慧鱼组合模型的地震避难床.docx

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慧鱼组合模型的地震避难床

毕业设计（论文）

基于慧鱼组合模型的逃生、避难类

设备设计

专业年级：

机械工程及自动化2008级

姓名学号：

指导教师：

_

评阅人：

二○一二年六月

中国常州

河海大学

本科毕业设计（论文）任务书

（理工科类）

Ⅰ、毕业设计（论文）题目：

基于慧鱼组合模型的逃生、避难类设备设计

Ⅱ、毕业设计（论文）工作内容（从综合运用知识、研究方案的设计、研究方法和手段的运用、应用文献资料、数据分析处理、图纸质量、技术或观点创新等方面详细说明）：

一、翻译英文资料；

二、近年来火灾、水灾、地震、矿难等自然及工业灾害频发，灾前预报不易，因而灾后搜索及救援就成为减轻灾害的重要部分，在此艰巨的任务前新型的救援设备会为救援工作提供强大的支持，请根据相关灾难背景，应用慧鱼组合模型设计并搭接相关救援设备。

“用于逃生、避难的机械产品”，指立足防范于未然，在突发灾害发生时保护自我和他人的生命和财产安全的机械，也包括在灾难和紧急情况发生时，房屋建筑、车船等运输工具以及其他一些公共场合中可以紧急逃生、避难功能的门、窗、锁的设计。

最终要求实物与设计方案一致，搭接实物模型应能够实现论文中所涉及到的相关功能，实物应以慧鱼基本构件为基础辅以其他相关零配件。

三、每周汇报进度；

四、毕业论文的撰写、修改、打印；

五、参加毕业设计论文答辩。

Ⅲ、进度安排：

1—2周相关资料收集，拟定初始搭接方案

3―4周英文资料查找及翻译，完善搭接方案

5―8周进行模型搭接，并完成最终模型

9―12周完成模型软件部分设计

13―14周完成论文初稿，拍摄作品动作视频

15―16周论文修改并定稿，参加答辩

Ⅳ、主要参考资料：

[1]《机电创新实践教程》周军河海大学出版社

[2]《机械原理》申永胜清华大学出版社

[3]《机械设计》濮良贵高等教育出版社

[4]《慧鱼创意机器人设计与实践教程》曲凌上海交通大学出版社

指导教师：

安翠翠，年月日

学生姓名：

沈冬，专业年级：

机械工程及自动化2008级

系负责人审核意见（从选题是否符合专业培养目标、是否结合科研或工程实际、综合训练程度、内容难度及工作量等方面加以审核）：

该课题来自实际需求，符合机械工程及自动化专业的培养目标。

对学生进行多方面的综合考量，尤其是创新实践方面的训练，内容难度及工作量均符合要求。

系负责人签字：

，年月日

摘要

慧鱼组合模型诞生于德国，其独特的结构可以随心所欲的实现各种拼接。

结合机械构件、电气构件、气动构件以及传感器可以实现各种创新的设计方案。

基于慧鱼组合模型的地震避难床是在地震灾害影响日益严重的背景下提出。

地震避难床主要功能在于地震时为避难者提供安全稳固的逃生、避难场所。

利用家庭中的基础家具“床”，对其进行加固改装设计，加装电机的基础上，结合各类机械传动装置以及传感器，控制接口板的基础上加以实现。

在地震时，利用电机控制的机械传动部分，将位于床板上的避难者传送到避难舱中，随后通过履带将原本位于避难舱下方的挡板传动到避难舱上方，防止坠物落下。

在地震结束后，再由电机将避难者送至床体。

此过程中，避难者也可以通过逃生门，进出避难舱。

位于地震避难床中的各类电气元件与ROBO接口板协同工作，保证机械传动系统的准确运行。

位于床体中的声光电装置，显示系统的运行状态，同时也为地震后的搜救工作提供便利，便于搜救者找到避难者的具体位置。

关键词：

慧鱼组合模型机械传动系统传感器ROBOPRO软件

Abstract

TheFischertechnikcombinationmodelwasborninGermany,avarietyofsplicingofitsuniquestructurecanbearbitrary.Thecombinationofmechanicalcomponents,electricalcomponents,pneumaticcomponentsandsensorcanachieveavarietyofinnovativedesignsolutions.

BasedonthetheFischertechnikcombinationmodelearthquakerefugebedinthebackgroundofthegrowingimpactoftheearthquakedisaster.EarthquakerefugeBedfeaturesistoprovideasafemeansofescape,shelterforasylumseekersfortheearthquake.Beachievedonthebasisofbasicfurniture,"familybed",anditsreinforcementdesignmodifications,theinstallationofthemotorbasedonthecombinationofvarioustypesofmechanicaltransmissiondevicesandsensors,andcontrolinterfaceboard.

