摘要：近年来世界各国都有不同程度和类型的自然灾害，本着以人为本的设计理念，设计此套抢险救援组合器械应用于抢险救灾。使灾后的救援工作进行的速率大大提高。

    关键词：抢险救援；组合器械；应用

    近年来世界各国都有不同程度和类型的自然灾害，科学技术的高速发展使灾后的救援工作进行的速率大大提高，但依然存在长时间的救助不到，导致遇难者在没能及时被救助的情况下丧失生命，留下遗憾。据了解汶川地震中有69227人遇难，其中除被倒塌的房屋直接致命的遇难者外，大多数遇难者是等不到救援条件而放弃了生命。在矿难中，遇难者被埋在地下，只能利用狭小的缝隙与地面联系，救援人员能看到伤者却无法及时撤出，而救援的条件需要慢慢等，慢慢创造，在各种恶劣条件下，很多人因为缺水、缺食物、缺氧气、救治不及时而丧失了生命。 为此，本着以人为本的设计理念，设计此套抢险救援组合器械应用于抢险救灾。

    一、研究目的及内容

    设计该套机械装置，机电结合，模块结构。夹持迅速，灵活多变，携带运输方便。适用范围：人员不便接近的危险地方，狭窄空间，具有传递工具、 水下打捞等功能(地震、火灾、水灾、矿难等)。在各种突发灾难或危险事故发生时，人不能接近的危险区域或人手够不到的地方，能够代替人手及时为遇难者递送物品或抢救重要物资， 适应各种场合，甚至在不能及时救出伤者的情况下，能够维持其生命，等待救援。

    1.作品简介

    该作品采用机电结合、组合模块结构。组合容易，操作简单，快捷适用。适用于地震、火灾、水灾、矿难等各种突发灾难或危险事故以及日常应用范围。

    2.作品构成

    作品由夹持手、剪刀手等多组模块、机械臂、传动机构等构成。

    二、方案设计

    1. 机械手收放功能

    为使机械手能够实现夹取物体，自动放开功能，采用曲柄连杆结构，并利用弹簧的控制运动功能使机械手张开。

    2.机械手角度调节

    机械手完全模拟人手的旋转角度，机械手指尖部位可随物体重心进行自由的左右变换，机械腕可90度调节。

    3.距离长度调节

    为适应不同距离的操作，设计为可调节的伸缩管结构。伸缩管可根据实际需要加长。

    4.模块化设计

    为实现不同功能，设计采用模块化的多组功能件组成，均设计成相同规格接头与伸缩杆连接。如剪刀手模块，夹持手模块等。

    5.实现灵活、便携

    在机械臂后方安装背带，不限制使用场所，以适应不同环境，自由调节方向，实现灵活性。选择较轻的铝合金材质，韧性高，耐腐蚀性好。整套装置可拆卸放在工具箱内，起到便携特性。

    6.操作设计

    采用涡轮蜗杆设计，控制机械手开合，实现轻松传动。可根据不同情况选择手动或电机传动两种方案。手柄转动：适用于要求精密度高，操作轻的危险作业，如排爆等。电机传动：独特的机电一体化设计，使操作变得更加快捷简单。

    7.附件添加

    机械臂前端配备连接设备，可添加照明装置和扬声器，方便救援人员了解、观察伤者情况，也可将氧气管或其他救援器械递给被困伤者，在不能及时救出伤者情况下为其提供自救设备。救援的同时也可辅助其他救援设备进行救助

    三、方案研制

    1.传动方案

    本组合由原动机、传动装置、伸缩装置和工作装置组成。传动装置是用来传递原动机的动力和运动、变换其运动形式以满足工作装置的需要，是本组合的重要组成部分，传动装置是否合理直接影响本器械的工作性能、重量等。合理的传动方案除满足工作装置的功能外，还要求结构简单，操作方便，传动效率高和维护容易。本组合的原动机是电机，工作装置是机械手，传动装置采用一级传动，即蜗杆传动。蜗杆传动是由蜗杆和蜗轮组成，常用于传递交错角为90度的两交错轴之间的运动和动力，具有传动比大、传动平稳、结构紧凑和操作简单等优点，适合本组合的传动要求，因此选用蜗杆传动。

