救援機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)-履帶式移動(dòng)機(jī)械手【含6張cad圖紙+文檔全套資料】
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開題報(bào)告填寫要求
1．開題報(bào)告作為畢業(yè)設(shè)計(jì)答辯委員會(huì)對(duì)學(xué)生答辯資格審查的依據(jù)材料之一。此報(bào)告應(yīng)在指導(dǎo)教師指導(dǎo)下，由學(xué)生在畢業(yè)設(shè)計(jì)工作前期內(nèi)完成，經(jīng)指導(dǎo)教師簽署意見及所在系審查后生效；
2．開題報(bào)告內(nèi)容必須用按教務(wù)處統(tǒng)一設(shè)計(jì)的電子文檔標(biāo)準(zhǔn)格式（可從教務(wù)處網(wǎng)頁(yè)上下載）打印，禁止打印在其它紙上后剪貼，完成后應(yīng)及時(shí)交給指導(dǎo)教師簽署意見；
3．學(xué)生寫文獻(xiàn)綜述的參考文獻(xiàn)應(yīng)不少于15篇（不包括辭典、手冊(cè)）。文中應(yīng)用參考文獻(xiàn)處應(yīng)標(biāo)出文獻(xiàn)序號(hào)，文后“參考文獻(xiàn)”的書寫，應(yīng)按照國(guó)標(biāo)GB 7714—87《文后參考文獻(xiàn)著錄規(guī)則》的要求書寫，不能有隨意性；
4．學(xué)生的“學(xué)號(hào)”要寫全號(hào)（如02011401X02），不能只寫最后2位或1位數(shù)字；
5. 有關(guān)年月日等日期的填寫，應(yīng)當(dāng)按照國(guó)標(biāo)GB/T 7408—94《數(shù)據(jù)元和交換格式、信息交換、日期和時(shí)間表示法》規(guī)定的要求，一律用阿拉伯?dāng)?shù)字書寫。如“2016年3月15日”或“2016-03-15”；
6. 指導(dǎo)教師意見和所在系意見用黑墨水筆工整書寫，不得隨便涂改或潦草書寫。
畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 開 題 報(bào) 告
1．結(jié)合畢業(yè)設(shè)計(jì)情況，根據(jù)所查閱的文獻(xiàn)資料，撰寫2000字左右的文獻(xiàn)綜述：
文 獻(xiàn) 綜 述
1.1背景與意義
隨著科技的發(fā)展和環(huán)境的日益惡化，災(zāi)害救援機(jī)器人的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。由于人類居住環(huán)境的復(fù)雜多變，自然災(zāi)害、恐怖活動(dòng)以及各種突發(fā)事故的頻發(fā)，人類的安全一直受到威脅，同時(shí)也引起了人們對(duì)災(zāi)害預(yù)防和災(zāi)害處理工作的廣泛關(guān)注。
另一方面，雖然人們對(duì)于災(zāi)難的預(yù)防和反應(yīng)能力已有所提高，但是因?yàn)閼?yīng)對(duì)災(zāi)難的救援工作不及時(shí)、不專業(yè)，從而間接地造成了不必要的傷亡。因此，如何將營(yíng)救行動(dòng)技術(shù)以及機(jī)器人技術(shù)等多學(xué)科的技術(shù)有機(jī)地融合在一起，去更好地解決災(zāi)難救援工作，是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。近些年，隨著機(jī)器人技術(shù)和相關(guān)輔助學(xué)科的發(fā)展，人們嘗試將相關(guān)技術(shù)進(jìn)行有機(jī)融合，研制和開發(fā)用于災(zāi)難搜尋與救援的救援機(jī)器人，這也是機(jī)器人學(xué)研究的一個(gè)擁有廣闊前景的新領(lǐng)域。尤其是在“9.11”事件之后，國(guó)際上很多國(guó)家開始關(guān)注對(duì)各類反恐、礦難救援、震后搜救等功能救援機(jī)器人的研制[1-6]，并將救援機(jī)器人的研究提高到了國(guó)家安全戰(zhàn)略的層面。
本設(shè)計(jì)的救援機(jī)器人主要是針對(duì)災(zāi)難后的救援機(jī)械進(jìn)行設(shè)計(jì)，該機(jī)械人具有連續(xù)救援功能；不怕火、濃煙等危險(xiǎn)和有害條件；可以深入危險(xiǎn)地帶拍攝資料供研究人員分析查找；重量輕，與人和搜救犬相比引起建筑物二次坍塌的可能性??；靈活，可以進(jìn)入那些人和搜救犬無(wú)法進(jìn)入的危險(xiǎn)地帶[7-10]。
