华北科技大学多功能组合式升降救援机器人设计项目新版说明书.doc

多功效组合式升降救援机器人
设计说明书

参赛单位：华北科技学院
作 者：李大鹏、刘春平、刘江玉、李雷
指导老师：田忠友 罗建国

目录
1 研究背景及意义 ………………………………………………………1
2 创新构思及方案设计 …………………………………………………1
2.1 升降方法独特征 ……………………………………………1
2.2 升降系统稳定性 ……………………………………………2
2.3 救援方法新奇性 ……………………………………………3
3 关键功效及工作原理 ……………………………………………4
3.1救援系统 ………………………………………………………4
3.2灭火系统 ………………………………………………………5
3.3运输系统 ………………………………………………………6
4 机器人运动和动力分析 …………………………………8
4.1车体动力 ……………………………………………………8
4.2升降系统动力 ………………………………………………8
4.3救援系统动力 ………………………………………………10
5 部分参数计算 …………………………………………………11
6 关键创新点 ……………………………………………………12
7 市场前景 ………………………………………………………14
8 作品外形照片 …………………………………………………………17
9 参考文件……………………………………………………………………20

1 研究背景及意义
目前，高空救援已成为一个世界性难题。在人类快速发展今天，高层建筑不计其数，防火安全十分关键。即使大家对高空火灾警觉和反应能力有所提升，但救援工作还是准备不够充足，不专业、不立即，造成很多无须要人员伤亡和财产损失。每十二个月，中国因火灾而造成直接经济损失就数以亿计，很多人生命全部葬身火海之中，每一场高层建筑火灾全部让我们痛心。一旦失火，凶猛火势和烟雾直接威胁着大家安全疏散，影响着火灾立即施救工作。然而大多高空救援消防车升高高度有限、稳定性差、救援迟缓，极难达成理想救援工作目标。我们设想并制造了一个多功效升降救援机器人，能够安全快速把高层被困人员送到地面，同时我们机器人装有消防水管系统，在救援同时便于消防员进行高层外围救火。
2 创新构思及方案设计
现在，最行之有效灭火方法是内外救火，以内为主，外为辅，然而这关键应用于低层建筑。对于高层建筑而言，“外”围工作则效果甚微，关键原因就是现在消防云梯无法达成救援所需高度。所以，我们设计多功效组合式升降救援机器人：①能够稳定上升到一般高层建筑物高度；②能够安全快速地进行救援工作；③含有必需防火材料制成、人工智能控制等。以下为我们创新构思：
2.1 升降方法独特征
因为此机器人必需有能力升高到通常高层建筑高度，所以，怎样实现稳定安全升高到目标高度是一个必需处理问题，我们升降系统采取三级升降：
⑴曲臂式升高。两节车体前后移动，支撑机构把升降支架推起
到适宜位置。此方法是为了确保救援机器人正常行驶时能够应变不一样交通环境，支撑机构采取丝杠结构。
⑵伸缩式升高。此升降方法就是采取了传统云梯式升降方法,关键是为了尽可能减小机器人行驶时所占空间体积。基于升降系统越高则应用越轻便原理和装置所占空间体积较小、材料总重较轻等特点，我们将此升降方法应用于曲臂升降方法之上。
⑶滚珠丝杠式升高。利用滚珠丝杠优点突出：
①能够得到很大传动比，比交错轴斜齿轮机构紧凑；
②两轮啮合齿面间为线接触，其承载能力大大高于交错轴斜齿轮机构；
③丝杠传动相当于螺旋传动，故传动平稳、噪音很小；
④传动功率大。
另外我们还采取交叉式微调。剪叉式机械结构，使升降方法起升后有较高稳定性，宽大作业平台和较高承载能力，使高空作业范围更大，并适合多人同时作业。它使高空作业效率更高，更安全。可加伸缩平台，在平台长度不足时可延伸至所需位置。
我们采取三级升降目标是：
⑴大大减小在道路上行驶时占用空间。我们升降系统能够收缩在较小空间内，采取四角机构，固定在两节车体上以应对不一样交通环境；
⑵升降方法多样性、合理性，使其升降功效多变，应对不一样环
境、不一样高度工作。经试验此系统稳定性高，能够达成所需工作高度；
⑶可依据所需高度增加升降级数，即可采取多级升降达成目标高度。
2.2 升降系统稳定性
升降救援机器人，顾名思义必需在高空作业，其安全性、稳定性是我们研究难点。机器人上升高度过高会出现升降不稳定、承载能力逐步减小等一系列问题。我们经过不懈努力，决定采取四角支撑，把升降系统四个升降支架分别安装在两节车体上，确保其牢靠。再采取伸缩式升降，确保机器人整体稳定性，经过降低其重心来确保机器人整体稳定性。车体和平时所见吊车类似，可在车轮旁伸出保护支架到地面上，支撑机器人，确保机器人在工作时稳定性。
