三峡大学深井救援机械手说明书.docx

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三峡大学深井救援机械手说明书

第四届全国大学生机械创新设计大赛

设计说明书

深井救援机械手

创新团队:

丁昌鹏、韦仕龙、程林风、焦力博、王超

指导老师:

王盈、张屹

湖北·宜昌·三峡大学

二零一零年九月

目录

一、设计背景1

二、设计目的2

三、创新构思，方案设计2

3.1地面支撑部分3

3.2定位部分4

3.3调位部分4

3.4监控部分5

3.5夹持部分6

夹持部分辅助设备7

四、创新设计与已有或者相近产品的异同与创新之处8

五、工作原理9

六、慧鱼模型图11

七、作品主要创新点12

八、应用前景12

九、参赛小结13

十、参考文献13

附：

控制部分电路图14

一、设计背景

近年来，报纸、电视等媒体多见报道有关孩童掉入小径深井（多为直径25——45cm水泥管机井）及营救的消息，有的小孩成功的被救起了，可是也有的却不幸献出了生命。

由于井径细小，深度一般较深，成年人无法下井营救，而且还有可能将救援人员卡死在井口。

所以一般的营救的方法是动用挖掘机等大型设备进行施救，此种方法费时、费力、费财，且救援时间过长、安全性差，无法保证井下孩童的生命，如果孩童掉入深度超过15m，利用挖掘机也无法实施营救。

据有关部门调查表明，每年不慎掉入机井、油井等小径深井的孩童事件就有上千起，加上那些其它一些深井的事件就更多了。

这些情况带来的生命伤害、财产损失是不可估计的，给家人、个人带来巨大的痛苦。

图1：

深井救援现场

基于这些情况，我们团队经过仔细的分析，认真探讨，结合实际情况配合已有的救援

设备，设计出这种深井救援机械手，希望能为深井救援带来更高的效率，更高的成功率，挽救更多的生命。

图2：

深井前人们在努力着

二、设计目的

目前，深井救援装置不多，已有的救援装置也没有得到很好的推广。

大多数情况下是救援人员直接对被困者实施救援，如果井口太小，救援人员不能直接对被困者实施救援时，救援行动往往很难施展，只能通过挖开井口等效率低的方法来实施救援，这样延误了最佳救援时机，终将导致非常严重的后果。

我们设计的深井救援机器手主要目的就是寻找一种用于小径深井救援的专用设备，通过它能够方便、快捷、有效地的解决小径深井中生命救援的问题，同时也为日常生活中重要物件的打捞提供一种方法。

通过我们的设计，相信最终能够成功地解救宝贵的孩童生命、宠物生命，同时也能够打捞许多重要的物品，挽回重大的财产损失。

三、创新构思，方案设计

根据调查相关事件所得经验，掉入深井的受困者被困形式大多数多数情况下有三种：

1.井底有水，被困者浮于水面；

2.井底没水，被困者掉到井底；

3.井径太小，被困者被困于井的中间。

而且深井的口径有大有小，一般为25—45cm，根据受困者的形式特征及井口口径特征要求我们的产品需具备的功能有：

1.能够适用于口径不同的深井；

2.在救援过程中能够时刻观察井下的情况；

3.能够灵活调整爪子自身的位置；

4.救援过程中不能对受困者造成二次伤害。

为了实现上述功能我们设计的机械手由支撑部分，定位部分，调位部分，监控部分，夹持部分等五大部分组成。

图3：

整体效果图

3.1地面支撑部分

地面支撑部分采用已有的设备----救援三角架，三角架下的钢绳另一端连接机械手。

因为救援三角架上安装有手摇装置，于是可手动控制钢绳的升降，在井的深度方向上大范围的调节机械手，又因手摇装置带有自锁功能，能保证救援过程的安全可靠。

图4：

救援三角架

3.2定位部分

为了能够适用不同型号的井我们设计的定位部分由一对横向伸缩臂组成，伸缩臂是用丝杠来实现臂的伸缩的，伸缩臂的两端是一对弹性支撑臂，由于井的口径不一，横向伸缩臂通过伸缩手臂，顶住井壁，保证救援机械手的执行动作的时候稳定。