Whentheearthquakehappens,themotorcontrolofthemechanicaltransmissionpart,locatedChuangbanShangasylumseekerssenttotherefugebaytothetopoftherefugecabin,followedbythecrawleroriginallylocatedintherefugecabinbelowthebaffledrivedowntopreventfallingobjects.Bythemotoraftertheendoftheearthquake,theasylumseekerssenttobed.Thisprocess,asylumseekerscanescapedoor,andoutoftherefugecabin.EarthquakerefugebedsinallkindsofelectricalcomponentsandROBOinterfaceboardtoworktogethertoensuretheaccurateoperationofthemechanicaldrivesystem.Soundandlightequipmentinthebed,showingtheoperationofthesystemstate,butalsotofacilitatethesearchandrescueworkaftertheearthquake,easytosearchandrescuetofindthespecificlocationofasylumseekers.

Keywords:

Fischertechnikcombinationmodel,Mechanicaltransmission,Sensor,TheROBOPROsoftware

第一章绪论

2008年汶川大地震、2009年青海玉树地震、2011年日本3·11大地震……尽管地震灾害的发生存在不可抗拒的自然原因，但这并不意味着人们只能听之任之。

科学认识自然灾害的形成机理和演化规律，加强地震早期识别、监测预警、应急抢险、风险评估理论研究和技术支撑，可以有效防治地震的发生以及减少灾后损失。

第一节地震带来巨大破坏

近十年来，各类地震越来越频繁地进入人们的视野。

在本节中历数近十年来发生的较大影响的地震：

1.2004年12月26日，印度尼西亚苏门答腊岛附近海域发生里氏7.9级强烈地震并引发海啸，波及多个国家，共造成20多万人死亡或失踪。

2.2005年10月8日，巴基斯坦控制的克什米尔地区发生里氏7.6级强烈地震，造成7.3万多人死亡。

3.2008年5月12日，中国四川省汶川县发生里氏8.0级特大地震，截至9月25日，汶川地震已确认69927人遇难，374643人受伤，失踪17923人。

4.2010年1月12日，海地发生里氏7.3级地震。

已造成27万人死亡。

5.2010年4月14日，中国青海省玉树藏族自治州玉树县发生7.1级地震，已造成2698人遇难，失踪270人。

图1.1地震的巨大破坏

6.2011年3月11日，日本东北部海域发生里氏9级地震，引发大规模海啸，并发生核泄漏事故，造成15645人死亡、4984人失踪，损失金额估计在1220亿至2350亿美元。