2.3 救援方法新奇性
救援必需快速有效、安全可靠，前提便是我们所设想机器人含有防火能力。
⑴在升降系统之上，我们有一个工作台，其特点：
①能够360度自旋转；
②能够自由伸缩，即能够扩大救援范围。升降系统只能实现高度改变，但对于救援，我们必需在升降系统之上建立一个工作平台实现救援任务，工作台伸出一个安全平台能够伸到高层受困人员所在窗口、阳台等地，但这么只能实现极少一部分人员救援工作，为此，①我们将其设计成能够旋转平台；②平台可连同车体上四个丝杠支撑结构相对高层做平行移动。这么就能够救援同一楼层不一样方位人群。
⑵搭桥功效。若高层失火，且周围有其它安全建筑时，救援机器人可借助毗邻安全建筑搭建安全通道，将受困人员疏散到毗邻建筑，达成愈加好救援效果，对于其搭桥功效，能够实现和水平面成30°范围内旋转，此功效实现由升降机构不一样时运动完成其四个升降机构两个机构相对另两个较高时，可实现其和水平面成角度功效。
⑶设想：救援功效实现不仅对受困人员，同时还考虑到高层救火问题。所以我们可在机器人升降系统上安装了消防管道，方便消防人员进行高层外围救火工作而且在工作平台上装有消防器械等必备工具。
3 关键功效及工作原理
现在，绝大多数城市全部有高层建筑，为高楼建筑扑救火灾，消防人员到场后首先面临困难就是登楼，因为没有快速登楼方法，所以往往不能立即控制火势，现在，我们向大家展示就是为处理高层火灾问题和在其它危险情况发生时，提供救助机械装置——高空救援机器人。其关键功效及工作原理以下：
3.1 救援系统
该作品能够在地面快速升起于通常高楼相同高度支架，在支架上配有稳定升降工作台(图1)，方便把高层建筑中受困人员立即解救出来。并能顺利运输到地面安全地带，从其次讲，抓住时间就是抢救生命最大保障。
图1 升降工作台
在我们升降系统顶部有一个多功效工作平台，在地面上，我们能够遥控进行操作控制。工作台上安有救人所需求伸缩平台，下面来简单介绍一下该功效是怎样操作。
当发生火灾时，建筑物外表面受热，救援装备和人员全部难以靠近，而因为我们升降器是在地面升起，于高楼建筑之间是存在一定距离。为了让受困人员能够顺利抵达我们升起平台，我们在平台上装置了一套可收缩式桥梁通道。①即能够在该平台上伸出一跳板，搭在于和平台相同高度窗口上，在高空中连接高层建筑和我们所搭建平台，形成一条高空通道，从而能够顺利转移在火灾中受困人员；②同时还能够依据实际情况使平台在它所在平面进行旋转，调整高空桥梁通道方位，使之能够搭在不一样窗口上，即能够任意选择窗口搭建和我们平台之间通道；③工作平台能够相对建筑物进行平移。这么，使得多功效高空机器人含有很好灵活性，深入增加了机器人实用性。
另外，我们还能够依据外界实际情况利用火灾现场处毗邻高层建筑寻求和受火灾高度相同建筑，搭设一条可实用高空通道，连通两楼，可使得受困人员安全快速转移周围安全建筑中，从而解救受困人员。当周围没有安全高层建筑能够利用时候，先将在高层建筑中受困人员成功转移到升降系统顶部平台上，我们升降系统上装备了自感人员运输系统，在升降系统各个支架上装有一系列安全传送带，传送带上装有车斗，这些车斗全部置于电机链条之上，由电机带动链条，链条上车斗也随之运动，即一直有车斗往复运输，如此循环，形成一个稳定载人运输机构，把集中在平台之上人员用车斗安全快速运回地面。
3.2 灭火系统
高层建筑发生火灾，灭火是极其关键一个步骤。我们制作这个升降救援机器人配置了和升降系统相结合输水管道，能够将地面水输送到我们工作平台，可用于消防人员水枪灭火，方便快捷，最关键是为消防人员节省了大量驾管时间和精力，为快速救援在火灾中受困人员争取了宝贵时间。
因为高层建筑有以下特点：①烟雾火焰扩散快，火势蔓延快速；②易发生爆炸，火势发展迅猛；③人员疏散困难，扑救难度大。
所以，用通常气体灭火器是不能有效达成灭火目标，用水来灭火是我们首选。然而，高度问题又是我们一直以来一个巨大挑战。在慌忙中浪费了很多宝贵时间，且效果不佳。可现在，我们多功效升降救援机器人能够达成我们所需要求，只要在地面上和消防水车或其它水源连接，便能够让水顺着升降系统支架上输水管道运输到受灾现场，方便扑灭高层建筑上凶猛火势，达成救火目标。
3.3 运输系统
我们把升降系统底架装于两车体之上，用汽车作为运输载体。在运输方面，我们摒弃了传统运输方法，采取两车合一新型方法，两车体（图2、图3）可分可合，即可将两车合为一体，也可将其分开。升降系统底架置于两车之上，用车运输此机器人升降机构。运输时，两车可合为一体。车体稍长，但便于运输机器人升降机构。我们能够充足利用两车分离时各自行驶特点，依据实际路况，调整两车体之间距离，便于装置调整和稳定运输。
总而言之，我们所设计升降救援机器人能够顺应市场要求，为处理高空救援及灭火提供了新而有效方法，在危难时刻给大家生命安全以强有力保障。

