搶險(xiǎn)救援組合器械在搶險(xiǎn)救災(zāi)中設(shè)計(jì)與應(yīng)用

侯鵬

摘要：近年來(lái)世界各國(guó)都有不同程度和類型的自然災(zāi)害，本著以人為本的設(shè)計(jì)理念，設(shè)計(jì)此套搶險(xiǎn)救援組合器械應(yīng)用于搶險(xiǎn)救災(zāi)。使災(zāi)后的救援工作進(jìn)行的速率大大提高。

關(guān)鍵詞：搶險(xiǎn)救援 組合器械 應(yīng)用

中圖分類號(hào)：X928文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1009-5349（2017）09-0187-01

近年來(lái)世界各國(guó)都有不同程度和類型的自然災(zāi)害，科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展使災(zāi)后的救援工作進(jìn)行的速率大大提高，但依然存在長(zhǎng)時(shí)間的救助不到，導(dǎo)致遇難者在沒(méi)能及時(shí)被救助的情況下喪失生命，留下遺憾。據(jù)了解汶川地震中有69227人遇難，其中除被倒塌的房屋直接致命的遇難者外，大多數(shù)遇難者是等不到救援條件而放棄了生命。在礦難中，遇難者被埋在地下，只能利用狹小的縫隙與地面聯(lián)系，救援人員能看到傷者卻無(wú)法及時(shí)撤出，而救援的條件需要慢慢等，慢慢創(chuàng)造，在各種惡劣條件下，很多人因?yàn)槿彼⑷笔澄?、缺氧氣、救治不及時(shí)而喪失了生命。為此，本著以人為本的設(shè)計(jì)理念，設(shè)計(jì)此套搶險(xiǎn)救援組合器械應(yīng)用于搶險(xiǎn)救災(zāi)。

一、研究目的及內(nèi)容

設(shè)計(jì)該套機(jī)械裝置，機(jī)電結(jié)合，模塊結(jié)構(gòu)。夾持迅速，靈活多變，攜帶運(yùn)輸方便。適用范圍：人員不便接近的危險(xiǎn)地方，狹窄空間，具有傳遞工具、水下打撈等功能（地震、火災(zāi)、水災(zāi)、礦難等）。在各種突發(fā)災(zāi)難或危險(xiǎn)事故發(fā)生時(shí)，人不能接近的危險(xiǎn)區(qū)域或人手夠不到的地方，能夠代替人手及時(shí)為遇難者遞送物品或搶救重要物資，適應(yīng)各種場(chǎng)合，甚至在不能及時(shí)救出傷者的情況下，能夠維持其生命，等待救援。

1.作品簡(jiǎn)介

該作品采用機(jī)電結(jié)合、組合模塊結(jié)構(gòu)。組合容易，操作簡(jiǎn)單，快捷適用。適用于地震、火災(zāi)、水災(zāi)、礦難等各種突發(fā)災(zāi)難或危險(xiǎn)事故以及日常應(yīng)用范圍。

2.作品構(gòu)成

作品由夾持手、剪刀手等多組模塊、機(jī)械臂、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等構(gòu)成。

二、方案設(shè)計(jì)

1.機(jī)械手收放功能

為使機(jī)械手能夠?qū)崿F(xiàn)夾取物體，自動(dòng)放開(kāi)功能，采用曲柄連桿結(jié)構(gòu)，并利用彈簧的控制運(yùn)動(dòng)功能使機(jī)械手張開(kāi)。

2.機(jī)械手角度調(diào)節(jié)

機(jī)械手完全模擬人手的旋轉(zhuǎn)角度，機(jī)械手指尖部位可隨物體重心進(jìn)行自由的左右變換，機(jī)械腕可90度調(diào)節(jié)。

3.距離長(zhǎng)度調(diào)節(jié)

為適應(yīng)不同距離的操作，設(shè)計(jì)為可調(diào)節(jié)的伸縮管結(jié)構(gòu)。伸縮管可根據(jù)實(shí)際需要加長(zhǎng)。