而且通过伸缩，能够适应口径大小不一的井。

图5：

定位部分初始状态图图6：

定位部分伸出时状态图

3.3调位部分

调位部分要求能够调节机械手在垂直方向和水平方向的位置，以使机械手找到合适的救援位置。

为调节机械手水平方向的位置采用360度旋转盘，转盘下的可以上下运动的伸缩臂可以调节机械手垂直方向的位置。

旋转盘采用蜗轮蜗杆装置，伸缩臂采用齿轮齿条装置，通过旋转盘的旋转和伸缩臂的伸缩，调整爪子的位置，使爪子处于合适的抓取位置，顺利完成夹持动作。

其结构图如下图所示：

图7：

齿轮齿条机构图8：

蜗轮蜗杆机构

3.4监控部分

监控部分由监视部分和控制部分组成，监视部分由照明灯、摄像头组成；控制部分有手动控制仪器及显示屏组成。

在井底光线不好的情况下，照明灯将井底照明，使摄像头能够清晰摄取井底情况，摄像头将井底的图像传到地面上的显示屏，方便操作人员了解井底情况，根据井内的情况做出判断，通过手动控制仪器手动控制机械手的动作。

图9：

监控部分结构图

3.5夹持部分

夹持部分由一对可伸缩臂、爪子及机架组成。

通过伸缩臂的横向运动，调节爪子的横向位置，使爪子处于合适的位置，从而对被困者执行抱起动作。

爪子上面安装有压力传感器，当压力达到某设定值的时候，压力传感器将获得的信号传输给显示屏，操作人员对开关进行控制，使爪子停止运动，从而保证爪子不至于因用力过大而对受困者造成二次伤害。

图10：

夹持部分结构图

爪子上下各有一对，初始位置上面的一对爪子在上面，下面的一对爪子处于基本竖直的位置，电机带动丝杆转动，滑块向下滑动，带动上面的一对爪子向下运功的，下面的一对爪子向上转动，使两对爪子间的空隙减小，实现夹紧。

图11：

夹持部分初始状态图

图12:

夹持部分夹持状态图

压力传感器

夹持部分辅助设备

图１3:

夹持部分辅助设备

齿轮齿条

电机

当被困者卡在井中时，使用此装置救援，此装置由齿轮齿条装置执行动作，由于被困者与井壁间的间隙较小，为减小装置所占用的空间，初始状态时装置处于合拢状态，救援时装置从被困人员与井壁间的间隙间穿过，到达被困人员的腋下部位时停止下降，两对合抱臂开始

伸出，穿过被困人员腋下部位与井壁间的空隙，最后这两对合抱臂纵向合拢，将被困人员抱住，将装置拉出井既可以将被困人员救出。

四、创新设计与已有或者相近产品的异同与创新之处

目前，我们只发现一个类似的专利产品——小径深井救捞装置，通过对它的分析，发现该装置与我们的设计虽然在设计目的上大致相同，但是在机构原理方面却相差甚远。

已有装置的创新点：

1）“曲柄凸轮机构”的应用；

2）连杆同时起到凸轮从动件和斜拉杆的作用；

3）由斜楔式多节空心管联接组成刚性提绳，结构简单、功能多样。

我们也发现已有的产品存在着一些缺陷：

1）杆太长，用手不方便操作，不易控制；

2）抓取的时不能将抓取对象抓得较紧，安全性不可靠。

然而我们的设计，着重从智能控制方面着手，包括了支撑部分，定位部分，调位部分，监控部分，夹持部分五大部分，多处采用简单可靠的伸缩机构，在一定的范围内实现了距离可调，同时配置了相关的智能仪器，能够更加方便地进行实地操作。

可伸缩装置使我们的作品能够适用于不同型号的小径井，爪子通过智能控制可以更简单、更安全地完成救援。

五、工作原理

该装置主要由地面支撑架、钢绳、机械手三部分组成，在救援时支撑架固定于井口正上方，通过钢绳吊动机械手，使机械手能够上下运动。

机械手由定位装置，调位装置和夹持装置组成，定位装置为两对称伸缩臂组成，在机械手降至井中适当的位置（被困者上方0.1m左右）时，由伸缩臂伸展开直至抵住井内壁，将整个机械手的空间位置固定。

调位部分是由一电机带动下面的夹持装置转动，调整抓紧部分至合适位置（对准被困者与井内壁间的空隙）。

抓紧部分是由两个可以伸缩，下部可以弯折的臂组成，调位好后，两臂伸长穿过被困者与井内壁间的空隙，下部弯折将被困者“抱住”。

松开定位装置，通过钢绳将机械手拉出井口，完成救援任务。

针对不同的事故情况，机械手爪子可以采用不同的操作实施救援。

（1）针对第一种情况即井底有水，

图14：

机械手工作示意图

被困者浮于水面的情况。

机械手先完成旋转定位，使爪子对准被困者与井间的间隙，然后执行垂直方向的调位，使爪子垂直向下穿过被困者与井间的空隙，完成两部定位后，将爪子横向收回，然后通过丝杠带动爪子抱紧被困者，最后松开定位装置，拉上救援机械手完成救援。

