“摆臂履带式可折叠搜救车”设计说明书
1 设计背景
在地震、矿难、山体滑坡、火灾等灾害发生时，救援通道环境往往变得复杂，或道路不平、狭窄崎岖，一般车辆无法通过；或有易燃易爆有毒气体存在于现场，使得救援人员无法深入进行侦探或运输救灾物资。在这种情况下，机器人的参与可以有效的提高救援效率和减少施救人员的伤亡。而目前所研发的救援机器人普遍存在：体积偏大，无法进入狭小空间进行搜救；重量过大，搜救人员难以携带；图像智能识别能力不足，人机交互能力差；机器人操纵困难等研究难题。
20世纪80年代，搜救机器人从国外开始起步。而搜救机器人的第一次实际救灾行动是在 2001年911事件发生后，美国机器人辅助救援中心(CRASAR)和其他一些单位的搜救机器人参加了救援行动。此后，许多国家开始从国家安全战略的角度研制出各种防爆、搜救机器人用于灾难的防护和救援。搜救机器人按照行走方式可分为：足式、轮式和履带式等。
履带式机器人是为了满足军事侦察、拆除危险物等作业的需要，在传统的轮式移动机器人的基础上发展起来的。中国科学院沈阳自动化研究所研发的地震救援机器人，虽然地形适应能力强，但体积普遍偏大，不太适合在倒塌的建筑物废墟中狭小空间内搜寻幸存者。
虽然履带式可变形多态机器人可根据搜索空间的大小改变其形状和尺寸，但受驱动方式的限制，其体积不可能做得很小。为了满足对更狭小空间搜索的需要，人们根据生态学原理研制出了各种体积更小的仿生机器人，比如日本大阪大学研制的蛇形机器人，但技术仍不成熟，难以应用在灾难搜救工作中。
搜救机器人研究虽然取得了一定的成绩，但灾难现场实际使用情况表明，目前所研制的搜救机器人仍然存在不少需要解决的关键技术问题。主要表现在机器人的移动性、通讯问题、智能图像处理软件以及人机交互能力等方面。救援机器人普遍存在：体积偏大，无法进入狭小空间进行搜救；废墟上的高温使机器人履带软化而无法正常行进；无线通讯方式的机器人有大约25 %左右的时间由于通讯问题而无法正常工作；图像智能识别能力不足；人机交互能力差，机器人操纵困难等研究难题。
针对这一现状，团队成员结合折叠理论，参考国外相关系统，集合机械、电子、互联网多种现代科学技术，设计了一款小型摆臂履带式可折叠智能搜救车。本作品设计了折叠式运载平台的结构，平台展开时平整度为8o，展开面积为0.85m2，使得运载货物能力增强且运载时更为平稳；平台收缩时，体积为0.07m3，工作时利于搜救车通过狭窄路段，非工作状态时更便于携带。其次，设计了六自由度履带式行驶机构，机器人可越过高7cm、坡度小于20°的障碍，最大承载货物能力为18Kg，续航能力为4-6小时。最后，提出了软件系统中的静态手势识别算法，将树莓派和 YOLO v3目标检测算法相结合，提出了一种新型人机交互模式，使搜救车完成五种不同动作( 前进、后退、左拐、右拐、攀爬) 。其中室内与室外的手势识别在测试集上的准确率分别可达95.08%和89%。经试验检测证明，较之现有搜救机器人，本设计具有轻便易于携带，操作简单方便，搬运能力与地形适应能力强，人类特征识别敏捷等优点，设计创新实用性高。
本项目获得了教育部的大力支持，2018年10月，项目获批地方高校2018年国家级大学生创新创业训练项目（项目编号：201813235001）。2019年4月，团队成员公开发表论文“基于激光传感器的运载机器人视觉系统研究”已被北大核心期刊“激光杂志”收录并入知网检索。
2 摆臂履带式可折叠搜救车的机械结构
机械结构是搜救设备的基础，具备好的机械机构的搜救机器人具有优良的工作性能、简单的控制算法和较低的制造和维护成本等优点。本设计的机械结构主要包括摆臂履带行驶机构、伸缩支撑躯干机构和折叠式运载平台三个部分。
2.1 摆臂履带式行走结构设计
针对搜救机器人应满足的功能要求，设计提出一种履带-腿复合式行走系统，从具有的履带数和自由度方面来讲，该系统属于六自由度履带式行走系统；从复合的角度来看，它属于履-腿复合行走系统。此系统所具有的四个独立的履带式摆臂如同四条腿，可以实现多种姿态，是的消防车具备较强的地形适应性、越障性和平稳性。
该行走系统在主动适应环境时，具备多种运动姿态。不同的环境、障碍对应不同的运动姿态变化过程。因此，可以归纳总结典型障碍对应的行走姿态变化，从而形成一系列工作范式，便于控制。经实验室样机测试，本设计自重8.2kg，所设计的传动系统可以使机器人最慢移动速度不低于30m/min，并在速度范围内可无极调节。若携带蓄电池为5000mAh，满载条件下，平坦路面轮式行走续航能力约90min，可越过高7cm、坡度小于20°的障碍。
2.1.1 摆臂履带传动方案设计
行走系统包括主体、主履带移动机构及摆臂结构三个模块。主体模块位于机器人正中，和两边的主履带移动机构模块相连，形成一个整体，用于安装各种传感器、机械臂及电源。主履带移动机构模块用于实现机器人的前进及转向。每个摆臂机构模块都可以独立正反旋转360O，实现多种组合姿态，从而辅助平稳通过各种障碍和复杂地形。搜救车车可以展开摆臂以保证越障时的稳定性，也可以收起摆臂通过狭窄空间。
机器人行走系统的三大模块对称分布，主体模块位于正中，主履带移动机构模块上下对称，四个摆臂机构模块上下、左右全对称。这样，机器人的重心在形心附近，有利于机器人平稳越障。
搜救车的行走传动系统，其通过减速电机驱动为主履带提供行走动力，前后四条作为攀爬摆臂履带，摆臂履带随主履带转动但又相互独立，每两个摆臂分别由两个数字舵机控制，通过皮带和传动轮传动轴达到同步，均可在不影响传动的情况下根据指令上下自由摆动。
2.1.2 行走越障分析
搜救车总体结构尺寸设计将基于以下条件：
⑴ 搜救车行走机构方案是全对称结构，且主体重量占绝大部分，因此假设机器人重心在其形心位置，便于尺寸估算。
⑵ 基于地形的极限尺寸设计机器人总体尺寸，确保搜救车越障的稳定性。
⑶ 搜救车越障时匀速运动，且速度较慢，惯性力对其越障稳定性影响较小。
⑷ 履带选用双面直齿形同步带代替，其外表面齿形结构可使机器人具备更好的防滑性能。
2.2 折叠式运载平台结构设计与改进
搜救机器人的运载平台采用可折叠机构设计，支架需要承受一定的力矩和重力，柔性机构在强度上会有所欠缺，因此本设计采用钢性材料，机构状态的改变依靠组件之间关节连接方式的变化来实现。
本设计思想来源于雨伞，为了实现支撑架定位精准、运行稳定等需求，采用铆钉与铜螺柱固定各支撑架，利用支撑架中条形自由滑槽实现支撑杆的滑动，经测量，支撑杆与水平夹角最大仅为8o。