第二节地震的灾后救治的必要性及紧迫性

救援界认为，灾难发生之后存在一个“救难黄金72小时”，在此时间段内，灾民的存活率极高。

每多挖一块土，多掘一分地，都可以给伤者透气和生命的机会。

在世界各地历次大地震中，72小时内的国际化救援是最有效的救援方式。

在第一天（即24小时内），被救出的人员存活率在90%左右；第二天，存活率在50%-60%；第三天，存活率在20%-30%。

以后的话那么以5%-10%的生还几率。

全国政协常委、国家地震局原局长宋瑞祥在一篇题为《论减轻地震灾害的国家战略》的报告中称：

根据统计，地震救援的最佳时间，应该是震后第一天，此后埋压人员的生还概率迅速下降，到第六天，除非出现奇迹，否则几乎没有生还希望。

所以，应就地震救援给予特别的重视。

在地震救援中，抢救生命，具体说来就是“和时间赛跑”，而“抢时间”，靠的是救援科技的现代化。

第三节地震灾后救援机制及救援装备

为使地震应急能够协调、有序和高效进行，最大程度地减少人员伤亡、减轻经济损失和社会影响。

国务院于2006年1月12号发布了《国家地震应急预案》，该预案为今后的地震救援提出了指导性的机制。

灾后救援设备方面目前有：

1.生命探测仪。

生命探测仪是当前世界上最先进的搜救及检测仪器，主要通过感应人体所发出的超低频电波产生的电场（由心脏产生）找出“活人”位置。

2.“蛇眼”。

它的学名叫“光学生命探测仪”，是利用光反射进行生命探测的。

仪器的主体非常柔韧，像通下水道用的蛇皮管，能在瓦砾堆中自由扭动。

3.热红外生命探测仪。

热红外生命探测仪具有夜视功能，它的原理是通过感知温度差异来判断不同的目标，因此在黑暗中也可照常工作。

第二章基于慧鱼模型的地震避难床总体设计

地震避难床的背景在于现阶段社会高速发展中，人口密集化，资源聚集化的背景下，一场地震的影响要比过去几十年同等级同规模的地震后果更加严重的情况下提出。

如何在防范地震来袭，为人们提供坚固有效的避难场所，从而大大提高个体生存能力，保障人民群众的人身安全成为人们亟需解决的问题。

本课题所研究的基于慧鱼组合模型的地震避难床是一个典型的机电一体化系统。

所谓的机电一化系统是指在系统的主功能、信息处理功能和控制功能等方面引了电子技术，并把机械装置、执行部件、计算机等电子设备以及软件等有机结合构成的系统。

第一节地震避难床的主要功能作用

地震避难床设计是基于家庭中的基础家具——床的基础上设计。

对其进行加固改装设计，加装电机的基础上，结合各类机械传动装置以及传感器，控制接口板的基础上加以实现。

地震避难床的作用是在地震时，利用电机控制的机械传动部分，将位于床板上的避难者传送到避难舱中，随后通过履带将原本位于避难舱下方的挡板传动到避难舱上方，防止坠物落下。

在地震结束后，再由电机将避难者送至床体。

此过程中，避难者也可以通过逃生门，进出避难舱。

位于地震避难床中的各类传感器与ROBO接口板协同工作，保证机械传动系统的准确运行。

位于床体中的声光电装置，显示系统的运行状态，同时也为地震后的搜救工作提供便利，便于搜救者找到避难者的具体位置。

第二节地震避难床的结构组成

地震避难床主要由床体外结构和内结构两个部分组成。

床体外结构主要就是外层床体整体支撑结构。

而内结构是作为本次结构设计的亮点。

在本次设计中将内结构定义为避难舱。

顾名思义避难舱是地震时提供给避难者避难场所。

避难舱内部提供有照明系统，以缓解避难者的心理压力。

避难舱独立于床体外部结构，与床体外部联接采用类似于蜂巢的可崩溃吸能结构设计，吸收和缓和外界冲击力。

结构如上图2.1所示，在冲压成型的蜂巢结构完成后，填充氨基甲酸乙酯泡沫，使其充满蜂巢和加强件之间，碰撞时利用氨基甲酸乙酯泡沫和蜂巢结构变形吸收能量。

在床体外表面与避难舱之间是履带传动机构，避难舱中则分布有床板传动机构。

第三节地震避难床的系统组成

图2.2逃生避难床整体设计方案布局

地震避难床主要由机械传动系统、电气控制系统和软件驱动系统三大系统组成。

地震避难床的机械传动系统主要利用电机与各类机械传动机构的组合实现各种相应的功能。

利用电机和齿轮传动、螺旋传动相结合实现床板竖直上下运动。

利用两组电机与链传动带动履带挡板。

采用简单铰链设计实现手动式逃生门的开合。

地震避难床的电气控制系统主要利用各类传感器、微动开关结合ROBO接口板实现对机械传动系统的位置控制，以及整个系统信号检测。

利用设置在逃生门上的磁感应装置实现内部照明控制。

利用光敏传感器及其协同电路实现对履带挡板的位置控制。

利用微动开关实现的床板位置控制。

地震避难床的软件驱动系统是实现其功能的关键。

利用ROBOPRO软件对各个系统实现准确控制，实现协同工作。

图2.3整体三维模拟图

在此设计中电源的方案必须考虑到应急性和稳定性，对此采用类似于应急电源的设计。

在未发生地震时可以使用市电220V交流供电，同时为蓄电池供电。

当地震发生时，即可转为蓄电池供电。

结合以上总结，初步拟定其三维模拟图，如图2.3所示。

各个部分分系统将在相应章节做出详细介绍。

第三章慧鱼组合模型的介绍

1964年，慧鱼创意组合模型（fischertechnik）诞生于德国。

慧鱼模型是由德国发明家ArthurFischer博士在1964年从其专利“六面拼接体”（图3.1所示）的基础上发明的。

第一节慧鱼组合模型的特点

慧鱼创意组合模型的主要部件采用优质尼龙塑胶制造，尺寸精确，不易磨损，可以保证反复拆装的同时不影响模型结合的精确度；构件的工业燕尾槽专利设计使六面都可拼接，独特的设计可实现随心所欲的组合和扩充。

图3.1六面拼接体

慧鱼创意组合模型主要有组合包、培训模型、工业模型三大系列，涵盖了机械、电子、控制、气动、汽车技术、能源技术和机器人技术等领域和高新学科，利用工业标准的基本构件（机械元件/电气元件/气动元件），辅以传感器、控制器、执行器和软件的配合，运用设计构思和实验分析，可以实现任何技术过程的还原，更可以实现工业生产和大型机械设备操作的模拟，从而为实验教学、科研创新和生产流水线可行性论证提供了可能，世界知名的德国西门子、德国宝马、美国IBM等一大批著名公司都采用慧鱼模型来论证生产流水线。

