华北科技大学多功能组合式升降救援机器人设计说明书

1、 华北科技学院 多功能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、李雷指导教师：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 12.1 升降方式的独特性 12.2 升降系统的稳定性 22.3 救援方式的新颖性 33 主要功能及工作原理 4 3.1救援系统 4 3.2灭火系统 5 3.3运输系统 6 4 机器人的运动和动力分析 8 4.1车体的动力 8 4.2升降系统的动力 8 4.3救援系统的动力 10 5 部分参数计算 116 主要创新点 12 7 市场前景 14 8 作品外形照片 17 9 参考文献201 研究背景及意义 当前

2、，高空救援已成为一个世界性的难题。在人类快速发展的今天，高层建筑不计其数，防火安全十分重要。虽然人们对高空火灾警觉和反应能力有所提高，但救援工作还是准备不够充分，不专业、不及时，造成很多不必要的人员伤亡和财产损失。每年，我国因火灾而导致的直接经济损失就数以亿计，许多人的生命都葬身火海之中，每一场高层建筑火灾都让我们痛心。一旦失火，凶猛的火势和烟雾直接威胁着人们的安全疏散，影响着火灾的及时施救工作。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，很难达到理想的救援工作目的。我们设想并制造了一个多功能的升降救援机器人，能够安全快速的把高层被困人员送到地面，同时我们的机器人装有消防水管系统，

3、在救援的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目前，最行之有效的灭火方法是内外救火，以内为主，外为辅，然而这主要应用于低层建筑。对于高层建筑而言，“外”围工作则效果甚微，主要原因就是目前的消防云梯无法达到救援所需高度。因此，我们设计的多功能组合式升降救援机器人：能够稳定的上升到普通高层建筑物的高度；能够安全快速地进行救援工作；具有必要的防火材料制成、人工智能控制等。以下为我们的创新构思： 2.1 升降方式的独特性 由于此机器人必须有能力升高到一般高层建筑的高度，因此，如何实现稳定安全的升高到目标高度是一个必须解决的问题，我们的升降系统采取三级升降： 曲臂式升高。两节车体前后移动

4、，支撑机构把升降支架推起到合适位置。此方法是为了保证救援机器人正常行驶时能够应变不同的交通环境，支撑机构采用丝杠结构。 伸缩式升高。此升降方式就是采用了传统的云梯式升降方式,主要是为了尽量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的原理和装置所占空间体积较小、材料总重较轻等特点，我们将此升降方式应用于曲臂升降方式之上。 滚珠丝杠式升高。运用滚珠丝杠优点突出：可以得到很大的传动比，比交错轴斜齿轮机构紧凑；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； 丝杠传动相当于螺旋传动，故传动平稳、噪音很小； 传动功率大。另外我们还采用交叉式微调。剪叉式机械结构，使升降方式起升

5、后有较高的稳定性，宽大的作业平台和较高的承载能力，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。 我们采取三级升降的目的是： 大大减小在道路上行驶时占用的空间。我们的升降系统可以收缩在较小的空间内，采用四角机构，固定在两节车体上以应对不同的交通环境； 升降方式的多样性、合理性，使其升降功能多变，应对不同环境、不同高度的工作。经试验此系统稳定性高，能够达到所需工作高度；可根据所需高度增加升降级数，即可采取多级升降达到目标高度。2.2 升降系统的稳定性 升降救援机器人，顾名思义必须在高空作业，其安全性、稳定性是我们研究的难点。

6、机器人上升的高度过高会出现升降的不稳定、承载能力逐渐减小等一系列问题。我们经过不懈努力，决定采取四角支撑，把升降系统的四个升降支架分别安装在两节车体上，保证其牢固。再采用伸缩式升降，保证机器人整体的稳定性，通过降低其重心来保证机器人整体的稳定性。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，保证机器人在工作时的稳定性。2.3 救援方式的新颖性 救援必须快速有效、安全可靠，前提便是我们所设想的机器人具有防火能力。 在升降系统之上，我们有一个工作台，其特点：能够360度的自旋转；能够自由伸缩，即能够扩大救援的范围。升降系统只能实现高度的变化，但对于救援，我们必须在升降系统之上

7、建立一个工作平台实现救援任务，工作台伸出的一个安全平台能够伸到高层受困人员所在窗口、阳台等地，但这样只能实现很少一部分人员的救援工作，为此，我们将其设计成能够旋转的平台；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。这样就能够救援同一楼层的不同方位的人群。 搭桥功能。若高层失火，且周围有其他安全建筑时，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，达到更好的救援效果，对于其搭桥功能，能够实现和水平面成30°范围内的旋转，此功能的实现由升降机构的不同步运动完成的其四个升降机构的两个机构相对另两个较高时，可实现其与水平面成角度的功能。设想：救援功能的实现不仅对