同时，为了使载物平台展开后，支撑架两两之间缝隙减小，防止小件货物掉下，第二版设计中创造性添加了鱼骨式承载网结构，并在边缘设计放跌落围挡，使得平台可承载货物更为多样，且不易掉落。
通过支撑架与承载网的两两连接，即可形成可运载货物的平台结构。再将支撑架和承载网各6组，每组支撑架通过U型角铁连接至顶部和底部六边形支撑座上。底部六边形支撑座固定在躯干上底板上，顶部六边形支撑座固定在电动推杆顶部。通过电动推杆实现整个运载平台的伸展与收缩，伸展时为工作状态，用于承载救灾物资；收缩时为非工作状态，便于携带。
运载平台工作时展开，面积为0.85m2，可承载货物能力强；过狭窄地区或非工作状态时可收缩到最小，收缩时体积为0.075m3，更为节约空间，便于穿越狭小地带或便于携带；通机器人最大承载货物能力为18Kg。
2.3 关键部件的应力仿真与参数分析
搜救车中的运载平台支撑杆、底部支撑座和中间主杆决定了运载平台的承载力，三个关键零件决定了运载机械结构的稳定性。在软件中对这三个关键零件建模后，设置制作材料以及约束孔固定，定义活动孔Z方向压力为100N，通过对关键零件的模拟分析得到其的受力变形分析如表。
由图导出各部分参数对应如表1~表3所示
表1 运载平台支撑杆的受力变形分析表
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各部分参数表
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数值
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max_beam_bending:
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0.000000e+00
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max_beam_tensile:
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0.000000e+00
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|
max_beam_torsion:
|
0.000000e+00
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|
max_beam_total:
|
0.000000e+00
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max_disp_mag:
|
5.777952e-07
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|
max_disp_x:
|
7.458652e-08
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max_disp_y:
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1.060417e-07
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max_disp_z:
|
-5.777931e-07
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max_prin_mag*:
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2.725193e-01
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max_rot_mag:
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0.000000e+00
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|
max_rot_x:
|
0.000000e+00
|
|
max_rot_y:
|
0.000000e+00
|
|
max_rot_z:
|
0.000000e+00
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|
max_stress_prin*:
|
2.725193e-01
|
|
max_stress_vm*:
|
2.688075e-01
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|
max_stress_xx*:
|
6.517932e-02
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max_stress_xy*:
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-1.106917e-02
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max_stress_xz*:
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-1.587210e-02
|
|
max_stress_yy*:
|
1.741431e-01
|
|
max_stress_yz*:
|
-1.437937e-01
|
|
max_stress_zz*:
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-1.177225e-01
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|
min_stress_prin:
|
-1.177292e-01
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