图2 前车体
图3 后车体
4 机器人运动和动力分析
多功效组合式升降救援机器人由车体、升降系统、救援系统三个部分组成。每个系统全部含有独立动力装置。
4.1 车体动力
本作品由汽车作为该装置支撑部分和运输部分，和传统车型不一样是，我们用是将两车合为一车，分为前车和后车。前车关键提供运输动力和转向动力，后车虽有相同功效，但在运输时后车只连接于前车车尾，起到被动运输作用，更多是作为升降系统载体。
在两车车顶上，装有升降系统四个支架，两两形成一个平面。前后车两支架分别组成一个平面。两平面相交地方为升降系统顶部工作平台。在两车上支架是能够在车体上运动调整，在前车车体上装有丝杠机构，在一定范围内，以丝杠进给传动方法带动支架进行前后移动并使其固定。
4.2 升降系统动力
我们仍然借助于电力驱动方法，为使升降系统所达成高度提至更高，前面所提到多级升降系统功效得到了充足显现。在升起情况下，能达成我们救援所需高度。一样，在运输过程中，我们还能够将其高度降到低于现在云梯最低高度，从而便于运输。在多级升降系统中，升降用到丝杠进给升降原理（图4）和伸缩式升降原理（图5）。在其控制方面，每一级全部是相互独立，即在电力驱动下，电机带动丝杠旋转，从而带动丝杆上支架，使其在一定范围内进行升降。多级升降在运输时可重合在一起，以缩短该系统高度，也可稳定上升到救援所需高度。单一级升降高度并不够，可是采取多级升降，能达成我们所需高度，我们机器人起到示范作用，仅以3级升降表示。

图4 丝杠进给升降装置

图5 伸缩式升降装置
4.3 救援系统动力
在升降系统之上装有工作台，其功效有：①能够伸缩，即能够伸出一安全平台②能够多自由度旋转，可旋转至该平面不一样方位。
在第一点功效中，使用动力推杆推进平面上伸缩板。在电机驱动下，平板逐步靠近高层建筑窗口，从而构建起安全高空通道。这么电力推杆含有结构紧凑，体积小，重量轻，使升降系统顶部操作台承受负荷降低，利于系统升降使用愈加灵活。能够正确伸出我们所需长度，这么方法类似于生活中伸缩式架桥方法，方便可靠，在高空中能够实现操作台和高层建筑之间连接作用，形成可靠逃生通道。相关第二点，在实现操作台平面旋转功效方面，我们采取齿轮和电机带动方法，在电机作用下，可使操作台在其中心轴上进行360°旋转。在无需改变两车体位置下就可使操作台上伸缩桥梁转向高层建筑物不一样学口，并和之搭建高空通道， 增强了它实用性，使整个装置人性化。
当受困人员集中在操作台时，最为关键就是怎么把她们安全送回地面。于是，我们在升降系统支架上装有一系列车斗，车斗全部装于链条之上，在电机驱动链条情况下，车斗就顺利带动起来，即一直有车斗往下运输，也一直有车斗往上运输，如此循环，形成一个稳定载人运输方法，把集中在平台之上人员用车斗安全快速运回地面。此时链条和车斗整体就相当于传送带功效，既简单又方便。

