畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）-履帶式消防機(jī)器人設(shè)計(jì)

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1、發(fā)射點(diǎn)犯得上 履帶式消防機(jī)器人設(shè)計(jì) 摘要 隨著科技的發(fā)展，時(shí)代的進(jìn)步，各種化工廠等有易燃易爆物品的工廠和家中電器產(chǎn)品的爆炸式增長(zhǎng)，火災(zāi)的發(fā)生次數(shù)也隨著易燃易爆物品和電器設(shè)備的增加而增長(zhǎng)。火災(zāi)的危害十分嚴(yán)峻，且消防人員進(jìn)入火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)所承擔(dān)的風(fēng)險(xiǎn)也不容小覷。在科技愈加發(fā)達(dá)昌盛的今天，由機(jī)器人代替消防員進(jìn)入火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行滅火和救援的方式的可行性和必要性也越來(lái)越突顯出來(lái)。防機(jī)器人能夠?qū)⒒馂?zāi)現(xiàn)場(chǎng)的損耗將至最低，沒(méi)有任何財(cái)產(chǎn)比生命更為重要，消防人員的生命能夠得到重要的保障。同時(shí)消防機(jī)器人的執(zhí)行任務(wù)的效率也高于消防人員的執(zhí)行

2、效率，在一氧化碳高濃度且氧氣稀缺的環(huán)境下，人員的進(jìn)入極其危險(xiǎn)，高溫下人員也無(wú)法進(jìn)入，然而消防機(jī)器人卻能夠在這樣的火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)安全的完成消防任務(wù)，就算損壞，也無(wú)人員傷亡，能夠?qū)鰧⒅磷畹汀Ｔ诨馂?zāi)現(xiàn)場(chǎng)，消防機(jī)器人能發(fā)揮出自己的最大的優(yōu)勢(shì)。由此可看出設(shè)計(jì)消防機(jī)器人的必要性。基于以上原因本文研究設(shè)計(jì)了一款全方位履帶式消防機(jī)器人，該機(jī)器人采用履帶作為行走機(jī)構(gòu)，可全方位移動(dòng)，使用無(wú)刷直流電機(jī)提供較大的驅(qū)動(dòng)力，可以在火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行攀爬與越障。并設(shè)由超聲波避障模塊，能在火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行避障，且設(shè)有藍(lán)牙通訊模塊方便對(duì)機(jī)器人進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。其上方置有電控消防水炮，進(jìn)行小范圍的滅火行動(dòng)。內(nèi)置鉛酸蓄電池可移動(dòng)電源，為消防機(jī)器人

3、續(xù)航。該設(shè)計(jì)可為消防人員在火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的救援滅火工作，提供極大的便利。 該論文有圖34幅，表9個(gè)，參考文獻(xiàn)35篇。 關(guān)鍵詞：消防機(jī)器人；全方位移動(dòng)；攀爬和越障分析；超聲波避障。 全套圖紙加扣 3346389411或3012250582 I Abstract With the development of science and technology and the progress of the times, the explosive growth of all kinds of chemical plants and other factories with inf

4、lammable and explosive goods and electrical products in the home, the number of fires also increases with the increase of inflammable and explosive goods and electrical equipment. The danger of fire is very serious, and the risk that firefighters take when entering the fire scene cannot be underesti

5、mated. In today's increasingly developed and prosperous technology, the feasibility and necessity of using robots to replace firefighters to enter the fire scene for fire fighting and rescue are becoming more and more prominent. Anti-robot can minimize the loss of fire scene. No property is more imp

6、ortant than life, and the life of firefighters can be guaranteed. At the same time, the efficiency of the fire-fighting robot is also higher than that of the fire-fighting personnel. In the environment with high carbon monoxide concentration and scarce oxygen, the entry of personnel is extremely dan

7、gerous, and personnel cannot enter under high temperature. However, the fire-fighting robot can safely complete the fire-fighting task in such a fire scene, even if it is damaged, there is no casualties, and the casualties can be minimized. At the scene of the fire, fire fighting robots can give ful

8、l play to their greatest advantages.From the above, we can see the necessity of designing fire fighting robots. Based on the above reasons, this paper studies and designs an omni-directional crawler-type fire fighting robot, which uses crawler as a walking mechanism, can move in all directions, uses

9、 brushless DC motor to provide larger driving force, and can climb and surmount obstacles in the fire scene. An ultrasonic obstacle avoidance module is also arranged, which can avoid obstacles at the fire scene, and an electric control fire monitor is arranged above the module to carry out small-sca

10、le fire extinguishing operations. The built-in lead-acid battery can be used as a movable power supply for the fire fighting robot. The design can provide great convenience for firefighters to rescue and extinguish the fire at the scene of the fire. This paper has 31 pictures, 9 tables and 35 refe