通過(guò)設(shè)計(jì)救援機(jī)器人，具有以下的意義：
（1） 經(jīng)過(guò)查詢文獻(xiàn)，可以掌握國(guó)內(nèi)救援機(jī)器人的發(fā)展歷程和最新動(dòng)態(tài)；
（2） 在人為不可控的災(zāi)難發(fā)生之后，救援機(jī)器人可以及時(shí)有效的開展?fàn)I救工作，避免不必要的傷亡；
（3） 通過(guò)對(duì)救援機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，不僅可以初步了解機(jī)器人的設(shè)計(jì)流程，還可以將救援機(jī)器人不斷優(yōu)化和完善，最終不斷提高和優(yōu)化我國(guó)救援機(jī)器人的性能，從而使機(jī)器人更好的服務(wù)于人類。
1.2國(guó)內(nèi)外研究發(fā)展趨勢(shì)
1.2.1國(guó)外研究現(xiàn)狀
國(guó)外針對(duì)救援機(jī)器人的研究較早，技術(shù)也相對(duì)比較成熟，并且已經(jīng)有了很多成功的研究成果，其中大部分已有的救援機(jī)器人可以用于災(zāi)難現(xiàn)場(chǎng)的偵測(cè)和搜救工作[11]。主要典型的有以下幾類：
①美國(guó) Foster-Miller 公司研發(fā)的 SOLEM 機(jī)器人和 SPAWAR的 URBOT 機(jī)器人（如圖1～2所示）。它們體積較大，有很好的承載能力，并且由于履帶式結(jié)構(gòu)使得它們有較好的地面適應(yīng)性，可以用于在廢墟堆中作業(yè)。目前國(guó)內(nèi)外很多偵測(cè)救援機(jī)器人都是履帶式結(jié)構(gòu)以及在此基礎(chǔ)上的改進(jìn)形式。
圖1 SOLEM機(jī)器人 圖2 URBOT機(jī)器人
②RoboCue是日本東京消防廳研制的一種救援機(jī)器人（圖3），被設(shè)計(jì)用來(lái)在災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)尤其是在爆炸現(xiàn)場(chǎng)搜索確定受害者的位置并將受害者撤離危險(xiǎn)區(qū)，其對(duì)于自然災(zāi)害救援也同樣適用。
圖3 RoboCue 機(jī)器人
③爬行者（Crawler）是日本橫濱警察署研發(fā)設(shè)計(jì)的一種救援機(jī)器人（圖4），能將災(zāi)害遇難人員轉(zhuǎn)移到安全地帶。該機(jī)器人內(nèi)部空間舒適，承載極限為250 Pt，可作為“艙體”將傷員安置轉(zhuǎn)移[12]。
圖4 爬行者（Crawler）機(jī)器人
④BEAR(Battlefield Extraction-Assist Robot)是美國(guó)Vecna醫(yī)療設(shè)備公司為美國(guó)軍方研制的一種戰(zhàn)場(chǎng)后送救援機(jī)器人。如圖5所示。
圖5 BEAR(Battlefield Extraction-Assist Robot)及其改型
1.2.2國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀
我們針對(duì)救援機(jī)器人技術(shù)研究起步較晚，但是在廣發(fā)科研人員的努力下，救援機(jī)器人已經(jīng)取得了相當(dāng)大的成績(jī)。典型的有哈爾濱工業(yè)大學(xué)、北京理工大學(xué)以及科研院所研究的救援機(jī)器人等[13-15]。
①哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)器人研究所與唐山開誠(chéng)電器有限公司于2007年研制了救援探測(cè)機(jī)器人。該機(jī)器人為三節(jié)履帶機(jī)構(gòu)形式，分為驅(qū)動(dòng)部分、擺臂部分和擺腿部分。結(jié)構(gòu)如圖6所示。
圖6 哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)器人
②清華大學(xué)、北京理工大學(xué)、中國(guó)礦業(yè)大學(xué)聯(lián)合承擔(dān)了國(guó)家863項(xiàng)目，共同研制了救援機(jī)器人，采用了六履帶四擺臂的履帶行走機(jī)構(gòu)，可以有效攀爬臺(tái)階越障礙。如圖7所示。
圖7 北京理工大學(xué)機(jī)器人
1.2.3 發(fā)展趨勢(shì)