图6 工作平台动力装置
5 部分参数计算
车轮空载速度
大电机转速：n2=2400 r/min
齿轮齿数：z1=10，z2=20
减速器齿轮组传动比： a=20：1 轮子直径： d=0. 045m
车轮空载速度： v=πd×n2/a =0. 14m/s
上升高度范围
第一级极限高度：l1=0. 35m 第二级极限高度：l2=0. 30m
第三级极限高度：l3=0. 35m 工作平台极限高度：l4=0. 20m
极限高度为：l=1. 20m 实际上升高度范围 L≤1. 10m
6 关键创新点
过去，高空救援车、高空作业车已经有不少，然而，伴随高层建筑越发频繁出现在我们生活中同时，多个高空救援等类似产品相继问世并不停进化、完善。现在，我们所做高空救援机器人机构合理、功效全方面，工作方法独特。我们产品类似于现在高空消防云梯车，其异同点对比以下：
6.1 升降系统稳定性
升降系统上所采取空间四角机组成两两对称分布，即升降系统四个支撑点分别在两节车体上。这么设计有两个优点。其一，含有稳定性。我们通常所看到多半全部是两杆支撑，伸到高空时易受到风力或高空异物掉落影响而引发重心不稳，且承载能力也很有限。假如采取我们设计四角机构，就增加了稳定性,其承载能力也得到了愈加好确保；其二，运输时车体总高度低。现今市面上能够升高到50米以上云梯车车身高度普遍在3.80m以上，而我们救援车在正常行驶时车身高度在3.8m以下，从而对减小了城市交通负荷，方便运输。
6.2 升降系统独特征
现在高空云梯车有：屈臂云梯车，德国马基路斯旋转式消防云梯车，德国麦斯直臂云梯车，芬兰博浪涛高空曲臂云梯车，法国贝麦克斯旋转式消防云梯车，美国意宏旋转式消防云梯车。而我们升降救援机器人采取三级升降，升降方法合理性，多样性，确保升降过程稳定。其一，我们两车体之间能够调整距离使整个升降系统在一个稳定合理位置而且便于正常行驶，应对不一样交通环境；其二，丝杠进给升降，有扭力大，负重大，稳定等特点；其三，伸缩式，也就是现在用最多云梯升降方法。因为我们采取是四个支撑点，在升降过程中不一样时，所以我们升降系统之上工作平台能够旋转，和水平面形成所需角度，完成其搭桥功效。
6.3 救援系统安全性、合理性
面对高空救援问题，现今关键是利用柔性逃生滑道将受困人员输送到地面，但这么安全性还是值得探究。首先，在面对小孩，老人，孕妇等特殊群体时，问题往往难以处理；然后，在经过滑道下滑过程中，大家难免会发生相互碰撞，严重时更会造成人员伤亡，这么反而达不到救援预期目标。
为此，我们所做升降救援机器人在升降系统上装有安全车斗传送带，而且我们有4条传送带，能够解救大量受困人员，受困老人，小孩等能够从车斗抵达地面，安全稳定。
在同一楼层不一样方位全部有受困人员时，怎样将她们同时快速解救到救援车成为问题所在。考虑到此，我们在升降系统之上装有一个能够进行360°旋转工作平台，能够伸缩，旋转，完美处理了这个难题。该平台向受困人员所在地伸出一高空通道，使之安全走到平台上，坐在安全车斗内经过传送带带动，抵达地面，脱离危险。
6.4 消防装置帮助性
我们高空救援机器人不仅能够解救人员，而且还能够帮助消防人员救火，有些云梯车在车体内安装有储水箱或其它消防设备，但我们认为这么做是不可取，那样会增大云梯车体积和重量，不便于运输。为有效处理这个问题，我们在救援机器人升降系统上加装了消防管道，方便消防人员经过救援车进行高层建筑外围救火。
6.5 远程遥控性
远程计算机控制整个多功效高空救援车工作。现在云梯车大全部还是人工控制，其正确度，可操作性，实用性全部有待提升，而我们救援机器人使用计算机控制使其愈加安全、正确。