11、rences. Key words: Fire Fighting Robot; All-direction Movement; Climbing and Obstacle Crossing Analysis; Ultrasonic Obstacle Avoidanc. II 目錄 摘要 Ⅰ 目錄 Ⅲ 1 緒論 1 1.1課題研究背景以及意義 1 1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀與趨勢(shì) 3 1.3本課題主要目標(biāo)以及主要研究?jī)?nèi)容 6 1.4本章小結(jié) 7 2 全方位履帶式消防機(jī)器人總體設(shè)計(jì) 8 2.1全方位履帶式消防機(jī)器人功能要求 8 2.2全方位履帶式消防機(jī)器人技術(shù)性指標(biāo) 8

12、2.3全方位履帶式消防機(jī)器人系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 9 2.4本章小結(jié)(Summary of This Chapter) 12 3 履帶式消防機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 13 3.1底盤行走結(jié)構(gòu)以及箱體設(shè)計(jì) 13 3.2防爆密封設(shè)計(jì) 15 3.3動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì) 16 3.4消防系統(tǒng)設(shè)計(jì) 29 3.5本章小結(jié) 31 4 履帶式消防機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 32 4.1控制芯片的選型 32 4.2控制芯片的電路設(shè)計(jì) 32 4.3控制模塊的選型與其電路設(shè)計(jì) 34 4.4驅(qū)動(dòng)模塊的選型與驅(qū)動(dòng)模塊電路的設(shè)計(jì) 37 4.5本章小結(jié) 39 5 總結(jié)與展望 40 參考文獻(xiàn) 41 翻譯部分 43 經(jīng)

13、濟(jì)性分析...............................................................................................................................59 Contents Abstract Ⅰ Contents................................................................................................................................

14、........... Ⅲ 1 Introduction 1 1.1 Background and Significanc 1 1.2 Research Status and Development Trend at Home and Abord 2 1.3 The Main Content and Object of Study 6 1.4 Summary of This Chapter 7 2 General Design of All-direction Crawler Fire Fighting Robot 8 2.1 The Function Requirements

15、of All-direction Crawler Fire Fighting Robot 8 2.2 The Technical Parameters of All-direction Crawler Fire Fighting Robot 8 2.3 General Design Scheme of All-direction Crawler Fire Fighting Robot 9 2.4 Summary of This Chapter 12 3 Mechanical Design of All-direction Crawler Fire Fighting Robot 13

16、3.1 Chassis Walking Structure and System Design 13 3.2 Explosion Protection and Seal design 15 3.3 Dynamic System Design 16 3.4 Fire Extinguisher System Design 29 3.5 Summary of This Chapter 31 4 Control Design of All-direction Crawler Fire Fighting Robot 32 4.1 Selection of Control Chip 32 4

17、.2 Circuit Design of Control Chip 32 4.3 Selection of Control Module and Circuit Design 34 4.4 Selection of Driver Module and Design of Driver Module Circuit 37 4.5 Summary of This Chapter 39 5 Summary and Prospect 40 Referene 41 Charpt of Translation 43 Economic Analysis.....................

18、.......................................................................................................60 V Error! No text of specified style in document.發(fā)射點(diǎn)犯得上 1 緒論 1 緒論 1 Introduction 1.1課題研究背景以及意義（Background and Significance） 各種災(zāi)害中，火災(zāi)是其中不可忽視的一種。隨著科技的發(fā)展，時(shí)代的進(jìn)步，各種化工廠等有易燃易爆物品的工廠和

19、家中電器產(chǎn)品的爆炸式增長(zhǎng)，火災(zāi)的發(fā)生次數(shù)也隨著易燃易爆物品和電器設(shè)備的增加而增長(zhǎng)。 據(jù)國(guó)內(nèi)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，近十年來(lái)火災(zāi)發(fā)生次數(shù)約為180萬(wàn)余起，而在這近十年因火災(zāi)而犧牲的英勇的消防員高達(dá)300余人，因火災(zāi)而導(dǎo)致受傷或者殘疾的或輕傷或重傷的消防員總共有900余人。這是一個(gè)不可忽視而殘酷的事實(shí)。消防員進(jìn)入火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)是一件十分危險(xiǎn)的事情，消防人員進(jìn)入火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)，要在高溫、缺氧、有毒氣體等復(fù)雜混亂環(huán)境下展開火災(zāi)救援的工作，進(jìn)入火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)本身就是對(duì)消防人員的一個(gè)巨大而艱難高風(fēng)險(xiǎn)的挑戰(zhàn)，由于火災(zāi)內(nèi)部環(huán)境的不穩(wěn)定，有可能會(huì)發(fā)生二次爆炸或坍塌等危險(xiǎn)事件，這會(huì)對(duì)消防員造成巨大的威脅，并可能英勇犧牲，從而增加更多的人員傷