第二节慧鱼组合模型的机械构件

机械构件主要用于固定和连接，是制作慧鱼组合模型的最基础最常用的零部件。

一、柱

柱类构件主要用于固定支撑和实体的搭建，可以从六个面进行组装。

如下图3.2所示：

二、板

板类构件的一侧具有光滑的平面，用于制作平台和外体装饰。

如下图3.3所示：

三、轮

轮类构件有圆形的轮廓，主要用于模型滚动部分，可以作为滑轮、轮毂和轮胎等部分的组件。

如下图3.4所示：

四、轴

轴类构件主要用于连接各种运动部件，如滑轮、齿轮、轮毂等。

主体结构通常是横截面为圆形的细长杆，在慧鱼组合模型中根据其长度进行划分。

此外有一种一端固定有小齿轮的细长轴，通常与电机成套使用。

如下图3.5所示：

图3.5轴类构件

五、轴套

轴套类构件主要是套在轴上，用来固定轴上零件。

在慧鱼构件中，还有一种轴套，与其他零件配套使用，通过旋转扭紧在轴上，防止其打滑。

如下图3.6所示：

六、齿轮

齿轮类构件主要用于机械传动部分，可以通过同模数不同的直径的齿轮来改变传动速度和方向。

如下图3.7所示：

七、链条和履带

图3.7齿轮类构件

链条由链节连接而成，在链条上安装履带板后，就成为履带。

链轮可以用齿轮代替。

图3.8链条和履带

八、孔条

孔条类构件是一种中间均匀分布有装备孔的条状构件，可以用来连接杆件，也可以在负载较轻时分担柱的工作。

如下图3.9所示

九、连接件

连接件在模型制作中起链接作用，连接不同的慧鱼构件。

有的个体较小，有的有不同长

度，用来实现机构的连接，如各类连杆机构，或用来稳固结构。

如上图3.10所示：

由于慧鱼构件种类繁多，外观各异，在此不一一列举。

第三节主要电气类零件

常见电气原件主要有直流电机（9V双向）、电脑接口板、各种传感器（光敏、温度、距离等）、电磁气阀、红外发射接收装置、扩展板等。

各类电气原件将在相应章节详细介绍。

第四节软件开发控制环境

接口板接到计算机后，必须通过软件来实现对模型的控制。

慧鱼公司提供的控制软件有LLWin和ROBOPro两种，除此之外，还可以使用自行开发的动态连接库，通过高级语言编写程序，调用相关函数，实现对模型的控制。

在本次设计中采用ROBOPro控制软件。

ROBOPro模块化图形化编程语言软件简洁、直观、易懂。

用ROBOPro编写的程序同其他程序相比最大的优点就是其编程比较形象化，能够让人一目了然。

一般软件都是运用命令来编程的，由于语言命令多且不易记忆等语言本身存在的复杂性因素，使人们在编程的过程中容易出错，而运用ROBOPro模块化编程语言进行编程可克服上述缺点。

图3.11ROBOPRO模块化编程界面

第四章地震避难床机械传动系统设计

机械传动系统主要利用电机、齿轮和链条的配合实现各个部分的功能，如传动方向和速度的改变。

在本系统中，由床板的竖直传动部分、履带挡板的传动部分以及简单的逃生门部分组成。

第一节床板竖直传动部分设计

床板的竖直运动的目的是将躺在床板上的避难者及时送至安全的避难舱中，减少上方坠落物造成的人身伤害。

实物图如图4.1所示。

在此传动设计中采用一个直流电机M2将力矩通过大齿轮1传动到位于水平轴上的小齿轮1，然后带动同一根轴上的丝杠1，再通过丝杠传动到位于竖直轴上的小齿轮2，实现丝杠2的运动从而带动床板运动。

