事情。

参考文献

[1] 朱玉贵.冰上事故救援技术研究.《节能环保和谐发展—2007中国科协年会论文集(四)》.2007年

[2] 吴建平.传感器原理及应用.北京:机械工业出版社

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