20、亡，并造成更多的財(cái)產(chǎn)損失。 火災(zāi)造成消防員傷亡的原因由多種因素造成：1、消防員始終是人，人都會(huì)有犯錯(cuò)的時(shí)候，在這種容錯(cuò)率極地的火災(zāi)災(zāi)區(qū)，消防人員就算經(jīng)過(guò)再嚴(yán)厲在萬(wàn)無(wú)一失的訓(xùn)練，只要稍有疏忽就可能對(duì)自己的生命造成威脅，對(duì)整個(gè)火災(zāi)環(huán)境造成再一次的不利影響，這樣的損失很難讓人接受。2、消防員所攜帶的消防設(shè)備是否齊全，消防部門所準(zhǔn)備的計(jì)劃是否精密等，都是至關(guān)重要的因素。由于火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境大有不同，大到化工廠，小到家庭居所，不同場(chǎng)所自然有不同的設(shè)備需求和計(jì)劃方針。由于火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境過(guò)于復(fù)雜和混亂而消防人員的準(zhǔn)備時(shí)間有限，故容易由于消防員準(zhǔn)備不足或計(jì)劃不周全等原因?qū)е孪廊藛T的傷亡。如下圖為國(guó)內(nèi)火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)

21、。 圖1.1貴州侗寨火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng) 圖1.2烏魯木齊批發(fā)市場(chǎng)火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng) Figure. 1.1 fire scene of dong village in Guizhou Figure. 1.2 Fire Site of Urumqi Wholesale Market 2019年4月15日，法國(guó)巴黎圣母院發(fā)生火災(zāi)，火勢(shì)十分嚴(yán)峻，著火位置位于圣母院樓塔頂部，直至第二日凌晨，消防員才將其徹底撲滅。在該場(chǎng)火災(zāi)中，政府派出來(lái)最新的消防系統(tǒng)消防機(jī)器人來(lái)完成撲滅巴黎圣母院大火這項(xiàng)工作，這因?yàn)橛邢罊C(jī)器人的存在才能在最短的

22、時(shí)間下?lián)錅绱蠡?，保護(hù)世界文化財(cái)產(chǎn)，并減少人員的傷亡。在此次火災(zāi)中僅有兩名警察和一名消防隊(duì)員受輕傷，這應(yīng)該得益于消防機(jī)器人的應(yīng)用，它能夠在最短時(shí)間內(nèi)撲滅火勢(shì)、通過(guò)攝像頭有來(lái)觀察火災(zāi)區(qū)域內(nèi)情況、為消防隊(duì)員提供幫助，運(yùn)輸消防設(shè)備等。如圖1.3所示為巴黎圣母院消防隊(duì)員使用消防機(jī)器人的場(chǎng)景。 圖1.3參與圣母院救援的消防機(jī)器人 Figure 1.3 Fire Fighting Robot Participating in Notre Dame Rescue 由上面的火災(zāi)事件可以看出，火災(zāi)的危害十分嚴(yán)峻，且消防人員進(jìn)入火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)所承擔(dān)的風(fēng)險(xiǎn)也不容小覷。在科技

23、愈加發(fā)達(dá)昌盛的今天，由機(jī)器人代替消防員進(jìn)入火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行滅火和救援的方式的可行性和必要性也越來(lái)越突顯出來(lái)。 消防機(jī)器人能夠?qū)⒒馂?zāi)現(xiàn)場(chǎng)的損耗將至最低，沒(méi)有任何財(cái)產(chǎn)比生命更為重要，消防人員的生命能夠得到重要的保障。同時(shí)消防機(jī)器人的執(zhí)行任務(wù)的效率也高于消防人員的執(zhí)行效率，在一氧化碳高濃度且氧氣稀缺的環(huán)境下，人員的進(jìn)入極其危險(xiǎn)，高溫下人員也無(wú)法進(jìn)入，然而消防機(jī)器人卻能夠在這樣的火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)安全的完成消防任務(wù)，就算損壞，也無(wú)人員傷亡，能夠?qū)鰧⒅磷畹汀Ｔ诨馂?zāi)現(xiàn)場(chǎng)，消防機(jī)器人能發(fā)揮出自己的最大的優(yōu)勢(shì)。 消防機(jī)器人在火災(zāi)援救傷員，撲滅火勢(shì)等可以有極好的表現(xiàn)。消防機(jī)器人能夠在易燃、易爆場(chǎng)的災(zāi)區(qū)執(zhí)行消防人員下達(dá)