    2.机械方案

    (1)弹簧的设计估计弹簧钢丝直径d=D2/C=1.16mm

    补偿系数K=1+1.45/c=1.12

    弹簧钢丝σB= 2800MPa

    许用剪应力[τ] = 0.5σB= 1400MPa计算钢丝直径d′≥1.6

    (2)机械臂的设计铝合金的许用应力[σ] = 195MPa，由于许用应力和弯矩不变，所以在不同长度所能承受的最大压力不同；由于是伸缩杆，另一杆在此杆内部，所以R=d= 34mm， 同种材料的直管，厚度也相等，r= 28mm。

    经实验验证：在2-5米时可承受20公斤的重物；在5-8米时可承受10公斤的重物，8米以上时建议重物不要超过5公斤。

    (3) 蜗轮蜗杆的设计

    蜗轮选材ZCuSn5Pb5Zn5，砂型铸造，蜗杆选用20CrMnTi，心部调质，表面渗碳淬火硬度≥HRC45。查表得，[σ]′=125MPa 转速n= 600r/min，工作10年，每年工作300天，一天16小时，受力Ft1= 100N，λ=40。

    选择蜗杆头数，确定转速和扭矩，疲劳强度计算，剪刀的设计。

    (4)剪刀的设计

    通过对普通的剪刀进行改装，剪刀手选择特殊的弯钩形状，可迅速定位方便剪断。剪刀手放松时，刀刃部分隐藏，不会造成误伤。经实验验证：剪刀可剪小于8号线家用电线。

    (5)零件的设计

    各部元件已实现了标准化和通用化，使用和维护都比较方便。机械手部位的模块化设计，可以实现多种不同的功能。既保证了实用性，又保证了携带方便的特性。

    (6)电机的选择

    由于手动操作蜗杆装置精度高，操作简便，但速度较慢，在紧急情况下，应用电机会提高传动速率，提高工作效率。选用充电式电机，方便携带。电池电压：72伏—14伏可选；无负载旋转数：0-280/480/分钟；最大锁定扭矩17.6牛顿·米(156英寸-磅)；离合扭矩设定： 22级1.0-5.9牛顿·米(9-52英寸-磅)；全长：220公厘(8-21/32英寸)；操作容易的正、反转切换按钮；可逆转，可变速；标准附件：电池(FEB9S)，充电器UC9SD)，批头。

    (7)工作原理

    利用了曲柄连杆和机电传动机构使机械手的往复闭合，实现对物体的抓取、递送。利用杠杆原理实现剪刀的闭合功能、蜗轮蜗杆的传动功能。通过简单的机电传动进行一系列人本身不能实现的送给物品的过程。在各种突发灾难或危险事故发生时，人不能接近的危险区域或人手够不到的地方，能够代替人手及时为遇难者递送物品或抢救重要物资，装置小巧，方便携带，适合于各种类似场合，甚至在不能及时救出伤者的情况下，能够维持其生命，等待救援。当施救人员摇动蜗杆传动装置的摇杆或利用电机，收紧拉线，使机械手收紧抓紧物品，到达遇难者位置，放松拉线时，机械手张开，放下物品，将机械手取出。

    四、技术难点

    1.机械手多角度变换

    机械指部位采用特殊设计，可随物体的重心在一定范围内自动进行左右调节，其设计完全模拟人手的左右旋转角度。机械腕部位采用插销定位，两个传动滑轮定向，实现90度变换。

    2.创新点

    可配备多组模块，可全方位多角度调整。机电结合。具有操作简单、夹持迅速、携带方便等特点。在实践中，抢险救援组合器械得到了应用。在各种劣条件下，很多人缺水、缺食物、缺氧气，救援人员应用抢险救援组合器械及时把伤者救出，延续生命。