4.模塊化設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)不同功能，設(shè)計(jì)采用模塊化的多組功能件組成，均設(shè)計(jì)成相同規(guī)格接頭與伸縮桿連接。如剪刀手模塊，夾持手模塊等。

5.實(shí)現(xiàn)靈活、便攜

在機(jī)械臂后方安裝背帶，不限制使用場(chǎng)所，以適應(yīng)不同環(huán)境，自由調(diào)節(jié)方向，實(shí)現(xiàn)靈活性。選擇較輕的鋁合金材質(zhì)，韌性高，耐腐蝕性好。整套裝置可拆卸放在工具箱內(nèi)，起到便攜特性。

6.操作設(shè)計(jì)

采用渦輪蝸桿設(shè)計(jì)，控制機(jī)械手開(kāi)合，實(shí)現(xiàn)輕松傳動(dòng)。

可根據(jù)不同情況選擇手動(dòng)或電機(jī)傳動(dòng)兩種方案。

手柄轉(zhuǎn)動(dòng)：適用于要求精密度高，操作輕的危險(xiǎn)作業(yè)，如排爆等。

電機(jī)傳動(dòng)：獨(dú)特的機(jī)電一體化設(shè)計(jì)，使操作變得更加快捷簡(jiǎn)單。

7.附件添加

機(jī)械臂前端配備連接設(shè)備，可添加照明裝置和揚(yáng)聲器，方便救援人員了解、觀察傷者情況，也可將氧氣管或其他救援器械遞給被困傷者，在不能及時(shí)救出傷者情況下為其提供自救設(shè)備。救援的同時(shí)也可輔助其他救援設(shè)備進(jìn)行救助。

三、方案研制

1.傳動(dòng)方案

本組合由原動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)裝置、伸縮裝置和工作裝置組成。傳動(dòng)裝置是用來(lái)傳遞原動(dòng)機(jī)的動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)、變換其運(yùn)動(dòng)形式以滿足工作裝置的需要，是本組合的重要組成部分，傳動(dòng)裝置是否合理直接影響本器械的工作性能、重量等。合理的傳動(dòng)方案除滿足工作裝置的功能外，還要求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，傳動(dòng)效率高和維護(hù)容易。

本組合的原動(dòng)機(jī)是電機(jī)，工作裝置是機(jī)械手，傳動(dòng)裝置采用一級(jí)傳動(dòng)，即蝸桿傳動(dòng)。

蝸桿傳動(dòng)是由蝸桿和蝸輪組成，常用于傳遞交錯(cuò)角為90度的兩交錯(cuò)軸之間的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力，具有傳動(dòng)比大、傳動(dòng)平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)緊湊和操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，適合本組合的傳動(dòng)要求，因此選用蝸桿傳動(dòng)。

2.機(jī)械方案

（1）彈簧的設(shè)計(jì)

估計(jì)彈簧鋼絲直徑d=D2/C=116mm

補(bǔ)償系數(shù)K=1+145/C=112

彈簧鋼絲σB=2800MPa

許用剪應(yīng)力[τ]=05σB=1400MPa

計(jì)算鋼絲直徑d′≥16

（2）機(jī)械臂的設(shè)計(jì)

鋁合金的許用應(yīng)力[σ]=195MPa ，由于許用應(yīng)力和彎矩不變，所以在不同長(zhǎng)度所能承受的最大壓力不同；由于是伸縮桿，另一桿在此桿內(nèi)部，所以R=d=34mm，同種材料的直管，厚度也相等，r=28mm。

經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：在2—5米時(shí)可承受20公斤的重物；在5—8米時(shí)可承受10公斤的重物，8米以上時(shí)建議重物不要超過(guò)5公斤。

（3）蝸輪蝸桿的設(shè)計(jì)

蝸輪選材ZCuSn5Pb5Zn5，砂型鑄造，蝸桿選用20CrMnTi，心部調(diào)質(zhì)，表面滲碳淬火硬度≥HRC45。查表得，[σ]′=125MPa轉(zhuǎn)速n=600r/min，工作10年，每年工作300天，一天16小時(shí)，受力Ft1=100N，λ=40。