24、的任務(wù)。能夠潛入狹小的空間對(duì)受災(zāi)人群采取救援行動(dòng)，還可以幫助消防人員拾取火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的危險(xiǎn)物品和殘?jiān)珨啾诘?。除非消防機(jī)器人受到嚴(yán)重的損傷，否側(cè)就會(huì)一直執(zhí)行消防人員對(duì)它所下達(dá)的任務(wù)以及命令。 我國(guó)目前消防機(jī)器人的研究與制造還有很大的發(fā)展空間，與世界前沿的高端科技也尚有差距。消防機(jī)器人的成功應(yīng)用以及發(fā)展，會(huì)極大的提升中國(guó)消防部門救援火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)、撲滅猛烈火勢(shì)、加快處理火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)急能力，降低發(fā)生火災(zāi)地區(qū)的人民和政府的財(cái)政損失，減少甚至能夠避免消防人員的傷亡人數(shù)并且將災(zāi)區(qū)人員的傷亡將至最低。而且，隨著對(duì)消防機(jī)器人的開發(fā)以及制造越來(lái)越深入，勢(shì)必對(duì)我國(guó)的科研發(fā)展如機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制方面也將有巨大的幫助。 1.2

25、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀與趨勢(shì)(Research Status and Development Trend at Home and Abord) 1.2.1消防機(jī)器人研究現(xiàn)狀 在全球環(huán)境下，最早開始消防機(jī)器人各系統(tǒng)的研究的是美國(guó)和蘇聯(lián)，緊隨其后的是日本，英國(guó)、德國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家進(jìn)行了有關(guān)消防機(jī)器人的研發(fā)。消防機(jī)器人移動(dòng)系統(tǒng)照運(yùn)動(dòng)方法進(jìn)行分類一般可以分類：輪式、履帶式以及履帶輪式、腿式等其他形式。其中對(duì)于履帶式消防機(jī)器人的研究和作用十分寬泛。 現(xiàn)在對(duì)于消防機(jī)器人的大體發(fā)展可分為兩個(gè)方面：1、遠(yuǎn)程操控進(jìn)行火場(chǎng)滅火和現(xiàn)場(chǎng)對(duì)人員進(jìn)行救援的實(shí)現(xiàn)。2、消防機(jī)器人智能化如自主避障，自動(dòng)識(shí)別火源等的實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)今，大部分

26、消防機(jī)器人的研究人員都在從事這兩個(gè)方面的研究開發(fā)。 1.2.2消防機(jī)器人國(guó)外研究現(xiàn)狀 在國(guó)外，最早開始消防機(jī)器人各系統(tǒng)的研究的是美國(guó)和蘇聯(lián)，緊隨其后的是日本，英國(guó)、德國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家進(jìn)行了有關(guān)消防機(jī)器人的研發(fā)?，F(xiàn)今，已有各種不同類型的消防機(jī)器人被研究開發(fā)并投入全球市場(chǎng)。 諸多發(fā)達(dá)國(guó)家里，日本因?yàn)槌鞘袚頂D火災(zāi)發(fā)生后造成的后果十分嚴(yán)重，財(cái)產(chǎn)也將嚴(yán)重?fù)p失，所以對(duì)于消防機(jī)器人的研究比較透徹，且日本機(jī)器人技術(shù)較為發(fā)達(dá)，早期就把消防機(jī)器人運(yùn)用在了火災(zāi)場(chǎng)地上。目前，日本東北大學(xué)的田教授等開發(fā)制作了名為龍型消防員的機(jī)器人，如圖1.3所示。此機(jī)器人能夠停留在高處展開撲火作業(yè)，能夠伸進(jìn)消防人員難以救援的火場(chǎng)，并

27、且大幅度降低機(jī)器人與現(xiàn)場(chǎng)火勢(shì)的實(shí)際距離，能夠有效的提高龍型機(jī)器人的有效壽命。機(jī)器人龍型消防員配置細(xì)長(zhǎng)管狀裝置，長(zhǎng)約3m，機(jī)器人前面和中間有噴口，機(jī)器人能通過(guò)水管噴射的力量使自身漂浮在空中。同時(shí)機(jī)器人還能對(duì)火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的情況進(jìn)行觀察以及監(jiān)測(cè)，該機(jī)器人前面裝配了兩種攝像頭分別探測(cè)火源，能夠遠(yuǎn)程操作機(jī)器人進(jìn)行滅火并且查看火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的情況針對(duì)火災(zāi)不同情對(duì)不同情況的火情采取不同的滅火方案。 圖1.4 龍型消防員機(jī)器人 Figure 1.4 Dragon Fireman Robot 日本東北大學(xué)機(jī)器人團(tuán)隊(duì)不僅開發(fā)了龍型消防員機(jī)器人還推出了

28、名叫蛇型機(jī)器人的消防機(jī)器人，如圖1.4所示，此機(jī)器人裝備半徑2.5cm的軟性水管，長(zhǎng)約8m，出奇的是該機(jī)器人的重量十分的輕，只有20KG。此機(jī)器人使用表層的尼龍細(xì)毛進(jìn)行振動(dòng)以滿足緩緩前行的需求。機(jī)器人前面去裝置向下噴射氣體，能夠讓機(jī)器人整體上升30cm，機(jī)器人前方還設(shè)置了攝像頭，用在火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行搜救。當(dāng)然這代消防機(jī)器人也有不足之處，由于升高高度有限，該機(jī)器人對(duì)于較高的障礙物有無(wú)法越過(guò)的問(wèn)題。 圖1.5 日本蛇型消防機(jī)器人 Figure 1.5 Japanese Snake Fire Robot 蛇型機(jī)器人在挪威的科學(xué)界同樣研究有所進(jìn)展，在仿生學(xué)