通过改变电机M2的旋转方向和速度，即可实现对床板的上下运动过程的控制。

齿轮传动方式实现既定的设计要求有以下优点：

1.效率高。

在常见的机械传动中，以齿轮传动效率最高。

如一级圆柱齿轮传动的效率高达99%，在本次床板的竖直传动部分设计中，第一级即采用此种设计，提高了经济效益

2.结构紧凑。

在同等使用条件下，齿轮传动所需空间较小。

在本次设计中可以最大程度节省床体的空间，使布置更加合理。

3.传动比稳定。

由于齿轮本身特殊的结构，可以使传动更加稳定。

在本次设计中考虑到避难者的舒适性和实用性问题故采用以上方案。

第二节履带挡板传动部分设计

图4.2履带挡板传动部分设计

履带挡板的主要功能是对床板下降后的上方真空区进行填补，防止落物砸入避难舱，危及避难者的人身安全。

实物图如图4.2所示。

在传动部分设计中，主要用到链传动。

通过安装在避难舱外侧的两个直流电机M1、M3带动履带挡板。

以其中一侧电机M1为例，当电机M1开始转动，链传动中从齿轮2运动，带动齿轮3运转从而带动履带。

在水平分布的四根轴中，分列床体的每个边角，即左上角、左下角、右上角和右下角。

分布在左右两侧的电机分别带动左下角和右下角的两个水平轴。

每个水平轴两端各有一个齿轮，共四组八个齿轮。

四个齿轮为一组，有一根履带，在两条履带跨接一个挡板。

挡板由若干个细长条组成，挡板的位置在未发生地震时位于避难舱下方，地震时传动到避难舱上方。

这种设计可以充分的节省材料。

在履带挡板传动设计中，主要运用的链传动。

通过电机M1、M3带动链传动来传递动力。

与摩擦型带传动相比，链传动无弹性滑动和整体打滑现象，因而能保持准确的平均传动比，传动效率较高。

与齿轮传动相比，链传动制造和安装进度较低，尤其是在远距离传动时，结构比齿轮传动轻便。

尤其在本次履带挡板传动设计中，两根水平轴相距较远的情况下，故在此设计中主要采用链传动的方式。

第三节逃生门部分设计

图4.3逃生门部分设计

逃生门设计要实现的功能是方便避难者快速离开避难舱。

设计采用两门设计，连接处采用类似于铰链的设计方法，用两组铰链来连接单扇逃生门。

铰链形状参照图4.2。

此铰链是固定式铰链，开合角度为180°图4.3中红色圈出的即为四个铰链所在的位置，黄色边框所代表的即为两扇逃生门，还有一对逃生门位于其背面。

逃生门的设计很简便易于实现，主要考虑到地震时能够方便打开，快速进出的设计目标出发。

两组逃生门最大限度的利用床体的侧面空间。

第四节整体设计实物图

在完成三个重要的机械传动部分设计后，接下来便是地震避难床的外围部分搭接和加固工作。

利用慧鱼组合模型的柱类构件、板类构件以及连接件将整个实物搭接完善。

防止不必要的零件错位，特别是各个机械传动部分，锁死加固后保证个系统运行的准确啮合。

下图4.4，图4.5就是最终的慧鱼组合模型的实物图：

图4.5地震避难床左视图

图4.4地震避难床正视图

第五章地震避难床电气控制系统设计

电气控制系统主要通过各类传感器和接口板组成的电路以及软件驱动控制系统相结合控制各个机械运动。

第一节电气控制系统中主要电气元件简介

在地震避难床的设计中主要用到的电气元件有：

直流电机（9v双向），光敏传感器，磁敏传感器，发光和发声器件、微动开关（行程开关）和ROBO接口板。

一、ROBO接口板

（一）ROBO接口板简介

ROBO接口板使用9V直流电源供电或8.4V可充电电池组。

自带三菱30245系列，16位微处理器，该接口板自带128KBRAM，128KBFlashROM，可以下载并存储控制程序。

FlashROM上可存储2个控制程序，RAM上可存储1个控制程序。

FlashROM上存储的程序在断电后不会丢失，RAM上程序则不然。

ROBO接口板通过计算机的USB端口或串口进行通讯，也可以使用红外线遥控器进行控制，通过接口板的“Port”按钮，可以在自动、USB、串口、红外线遥控等几种接口模式中切换。

通过线缆最多可以与3块ROBO扩展板实现级联，扩展所使用的传感器和电动机数量。

（二）ROBO接口板接口介绍

接口板接口结构如图5.1所示：

1.DC插口。

用慧鱼9V电源适配器连到DC插口，电源连通之后，电源指示LED自动点亮而且两个绿色的LED交替闪烁，表明接口板可以正常工作。

2.输出M1-M4或者O1-O8。

可连接四个9V直流马达（向前，向后，停止，八级调速），连续运行电流250毫安，带短路保护；另外也可以连接8个灯或者蜂鸣器到单个的输出O1-O8。

（用电器的另一端可连接到接地端）。

3.数字量输入I1-I8。

电压范围9伏，ON/OFF的切换电压值为2.6伏，输入阻抗为10K欧。

接口板的I1~I8接口用于连接数字信号传感器，比如微动开关、光电传感器和磁