8、受困人员，同时还考虑到高层的救火问题。因此我们可在机器人的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并且在工作平台上装有消防器械等必备工具。3 主要功能及工作原理 目前，绝大多数城市都有高层建筑，为高楼建筑扑救火灾，消防人员到场后首先面临的困难就是登楼，因为没有快速的登楼方法，所以往往不能及时的控制火势，现在，我们向大家展示的就是为解决高层火灾问题以及在其它危险状况发生时，提供救助的机械装置高空救援机器人。其主要功能及工作原理如下：3.1 救援系统 该作品能够在地面快速的升起于一般高楼同等高度的支架，在支架上配有稳定的升降工作台(如图1)，以便把高层建筑中受困人员及时的解救出来

9、。并能顺利的运送到地面安全地带，从另一方面讲，抓住时间就是抢救生命最大的保障。图1 升降工作台 在我们升降系统的顶部有一个多功能工作平台，在地面上，我们可以遥控进行操作控制。工作台上安有救人所需求的伸缩平台，下面来简单介绍一下该功能是如何操作的。 当发生火灾时，建筑物外表面受热，救援装备和人员都难以接近，而由于我们的升降器是在地面升起的，于高楼建筑之间是存在一定的距离的。为了让受困人员能够顺利的到达我们升起的平台，我们在平台上装置了一套可收缩式桥梁通道。即可以在该平台上伸出一跳板，搭在于与平台同等高度的窗口上，在高空中连接高层建筑和我们所搭建的平台，形成一条高空通道，从而可以顺利的转移在火灾中

10、受困的人员；同时还可以根据实际情况使平台在它所在的平面进行旋转，调节高空桥梁通道的方位，使之可以搭在不同的窗口上，即可以任意选择窗口搭建与我们平台之间的通道；工作平台可以相对建筑物进行平移。这样，使得多功能高空机器人具有很好的灵活性，进一步增加了机器人的实用性。 此外，我们还可以根据外界实际情况利用火灾现场处毗邻高层建筑寻找与受火灾高度同等的建筑，搭设一条可实用的高空通道，连通两楼，可使得受困人员安全迅速的转移附近的安全建筑中，从而解救受困人员。当周围没有安全的高层建筑可以利用时候，先将在高层建筑中的受困人员成功转移到升降系统顶部的平台上，我们的升降系统上装备了自动的人员运输系统，在升降系统的

11、各个支架上装有一系列的安全传送带，传送带上装有车斗，这些车斗都置于电机的链条之上，由电机带动链条，链条上的车斗也随之运动，即一直有车斗往复运输，如此循环，形成一个稳定的载人运输机构，把集中在平台之上的人员用车斗安全迅速的运回地面。3.2 灭火系统 高层建筑发生火灾，灭火是极其重要的一个环节。我们制作的这个升降救援机器人配备了与升降系统相结合的输水管道，能够将地面的水输送到我们的工作平台，可用于消防人员的水枪灭火，方便快捷，最重要的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的受困人员争取了宝贵的时间。由于高层建筑有以下特点：烟雾火焰扩散快，火势蔓延迅速；易发生爆炸，火势发展迅猛；人

12、员疏散困难，扑救难度大。所以，用一般的气体灭火器是不能有效达到灭火的目的的，用水来灭火的是我们的首选。然而，高度问题又是我们一直以来的一个巨大的挑战。在慌忙中浪费了许多的宝贵的时间，且效果不佳。可现在，我们的多功能升降救援机器人可以达到我们所需的要求，只要在地面上与消防水车或其他水源连接，便可以让水顺着升降系统的支架上的输水管道运输到受灾现场，以便扑灭高层建筑上凶猛的火势，达到救火的目的。3.3 运输系统我们把升降系统的底架装于两车体之上，用汽车作为运输载体。在运输方面，我们摒弃了传统的运输方式，采用两车合一的新型方式，两车体（如图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

13、的底架置于两车之上，用车运输此机器人的升降机构。运输时，两车可合为一体。车体稍长，但便于运输机器人的升降机构。我们可以充分利用两车分离时各自行驶的特点，根据实际路况，调整两车体之间的距离，便于装置的调节与稳定运输。总之，我们所设计的升降救援机器人能够顺应市场的要求，为解决高空救援及灭火提供了新而有效的方法，在危难时刻给人们的生命安全以强有力的保障。图2 前车体图3 后车体4 机器人的运动和动力分析 多功能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。每个系统都具有独立的动力装置。4.1 车体的动力 本作品由汽车作为该装置的支撑部分与运输部分，与传统车型不同的是，我们用的是将两车合