29、的基礎(chǔ)上，挪威科學(xué)家開發(fā)研制出了一款蛇型機(jī)器人，如圖1.5所示。該機(jī)器人自重80KG,長(zhǎng)度比上文中的日本所研究的蛇型機(jī)器人要短，約3m。在其后面與消防水炮進(jìn)行連接，對(duì)火災(zāi)區(qū)進(jìn)行滅火。其身體上裝有多個(gè)液壓裝置，用于傳動(dòng)，使機(jī)器人能夠精密移動(dòng)，減少誤差，使機(jī)器人能夠在全方位進(jìn)行移動(dòng)，能夠智能規(guī)劃前進(jìn)路線，避開火災(zāi)內(nèi)的障礙物，進(jìn)入狹小的火災(zāi)空間進(jìn)行觀測(cè)，提高火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的救援效率，減少火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)人員的傷亡，在第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)傷員，并拯救傷員，完成救援工作。 圖1.6 挪威蛇型消防機(jī)器人 Figure 1.6 Norwegian Snake Fire Robo

30、t 美國(guó)一所消防公司開發(fā)了Thesmrth T2的遠(yuǎn)程遙控的消防機(jī)器人運(yùn)用履帶式作為行走機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，通過(guò)15KW柴油機(jī)傳遞扭矩以及動(dòng)力，機(jī)身上裝備有高清攝像機(jī)能實(shí)時(shí)觀察火災(zāi)內(nèi)部環(huán)境情況。機(jī)器人帶著管子，由箱體個(gè)個(gè)方面的水炮撲滅火場(chǎng)火焰，每秒能噴射60L的滅火劑。由于該機(jī)器人的存在，消防人員無(wú)需進(jìn)入火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行滅火，能在遠(yuǎn)程指定滅火計(jì)劃，并讓消防機(jī)器人去執(zhí)行命令，完成滅火工作，在一些極其危險(xiǎn)的環(huán)境中，這樣的方式十分有效，并能減少消防人員的傷亡，如圖1.6所示。 圖1.7 美國(guó)科技公司所研發(fā)的履帶式消防機(jī)器人 Figure 1.7 Cra

31、wler Fire Fighting Robot Developed by American Technology Company 1.2.3消防機(jī)器人國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀 近幾年內(nèi)，我國(guó)的機(jī)器人相關(guān)方面技術(shù)有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，日新月異的進(jìn)步。消防機(jī)器人同樣也屬于機(jī)器人的隊(duì)列之中，在消防機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)如傳動(dòng)裝置懸掛裝置的升級(jí)，以及控制方面自動(dòng)避障，紅外識(shí)別火源等等。略有遺憾的是，國(guó)內(nèi)消防機(jī)器人應(yīng)用多處于初級(jí)階段，火場(chǎng)中的指揮與控制基本靠消防救援人員臨機(jī)應(yīng)變。人機(jī)協(xié)同化程度低下，各自為戰(zhàn)，與應(yīng)急指揮平臺(tái)也存在一定信息聯(lián)通、反饋的障礙誤區(qū)，且消防機(jī)器人僅在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的城市少量存儲(chǔ)。在應(yīng)用消防機(jī)器人

32、方面我國(guó)消防部門還需要時(shí)間去熟練和適應(yīng)。如下表格1.1為2017年國(guó)內(nèi)各地區(qū)購(gòu)買消防機(jī)器人情況。 表1.1各區(qū)域購(gòu)置消防機(jī)器人數(shù)量 購(gòu)置消防機(jī)器人的地區(qū) 華東 華南 華中 華北 西南 東北 西北 購(gòu)置消防機(jī)器人的數(shù)量 316 99 41 181 9 10 17 Table 1.1 Number of Fire Fighting Robots Purchased by District 目前國(guó)內(nèi)消防機(jī)器人技術(shù)方面較為成熟的是中信重工機(jī)械股份有限公司，其公司所生產(chǎn)的消防機(jī)器人中，RXR-M40D 消防滅火機(jī)器人銷售量高，具有很高的代