9.11以來(lái)救援機(jī)器人研究的迅速進(jìn)展，解決了一系列困擾救援機(jī)器人發(fā)展的問(wèn)題，機(jī)器人由半自主向全自主方向發(fā)展[16]。當(dāng)前，救援機(jī)器人研究的熱點(diǎn)是機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制、人機(jī)交互研究、環(huán)境感知與地圖生成技術(shù)、傳感與人體檢測(cè)技術(shù)、信息標(biāo)準(zhǔn)等。
（1）群體機(jī)器人研究
目前，救援機(jī)器人研究正在從個(gè)體走向群體。在救援工作中，往往釋放很多的機(jī)器人，以擴(kuò)大搜索范圍，提高工作效率，并且多個(gè)機(jī)器人協(xié)同作業(yè)，可以提高信息的可靠性和準(zhǔn)確性[17]。各個(gè)機(jī)器人之間相互交流可以解決諸如定位、全覆蓋、翻越障礙等單個(gè)機(jī)器人難以處理的問(wèn)題。
群體機(jī)器人研究也是機(jī)器人技術(shù)中的N個(gè)共性技術(shù)，很多研究人員從人類社會(huì)以及其他動(dòng)物的社會(huì)性、組織性等得到靈感，進(jìn)行多機(jī)器人系統(tǒng)的研究。
（2）全自主機(jī)器人研究
無(wú)線控制方式和電纜控制方式，在復(fù)雜的救援環(huán)境中都有一定的局限性。理想的解決方案就是實(shí)現(xiàn)救援機(jī)器人自主路徑規(guī)劃、自主導(dǎo)航、自主搜索指定區(qū)域。目前的救援機(jī)器人系統(tǒng)多為半自主系統(tǒng)，機(jī)器人需要在人為的操縱下才能夠完成復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)任務(wù)。實(shí)現(xiàn)機(jī)器人行為的自主化，需要深入研究人工智能，重點(diǎn)解決自主導(dǎo)航、路徑規(guī)劃、自動(dòng)繪制地圖、自身定位、目標(biāo)識(shí)別等技術(shù)難題[18]。雖然目前救援機(jī)器人還沒有完全實(shí)現(xiàn)全自主活動(dòng)，但在未來(lái)的任何重大突破都將為救援機(jī)器人的發(fā)展帶來(lái)劃時(shí)代的影響。
（3）任務(wù)多樣化及傳感檢測(cè)技術(shù)
目前救援機(jī)器人只能為救援人員提供一些偵查、監(jiān)視、搜索等簡(jiǎn)單任務(wù)，還遠(yuǎn)不能滿足人們對(duì)救援機(jī)器人的要求。單一傳感器所能獲得的信息非常有限，它所獲得的是局部、片面的環(huán)境特征信息。將多種類型的傳感器作為幾個(gè)整體研究，可以提高系統(tǒng)的容量能力、完整描述環(huán)境的能力、提高測(cè)量精度和信息處理速度，降低信息獲取成本[19]。把信息融合技術(shù)與救援機(jī)器人技術(shù)結(jié)合起來(lái)就可以顯著地提高機(jī)器人的智能化水平，完成更加復(fù)雜的任務(wù)。
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畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 開 題 報(bào) 告
２．本課題要研究或解決的問(wèn)題和擬采用的研究手段（途徑）：
2.1研究或解決的問(wèn)題
本畢業(yè)設(shè)計(jì)擬解決的問(wèn)題主要有以下幾個(gè)方面：
（1） 從研究災(zāi)害救援中使用救援機(jī)器人的必要性入手，分析了救援機(jī)器人輔助救災(zāi)的優(yōu)勢(shì)、救援機(jī)器人的發(fā)展歷程及其現(xiàn)狀。
（2） 完成機(jī)器人的總體方案設(shè)計(jì)，該機(jī)器人主要含有行走機(jī)構(gòu)、雙臂驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、機(jī)械手大臂和小臂的設(shè)計(jì)計(jì)算、機(jī)身的設(shè)計(jì)和校核計(jì)算。
（3） 完成機(jī)器人各部分的設(shè)計(jì)，主要包括有：
①行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)；
②雙臂驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的計(jì)算；
③機(jī)械手大臂手腕機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)（包含電機(jī)和減速器）；
④小臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及強(qiáng)度校核計(jì)算；
⑤機(jī)身的設(shè)計(jì)和校核計(jì)算。