14、为一车，分为前车和后车。前车主要提供运输动力和转向动力，后车虽有相同功能，但在运输时后车只连接于前车车尾，起到被动运输的作用，更多的是作为升降系统的载体。 在两车车顶上，装有升降系统的四个支架，两两形成一个平面。前后车的两支架分别组成一个平面。两平面的相交的地方为升降系统顶部的工作平台。在两车上的支架是可以在车体上运动调节的，在前车车体上装有丝杠机构，在一定范围内，以丝杠进给的传动方式带动支架进行前后移动并使其固定。4.2 升降系统的动力 我们仍然借助于电力驱动方式，为使升降系统所达到的高度提至更高，前面所提到的多级升降系统的功能得到了充分的显现。在升起的情况下，能达到我们救援所需高度。同样，

15、在运输过程中，我们还可以将其高度降到低于目前云梯的最低高度，从而便于运输。在多级升降系统中，升降用到丝杠进给升降的原理（如图4）和伸缩式升降原理（如图5）。在其控制方面，每一级都是相互独立的，即在电力的驱动下，电机带动丝杠旋转，从而带动丝杆上的支架，使其在一定范围内进行升降。多级升降在运输时可重叠在一起，以缩短该系统的高度，也可稳定的上升到救援所需高度。单一级升降的高度并不够，可是采用多级升降，能达到我们所需高度，我们的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 救援系统的动力 在升降系统之上装有工作台，其功能有：能够伸缩，即能够伸出一安全平台能够多

16、自由度的旋转，可旋转至该平面的不同方位。 在第一点功能中，使用动力推杆推动平面上的伸缩板。在电机的驱动下，平板逐步靠近高层建筑窗口，从而构建起安全高空通道。这样的电力推杆具有结构紧凑，体积小，重量轻，使升降系统顶部的操作台承受负荷减少，利于系统的的升降，使用更加灵活。能够准确的伸出我们所需长度，这样的方式类似于生活中的伸缩式架桥方式，方便可靠，在高空中能够实现操作台与高层建筑之间的连接作用，形成可靠的逃生通道。关于第二点，在实现操作台平面的旋转功能方面，我们采用齿轮和电机带动的方式，在电机作用下，可使操作台在其中心轴上进行360°旋转。在无需改变两车体的位置下就可使操作台上的伸缩桥梁

17、转向高层建筑物的不同窗口，并与之搭建高空通道， 增强了它的实用性，使整个装置人性化。 当受困人员集中在操作台时，最为重要的就是怎么把他们安全的送回地面。于是，我们在升降系统的支架上装有一系列的车斗，车斗都装于链条之上，在电机驱动链条的情况下，车斗就顺利的带动起来，即一直有车斗往下运输，也一直有车斗往上运输，如此循环，形成一个稳定的载人运输方式，把集中在平台之上的人员用车斗安全迅速的运回地面。此时的链条和车斗整体就相当于传送带的功能，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的转速：n2=2400 r/min齿轮的齿数：z1=10，z2=20减速器齿轮组传动比： a=

18、20：1 轮子直径： d=0. 045m车轮空载速度： v=d×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 L1. 10m6 主要创新点 过去，高空救援车、高空作业车已经有不少，然而，随着高层建筑越发频繁的出现在我们生活中的同时，多种高空救援等类似产品相继问世并不断进化、完善。如今，我们所做的高空救援机器人的机构合理、功能全面，工作方式独特。我们的产品类似于现在的高空消防云梯车，其异同点对比如下：6

19、.1 升降系统的稳定性 升降系统上所采用空间四角机构成两两对称分布，即升降系统的四个支撑点分别在两节车体上。这样设计有两个优点。其一，具有稳定性。我们一般所看到的多半都是两杆支撑，伸到高空时易受到风力或高空异物掉落的影响而引起的重心不稳，且承载能力也很有限。如果采用我们设计的四角机构，就增加了稳定性,其承载能力也得到了更好的保证；其二，运输时车体总高度低。现今市面上能够升高到50米以上的云梯车的车身高度普遍在3.80m以上，而我们的救援车在正常行驶时车身的高度在3.8m以下，从而对减小了城市交通的负荷，方便运输。6.2 升降系统的独特性目前高空云梯车有：屈臂云梯车，德国马基路斯旋转式消防云梯车