33、表性，如圖1.7所示。該機(jī)器人可適用消防車和市政消防水等多種供水系統(tǒng)；履帶采用外部耐高溫、阻燃橡膠，內(nèi)部全金屬骨架；獨(dú)立懸掛減震系統(tǒng)，抗沖擊性強(qiáng)；系統(tǒng)采用耐高溫設(shè)計(jì)，并自帶雙重水幕自噴淋降溫裝置；具有防水帶打結(jié)功能；遠(yuǎn)程控制消防炮回轉(zhuǎn)、俯仰、自動(dòng)掃射，多種噴射方式；高清無(wú)線圖傳系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控；采用先進(jìn)的無(wú)線通訊技術(shù)，通訊距離遠(yuǎn)，抗干擾性強(qiáng)；機(jī)動(dòng)性強(qiáng)，移動(dòng)速度快，速度可調(diào)；自動(dòng)發(fā)電、后坐力自動(dòng)抑制功能：機(jī)器人主電機(jī)采用發(fā)電制動(dòng)，在噴水滅火中將后坐力轉(zhuǎn)化為電能；主避障功能：避障系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別障礙物距離，靈敏度高，檢測(cè)距離遠(yuǎn)。 圖1.8

34、 RXR-M40D消防滅火機(jī)器人 Figure 1.8 RXR-M40D Fire Fighting Robot 該公司還有一款名叫RXR-C6BD 消防偵察機(jī)器人的消防機(jī)器人，如圖1.8所示，消防偵察機(jī)器人由機(jī)器人本體和手持遙控終端組成。主要用于各領(lǐng)域火災(zāi)事故偵察，尤其適用于石化、燃?xì)獾纫妆h(huán)境，對(duì)提高救援安全性、減少人員傷亡具有重要意義。 該消防機(jī)器人在如下幾個(gè)方面有著巨大的優(yōu)勢(shì)互聯(lián)網(wǎng)功能：1、網(wǎng)絡(luò)通訊功能強(qiáng)，可接入互聯(lián)網(wǎng)，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街笓]中心，為救援決策者提供可靠的決策依據(jù)；同時(shí)可與無(wú)人機(jī)配合,實(shí)現(xiàn)“三位一體”的消防指揮控制。2、遠(yuǎn)程診斷功能:通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)功能實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人遠(yuǎn)程診斷及故

35、障分析。3、環(huán)境探測(cè)功能;搭載環(huán)境探測(cè)傳感器，可自動(dòng)升降,實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)有毒、可燃?xì)怏w的檢測(cè)分析。4、圖像采集功能：采集現(xiàn)場(chǎng)圖像并實(shí)時(shí)上傳。5、熱眼檢測(cè)功能；通過(guò)紅外熱成像實(shí)現(xiàn)對(duì)熱源的檢測(cè)與跟蹤聲音采集功能:6、可實(shí)時(shí)采集現(xiàn)場(chǎng)聲音，便于了解受困人員情況。7、自主避障功能：避障系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別障礙物距離，靈敏度高，檢測(cè)距離遠(yuǎn)。 總體來(lái)看，相比較于國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家如美國(guó)，德國(guó)，日本等，我國(guó)國(guó)內(nèi)消防機(jī)器人系統(tǒng)水平還有很大的發(fā)展空間，整體消防機(jī)器人水平還處于起步階段。不過(guò)，我國(guó)的消防機(jī)器人以中信重工為代表的機(jī)械公司的科技技術(shù)正在以驚人的速度飛速發(fā)展。相信在不久的將來(lái)，我國(guó)消防系統(tǒng)將逐漸以消防機(jī)器人為主，構(gòu)造成完

36、善的消防體系，減少政府和人民的財(cái)產(chǎn)損失，盡量避免消防員的受傷和犧牲。與國(guó)際前沿高端科技聯(lián)手，有效利用國(guó)內(nèi)的大量?jī)?yōu)質(zhì)資源，進(jìn)一步深入消防機(jī)器人的專業(yè)知識(shí)領(lǐng)域。 1.3本課題主要目標(biāo)以及主要研究?jī)?nèi)容(The Main Content and Object of Study) 1.3.1主要研究目標(biāo) 本設(shè)計(jì)主要的研究目標(biāo)是為國(guó)內(nèi)消防系統(tǒng)，在現(xiàn)有的消防機(jī)器人的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出一種全方位履帶式消防機(jī)器人。此消防機(jī)器人能夠替代消防隊(duì)員進(jìn)入火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行偵察活動(dòng)，探測(cè)災(zāi)區(qū)內(nèi)環(huán)境，設(shè)計(jì)有防爆密封設(shè)計(jì)。機(jī)身上方裝有消防水炮，能在火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行小范圍的滅火行動(dòng)，能攀爬最高30°的斜坡行駛，具有強(qiáng)勁的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系