救援流程图如下：

（2）针对第二种情况即井底没水，被困者掉到井底的情况。

机械手先完成旋转定位，使爪子对准被困者与井间的间隙，通过丝杠传动带动爪子收回，使爪子处于接近水平，然后执行垂直方向的定位，使爪子垂直下降，直到接触地面，然后调节爪子水平位置的执行动作，带动爪子横向收回，慢慢“铲起”被困者，直到被困者被完全抱住，然后收回定位装置，拉起装置完成救援。

救援流程图如下：

（3）针对第三种情况即井径太小，被困者被困于井的中间的情况，此种情况是深井事故中救援较麻烦的一种，被困者与井间存在一定的压力，且被困者与井间空隙小甚至没有空隙，给救援带来较大的麻烦。

遇到此种情况通常是用绳子套住被困者的手将被困者拉出井，但是在这个过程中，由于被困者的手臂已经被井壁卡死，动弹的范围很小，因为被困者隔救援人员距离较远，在救援人员套被困者手臂的时候会很不容易套上，要花费大量的时间，为此我们的机械手在此种情况下主要是协助救援人员将绳子快速套到被困者的手臂上。

六、慧鱼模型图

七、作品主要创新点

Ø夹持范围的可调，救援范围广；

机械手定位装置和爪子的伸缩性使得救援机械手能够适用于多种型号井的救援。

Ø实时控制实施救援，效率高，成功率高；

通过摄像头观察井底的情况，能够很好地针对具体情况作出相应的操作，大大提高救援的成功率和效率。

Ø人性化设计，不至于二次伤害；

爪子上的压力传感器能把救援过程中被困者受力情况及时传达给施救者，避免救援过程中由于压力太大对受困者造成二次伤害。

Ø装置操作简单、灵活。

装置结构简单，易于控制，针对不同的情况可以做出各种应对的动作，很灵活。

八、应用前景

由于某些水源不是很充足的农村依旧保留着吃水井的习俗，加上城市中地下管道的四处安放等，一系列的安全隐患带来了频发的深井事故，深井救援这类设备的需求时刻被人们所关注。

正如我们查阅网络所得，目前深井救援装置还没有得到普遍的应用，已有的深井救援装置在一些方面也存在着不少的缺陷，深井救援迫切需要一种高效率、高成功率的救援装置。

我们的深井救援机械手能够适用于多种型号的井，且效率、成功率都较高，我们装置的应用能够弥补已有深井救援设备的一些缺陷，使深井救援机械这一类装置能够得到一定的补充，更主要的是我们装置的应用能够使得深井救援更加方便、简单，能够挽救更多的生命。

通过这种机械手的设计，可灵活而轻便的协助消防官兵实施救援，让他们的救援效率得到提高，同时也保障了他们的生命安全。

希望我们的深井救援机械手能够在各大消防部门广泛地被使用，让这种设计成为他们的左膀右臂，真正的为人们服务。

九、参赛小结

设计该机械手的想法是在一次看电视节目的时候得到的启发，看到那期节目中的深井救援过程中，一个小孩掉入深井，由于救援设备的不足，救援方法的落后，救援耗费了大量的时间，小孩未得到及时的救援，结果小孩未能幸免于难，当时心里就想着能否设计一种能够快速救援的深井救援机械手。

有了想法就要付诸行动，在学校通过与老师们的交流，我们团队间的互相讨论，我们最终确定了初步的方案。

初步方案确定后我们在制作的过程中团队间发挥团队精神，每人发挥自己的特长，使我们的作品日益完善，而且整个过程中我们都在不停的实验，不停的改动，为的是找到一种更好的方案，我们不会满足于现在的成绩，我们会进一步的努力，使我们的作品能够更加的完善，功能更加的俱全，能够更早地投入使用，能够挽救更多的生命。

十、参考文献

1.黄平主编.常用机械零件及机构手册.北京：

化学工业出版社，1999

2.成大先主编.机械设计手册.单行本.机构.北京化学工业出版社，2004

3.陈国华主编，机械机构及应用.机械工业出版社，2008

4.杨黎明，杨志勤主编，机械选型与运动设计，2006

附：

控制部分电路图

电路图说明：

1.本电路原理图未设计电源电路。

2.本电路图以控制一个电机转动为例子。

3.使用说明：

按下S1后松开，低电平触发U2，在其3脚上发出1.5s左右的正脉宽

U1是一个频率不可调，但占空比可调的方波发生器，如果S2未合上则电机正转如果S2合上则电机反转。

即按下S1松开则电机转转动1.5秒左右，正反转取决于S2是否合上；

若要加快电机转动的速度，则调大方波发生器的占空比，即将R6向上调大。

另外的五个电机调节方式一样。