選擇蝸桿頭數(shù)，確定轉(zhuǎn)速和扭矩，疲勞強(qiáng)度計(jì)算，剪刀的設(shè)計(jì)。

（4）剪刀的設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)普通的剪刀進(jìn)行改裝，剪刀手選擇特殊的彎鉤形狀，可迅速定位方便剪斷。剪刀手放松時(shí)，刀刃部分隱藏，不會(huì)造成誤傷。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：剪刀可剪小于8號(hào)線家用電線。

（5）零件的設(shè)計(jì)

各部元件已實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化和通用化，使用和維護(hù)都比較方便。機(jī)械手部位的模塊化設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)多種不同的功能。既保證了實(shí)用性，又保證了攜帶方便的特性。

（6）電機(jī)的選擇

由于手動(dòng)操作蝸桿裝置精度高，操作簡(jiǎn)便，但速度較慢，在緊急情況下，應(yīng)用電機(jī)會(huì)提高傳動(dòng)速率，提高工作效率。

選用充電式電機(jī)，方便攜帶。

電池電壓：72伏—14伏可選；

無(wú)負(fù)載旋轉(zhuǎn)數(shù)：0-280/480/分鐘；

最大鎖定扭矩：176牛頓·米（156英寸-磅）；

離合扭矩設(shè)定：22級(jí)10-59牛頓·米（9-52英寸-磅）；

全長(zhǎng)：220公厘（8-21/32英寸）；

操作容易的正、反轉(zhuǎn)切換按鈕； 可逆轉(zhuǎn)，可變速；

標(biāo)準(zhǔn)附件：電池（FEB9S），充電器（UC9SD），批頭。

（7）工作原理

利用了曲柄連桿和機(jī)電傳動(dòng)機(jī)構(gòu)使機(jī)械手的往復(fù)閉合，實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的抓取、遞送。利用杠桿原理實(shí)現(xiàn)剪刀的閉合功能、蝸輪蝸桿的傳動(dòng)功能。

通過(guò)簡(jiǎn)單的機(jī)電傳動(dòng)進(jìn)行一系列人本身不能實(shí)現(xiàn)的送給物品的過(guò)程。在各種突發(fā)災(zāi)難或危險(xiǎn)事故發(fā)生時(shí)，人不能接近的危險(xiǎn)區(qū)域或人手夠不到的地方，能夠代替人手及時(shí)為遇難者遞送物品或搶救重要物資，裝置小巧，方便攜帶，適合于各種類似場(chǎng)合，甚至在不能及時(shí)救出傷者的情況下，能夠維持其生命，等待救援。

當(dāng)施救人員搖動(dòng)蝸桿傳動(dòng)裝置的搖桿或利用電機(jī)，收緊拉線，使機(jī)械手收緊抓緊物品，到達(dá)遇難者位置，放松拉線時(shí)，機(jī)械手張開(kāi)，放下物品，將機(jī)械手取出。

四、技術(shù)難點(diǎn)

1.機(jī)械手多角度變換

機(jī)械指部位采用特殊設(shè)計(jì)，可隨物體的重心在一定范圍內(nèi)自動(dòng)進(jìn)行左右調(diào)節(jié)，其設(shè)計(jì)完全模擬人手的左右旋轉(zhuǎn)角度。機(jī)械腕部位采用插銷定位，兩個(gè)傳動(dòng)滑輪定向，實(shí)現(xiàn)90度變換。

2.創(chuàng)新點(diǎn)

可配備多組模塊，可全方位多角度調(diào)整。

機(jī)電結(jié)合。具有操作簡(jiǎn)單、夾持迅速、攜帶方便等特點(diǎn)。

在實(shí)踐中，搶險(xiǎn)救援組合器械得到了應(yīng)用。在各種惡劣條件下，很多人缺水、缺食物、缺氧氣，救援人員應(yīng)用搶險(xiǎn)救援組合器械及時(shí)把傷者救出，延續(xù)生命。

責(zé)任編輯：孫瑤endprint