37、統(tǒng)，能夠識(shí)別障礙物并避開障礙物。機(jī)器人通過(guò)單獨(dú)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪進(jìn)行差速轉(zhuǎn)向，并裝置攝像頭，使其能在惡劣的火災(zāi)環(huán)境如濃煙，高溫，有毒氣體，復(fù)雜地形中完成消防隊(duì)員所布置的消防任務(wù)。研究全方位履帶式消防機(jī)器人對(duì)于我國(guó)消防體系有著不可或缺的重大意義，能夠有效的降低由火災(zāi)造成的政府、工廠或者家庭的財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡數(shù)，并推動(dòng)促進(jìn)消防機(jī)器人乃至大部分機(jī)器人在機(jī)械結(jié)構(gòu)或者是控制系統(tǒng)方面的發(fā)展。 1.3.2主要研究?jī)?nèi)容 全方位履帶式消防機(jī)器人就是本文中的主要研究?jī)?nèi)容，該機(jī)器人在惡劣的環(huán)境下進(jìn)行做行業(yè)，火災(zāi)環(huán)境中多數(shù)是處于高溫，有濃煙，氧氣匱乏，有毒氣體圍繞的環(huán)境。全方位履帶式消防機(jī)器人需要協(xié)助或者代

38、替消防人員進(jìn)入危險(xiǎn)的火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，并幫助消防人員進(jìn)行滅火作業(yè)或者運(yùn)輸必要的消防物資等。消防機(jī)器人需要較大的動(dòng)力來(lái)順利的在地形復(fù)雜的火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行作業(yè)，同時(shí)也需要在箱體機(jī)身上由一定的密封性能的要求，并在防爆功能上具有同樣的需求，在火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)要求全方位履帶式消防機(jī)器人能夠自主避障，能夠通過(guò)消防水炮進(jìn)行一些小范圍的滅火行動(dòng)，完成撲滅救援火災(zāi)的任務(wù)。 從消防機(jī)器人的總體的五個(gè)方面進(jìn)行入手，來(lái)展開研究。首先對(duì)全方位消防機(jī)器人進(jìn)行總體的機(jī)械設(shè)計(jì)，包括全方位履帶式消防機(jī)器人的行駛速度，消防機(jī)器人的總體重量，消防機(jī)器人的體積等，包括對(duì)機(jī)器人箱體的設(shè)計(jì)。其次行走系統(tǒng)即履帶的設(shè)計(jì)，其中有，帶中驅(qū)動(dòng)輪，承重輪，導(dǎo)向輪

39、，以及張緊輪的設(shè)計(jì)，以及履帶節(jié)數(shù)等基本參數(shù)的設(shè)計(jì)。再對(duì)消防機(jī)器人動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由電機(jī)提供動(dòng)力，再通過(guò)減速器將電機(jī)傳遞過(guò)來(lái)的轉(zhuǎn)速降低，扭矩增加后，再由減速器傳遞給傳動(dòng)軸后由傳動(dòng)軸帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)輪。對(duì)其中的電機(jī)與減速器在計(jì)算過(guò)機(jī)器人在30°斜坡所需最大驅(qū)動(dòng)力后進(jìn)行選型。再對(duì)傳動(dòng)軸和驅(qū)動(dòng)輪進(jìn)行設(shè)計(jì)與校核。箱體密封和防爆上也需要進(jìn)行研究，以防止易燃?xì)怏w進(jìn)入機(jī)身內(nèi)部的控制電路從而引發(fā)機(jī)器人的爆炸，對(duì)火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)造成更大的危害。本設(shè)計(jì)中對(duì)消防系統(tǒng)即水炮進(jìn)行選型，不在本設(shè)計(jì)論文的考慮范圍之內(nèi)，不做更多的研究，僅保證消防機(jī)器人有足夠的附著力，不被水炮反作用力推動(dòng)。最后在對(duì)消防機(jī)器人的控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)選型，滿

40、足控制功能的需求能夠自動(dòng)避障等功能。最后對(duì)設(shè)計(jì)好的全方位履帶式消防機(jī)器人繪制裝配圖和部件圖還有零件圖，并對(duì)控制電路繪制電路圖最后完成整個(gè)消防機(jī)器人的設(shè)計(jì)。 1.4本章小結(jié)(Summary of This Chapter) 在本章中，對(duì)全方位履帶式消防機(jī)器人進(jìn)行了各方面的分析，即驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，行走系統(tǒng)，防爆密封系統(tǒng)，消防系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。并分析了為什么火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)需要消防機(jī)器人的協(xié)助及消防機(jī)器人在火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的重要性。隨著科技的發(fā)展，在火災(zāi)越來(lái)越多的今天，消防機(jī)器人的存在必不可少。并確定全方位履帶式消防機(jī)器人的設(shè)計(jì)總方案，確定了消防機(jī)器人的基本功能，以及設(shè)計(jì)的側(cè)重點(diǎn)，并對(duì)設(shè)計(jì)的順序和設(shè)計(jì)的大體方向