（4） 在完成上述的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后，繪制出救援機(jī)器人的裝配圖以及零件圖設(shè)計(jì)。
該救援機(jī)器人具備以下功能和優(yōu)點(diǎn)：
（1）可以連續(xù)執(zhí)行乏味的搜索救援任務(wù)，而不會(huì)像人一樣感到疲倦；
（2）不怕火、濃煙等危險(xiǎn)和有害條件；可以深入危險(xiǎn)地帶進(jìn)行搜救工作；
（3）重量輕，與人和搜救犬相比引起建筑物二次坍塌的可能性小；
（４）靈活，可以進(jìn)入那些人和搜救犬無(wú)法進(jìn)入的危險(xiǎn)地帶。
2.2擬采用的研究手段
初步擬采用理論分析和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相結(jié)合的研究方法。針對(duì)救援機(jī)器人主要采取以下方法：
（1） 總體方案是設(shè)計(jì)，主要通過(guò)查閱資料，主要采用借閱國(guó)外（國(guó)內(nèi)）成熟的機(jī)構(gòu)并進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化；
（2） 行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)擬采用履帶式機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)；
（3） 雙臂驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的計(jì)算擬主要根據(jù)理論力學(xué)和材料力學(xué)的知識(shí)進(jìn)行相關(guān)計(jì)算；
（4） 機(jī)械手大臂手腕機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)部分采取傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，這部分不做改進(jìn)；
（5） 小臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用外卡式兩指鉗爪機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)；
（6） 機(jī)身的設(shè)計(jì)主要根據(jù)前面的結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)，該部分的設(shè)計(jì)主要包括支撐架和機(jī)座的設(shè)計(jì)。
2.3工作進(jìn)度安排
2月29日 ~ 3 月 29日 查找相關(guān)資料，完成開題報(bào)告
3月30日 ~ 5 月25 日 熟悉與課題相關(guān)的軟硬件環(huán)境
完成有關(guān)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)
5月26 日 ~ 6 月5 日 畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書的撰寫及參加畢業(yè)答辯
畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 開 題 報(bào) 告
指導(dǎo)教師意見：
王莉萱同學(xué)在查閱了大量的相關(guān)圖書文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，完成了畢業(yè)設(shè)計(jì)《救援機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)》的開題報(bào)告，對(duì)課題有了較為深入的認(rèn)識(shí)。
本開題報(bào)告內(nèi)容詳實(shí)，對(duì)課題的開發(fā)目的、意義以及國(guó)內(nèi)外發(fā)展概況做了詳細(xì)地闡述，針對(duì)災(zāi)難后的救援機(jī)器人進(jìn)行了方案設(shè)計(jì)，提出了較為詳細(xì)的設(shè)計(jì)方法，對(duì)于要完成的設(shè)計(jì)任務(wù)較為明確，設(shè)計(jì)方案具有可行性。
開題報(bào)告的格式規(guī)范，語(yǔ)句通暢，參考文獻(xiàn)具有一定的參考性和借鑒性，較好地完成了課題前期的準(zhǔn)備工作，工作量適中。
同意開題。
指導(dǎo)教師：
2016年 3 月 20 日
所在系審查意見：
同意開題
系主任：
2016年 3 月22 日
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