7 市场前景
7.1 实用化可能性
多功效组合式升降救援机器人实用性很强。多功效升降救援机器人升降装置利用了丝杠机构和伸缩式升降机构传动。升到高空装置打破了以往模式，设计升降系统底座采取四脚机构，即空间立体结构，稳定性和该机器人上所能达成高度相对现在云梯车较高，这么就能处理当今大城市高层建筑失火等问题。多功效组合式升降救援机器人由防火材料制成，从而确保救援机器人实用性。救援机器人不仅限于火灾，还能推广到其它很多方面，比如适适用于仓库、机场、车站、工厂、展馆、酒店、医院、商场、体育馆等场所高空检验、维修、装饰、清洁及存取货。其承载能力大,升降平稳,安全可靠,操作简单,维修方便,可在任意位置停、升、降。稳定性好，还可用于路政建设、电力、通信、会展中心等场所。使升降台起升后有较高稳定性，宽大作业平台和较高承载能力，使高空作业范围更大，它使高空作业效率更高、更安全。
升降平台设有直流电机和控制装置组成，不再需要人工移位，也不需外接电源，利用编程控制使移动更方便灵活，能正确抵达令高空作业更方便快捷，是现代企业高效安全生产配置之理想高空作业设备。利用发动机动力驱动升降台伸缩或旋转。利用车辆行驶功效，使升降系统有愈加好灵活性和机动性，使高空作业效率更高，适适用于区域范围广、流动性大高空作业。升降平台采取高强度防火材料，含有重量轻、升降平衡、安全可靠等优点，平台由电机驱动，水平方向360°任意旋转，然后伸出安全平台抵达受困人群所在地，受困人员经过安全平台抵达工作平台，平台四角向下运输带上装有安全车斗，将受困人员安全转移到地面。升降平台还能够用于高层建筑物间运输货物，它操作方便、结构牢靠、载荷量大、升降平稳，产品关键用于多种工作层间、立体车库及地下仓库高层间运输任务。
7.2 高性价比
该机器人含有多功效，填补了现现在消防云梯功效单一缺口。该多功效组合式升降救援机器人采取三级升降，能达成通常高层建筑高度。当高层建筑失火时，该装置就能发挥其功效。它还有清障系统，安装在车体前部，能有效清除挡在道路上障碍物，方便通行。机器人升降系统上安装有消防管道，能够经过路面消防栓将水引到机器人工作平台，帮助消防人员立即灭火。顶部升降系统上安有工作平台，能够旋转、伸缩。其伸缩长度能够在两座建筑物之间搭成桥梁，方便转移人群。
现在社会需要这么机器人，一台机器含有多个功效，大大节省了能源和材料消耗，对救援工作有很大帮助。
多功效组合式升降救援机器人成本和一般升降机相差不大，但功效却很丰富且含有优势。其中防火材料应用以确保救援工作安全进行。
7.3 广泛应用前景
多功效组合式升降救援机器人还能应用于很多行业，含有起升、下降及借助辅件推进及多种高度位置调整等很多功效。含有结构紧凑、体积小、重量轻、动力源广泛、无噪音、安装方便、使用灵活、功效多、配套形式多、可靠性高、使用寿命长等很多优点。，能按一定程序正确地控制调整提升或推进高度，能够用电动机或 其它动力直接带动，它能够依据具体情况来提升高度，也能够按所需要求定制具体高度。还能适适用于大型桥梁和钢构厂房及多种高空设备安装、施工、检测和维护。
该机器人还可应用于：
⑴修复断裂桥面。当立交桥断裂时，机器人快速赶到断裂桥面下方，升起工作平台可作为一段桥面修补到破损部分，确保交通临时正常。
⑵帮助搭建高压电网设备。该机器人依靠丝杠进给传动和伸缩方法来增加高度，而且利用防火和绝缘材料制成，应用于电网搭建方面安全可靠。
⑶清洁建筑上高层玻璃。我们设计多功效机器人能达成所需高度，而且采取四角机构，稳定又安全。高层建筑外层玻璃不轻易清洗，假如搭支架，因为过高，无法达成所需高度，假如将人悬挂在高楼外部，易发生危险。而我们机器人就处理了这个问题，我们采取三级升降机制，能达成所需高度，在顶部有伸缩平台，便于清洁工人在同一平面内任意窗口进行移动进行工作。
⑷搭建发射塔。该机器人出色升高性能和其稳定性，使其能够临时作为发射塔进行使用。
⑸该机器人还可用于载货，它升降平台稳定性好，而且能够旋转多角度，适用范围广泛货物举升方面。可用于生产流水线高度差之间货物运输；物料上线、下线；工件装配时调整工作高度，高处给料机送；大型设备装配时部件举升；大型机床上料、下料等。伸缩平台依据使用要求，可配置其它附加装置，并可任意升降和伸缩，能达成愈加好使用效果。
总而言之，多功效组合式升降救援机器人能很好处理现现在在高层建筑灭火问题。该机器人开辟了另一条高楼灭火路径，无疑是消防人员有利帮手。该机器人在市场上含有极大应用前景和市场竞争力，其功效多而且能够广泛用于社会各个领域，我们相信该机器人一定会得到市场认可，为社会做贡献。

8 作品外形照片
作品外形照片以下页所表示：

9 参考文件
龙振宇主编 《机械设计》 机械工业出版社
郑笑红 唐道武主编 《工业机器人技术及应用》 煤炭工业出版社
慧鱼产品说明书