20、，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。而我们的升降救援机器人采用三级升降，升降方式的合理性，多样性，保证升降过程的稳定。其一，我们两车体之间可以调整距离，使整个升降系统在一个稳定合理的位置并且便于正常的行驶，应对不同的交通环境；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，也就是目前用的最多的云梯升降方式。由于我们采用的是四个支撑点，在升降过程中不同步，因此我们升降系统之上的工作平台可以旋转，与水平面形成所需角度，完成其搭桥功能。6.3 救援系统的安全性、合理性 面对高空救援问题，现今主要是利用柔性逃生滑道将受

21、困人员输送到地面，但这样的安全性还是值得探究的。首先，在面对小孩，老人，孕妇等特殊群体时，问题往往难以解决；然后，在通过滑道下滑的过程中，人们难免会发生相互碰撞，严重时更会造成人员伤亡，这样反而达不到救援的预期目的。 为此，我们所做的升降救援机器人在升降系统上装有安全车斗的传送带，并且我们有4条传送带，能够解救大量受困人员，受困的老人，小孩等可以从车斗到达地面，安全稳定。 在同一楼层的不同方位均有受困人员时，如何将他们同时快速的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可以进行360°旋转的工作平台，可以伸缩，旋转，完美的解决了这个难题。该平台向受困人员所在地伸出

22、一高空通道，使之安全走到平台上，坐在安全车斗内通过传送带带动，到达地面，脱离危险。6.4 消防装置的协助性我们的高空救援机器人不仅可以解救人员，而且还能够协助消防人员救火，有些云梯车在车体内安装有储水箱或其它消防设备，但我们认为这样做是不可取的，那样会增大云梯车的体积和重量，不便于运输。为有效解决这个问题，我们在救援机器人的升降系统上加装了消防管道，方便消防人员通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能高空救援车的工作。目前的云梯车大都还是人工控制，其精确度，可操作性，实用性都有待提高，而我们的救援机器人使用计算机控制使其更加安全、精准。7 市场前景7.1 实

23、用化的可能性 多功能组合式升降救援机器人的实用性很强。多功能升降救援机器人的升降装置运用了丝杠机构和伸缩式升降机构传动。升到高空的装置打破了以往的模式，设计的升降系统的底座采用四脚机构，即空间立体结构，稳定性以及该机器人上所能达到的高度相对目前云梯车较高，这样就能解决当今大都市高层建筑失火等问题。多功能组合式升降救援机器人由防火材料制成，从而保证救援机器人的实用性。救援机器人不仅限于火灾，还能推广到其他很多方面，例如适用于仓库、机场、车站、工厂、展馆、酒店、医院、商场、体育馆等场所的高空检查、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

24、。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的稳定性，宽大的作业平台和较高的承载能力，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，能准确到达令高空作业更方便快捷，是现代企业高效安全生产配备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。利用车辆的行驶功能，使升降系统有更好的灵活性和机动性，使高空作业效率更高，适用于区域范围广、流动性大的高空作业。升降平台采用高强度防火材料，具有重量轻、升降平衡、安全可靠等优点，平台由电机驱动，水平方向360

25、6;任意旋转，然后伸出安全平台到达受困人群所在地，受困人员通过安全平台到达工作平台，平台四角向下的运输带上装有安全车斗，将受困人员安全转移到地面。升降平台还可以用于高层建筑物间运送货物，它操作方便、结构牢固、载荷量大、升降平稳，产品主要用于各种工作层间、立体车库及地下仓库高层间的运输任务。7.2 高性价比 该机器人具有多功能，填补了现如今消防云梯功能单一的缺口。该多功能组合式升降救援机器人采用三级升降，能达到一般高层建筑的高度。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，安装在车体的前部，能有效清除挡在道路上的障碍物，方便通行。机器人的升降系统上安装有消防管道，可以通过路面的消防栓将水引到机器人的工作平台，协助消防人员及时灭火。顶部的升降系统上安有工作平台，能够旋转、伸缩。其伸缩的长度能够在两座建筑物之间搭成桥梁，方便转移人群。现在的社会需要这样的机器人，一台机器具备多种功能，大大的节约了能源和材料的消耗，对救援工作有很大的帮助。 多功能组合式升降救援机器人的成本与普通升降机相差不大，但功能却很丰富且具有优势。其中防火材料的应用以保证救援工作的安全进行。7.3 广泛的应用前景 多功能组合式升降救援机器人还能应用于很多行业，具有起升、下降及借助辅件推进及各种高度位置调整等诸多功能。具有结构紧凑、体积小、重量轻、动力源广泛、无噪音、安装方便、使用灵活、功能多、配套形式