41、也進(jìn)行了確定。 45 2 全方位履帶式消防機(jī)器人總體設(shè)計(jì) Error! No text of specified style in document.發(fā)射點(diǎn)犯得上 · 2 全方位履帶式消防機(jī)器人總體設(shè)計(jì) 2 General Design of All-direction Crawler Fire Fighting Robot 2.1全方位履帶式消防機(jī)器人功能要求(The Function Requirements of All-direction Crawler Fire Fighting Robot) 在進(jìn)行全方位履帶式消防機(jī)器人的設(shè)計(jì)之前，最為重要

42、的兩點(diǎn)就是要明確全方位履帶式消防機(jī)器人的消防環(huán)境以及消防使用途徑。同時(shí)，這兩點(diǎn)也是明確機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)以及速度、動(dòng)力、密封性等各種重要數(shù)據(jù)的根本來(lái)源。 一些易發(fā)生火災(zāi)的區(qū)域里，例如市場(chǎng)超市、娛樂(lè)場(chǎng)所、石油化工廠、核電站、化學(xué)實(shí)驗(yàn)室等，在其中的一些狹小的空間里或者是地形比較崎嶇，或者是具有易燃易爆等化學(xué)物品的區(qū)域，如果親臨火場(chǎng)去滅火，有可能會(huì)對(duì)消防隊(duì)員的生命造成巨大的危險(xiǎn)，同時(shí)也會(huì)消耗消防隊(duì)大量的財(cái)力和物力。在這個(gè)時(shí)候消防機(jī)器人的作用就會(huì)體現(xiàn)出來(lái)，全方位履帶式消防機(jī)器人能夠快速安全地進(jìn)入到狹小的或人類難以攀爬的區(qū)域進(jìn)行滅火或者救援，也可以進(jìn)入具有毒性氣體、高溫、高輻射或者空氣匱乏的密閉空間里

43、滅火，不僅如此消防機(jī)器人還能夠在火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)夾取樣品，拾取部分物品等等。諸如此類的功能對(duì)全方位履帶式消防機(jī)器人提出了設(shè)計(jì)的必要要求。 由此可見，此次論文所要進(jìn)行設(shè)計(jì)的機(jī)器人要滿足的功能有如下幾種： 1、 消防機(jī)器人能夠在較高的溫度或有毒氣體以及有易燃易爆物品的區(qū)域進(jìn)行分析環(huán)境，滅火，救援的能力。 2、 消防機(jī)器人具有內(nèi)部的封閉空間，保護(hù)電路板等電子元件，使其能夠避免爆炸以及灰塵造成的干擾。 3、 消防部件能夠進(jìn)行遠(yuǎn)程操控并且滅火。 4、 消防機(jī)器人能夠在一定的范圍內(nèi)根據(jù)地形的不同提供足夠大的驅(qū)動(dòng)力，以此進(jìn)入消防員難以進(jìn)入的復(fù)雜的火災(zāi)地形。 2.2全方位履帶式消防機(jī)器人技術(shù)性指標(biāo)(T

44、he Technical Parameters of All-direction Crawler Fire Fighting Robot) 全方位履帶式消防機(jī)器人需要在各個(gè)方面有所標(biāo)準(zhǔn)后，才能夠達(dá)到2.1的功能需求。最為重要的就是要在關(guān)鍵數(shù)據(jù)上滿足技術(shù)指標(biāo)的要求，能夠通過(guò)消防人員的遠(yuǎn)程操控代替救火相關(guān)人員進(jìn)入危險(xiǎn)的火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行相關(guān)嚴(yán)峻的工作并撲滅火勢(shì)。當(dāng)前國(guó)內(nèi)開發(fā)的消防機(jī)器人中，中信重工開誠(chéng)智能裝備有限公司開發(fā)的消防機(jī)器人實(shí)用性高于其他的國(guó)內(nèi)所開發(fā)的消防機(jī)器人，以此作為參考，來(lái)確定本文所設(shè)計(jì)的全方位履帶式消防機(jī)器人技術(shù)性指標(biāo)。其整體的技術(shù)性能指標(biāo)如圖表2.1所示。  表2.1全方位

45、履帶式消防機(jī)器人性能指標(biāo) Table 2.1 Performance Indexes of All-directional Crawler Fire Fighting Robot 技術(shù)性能 給定數(shù)據(jù) 最大載重 <150KG 斜坡/水平路徑行駛速度 1.5m/s、3m/s 機(jī)器人尺寸（LxBxH） 1200mm×680mm×600mm 最長(zhǎng)運(yùn)行時(shí)間 150min 跨越障礙高度 <0.2m 攀爬最大斜坡角度 30° 轉(zhuǎn)向角度 全方位轉(zhuǎn)向 操作方式 遠(yuǎn)程遙控 2.3全方位履帶式消防

46、機(jī)器人系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)(General Design Scheme of All-direction Crawler Fire Fighting Robot) 2.3.1行走機(jī)構(gòu)的選擇 一般來(lái)說(shuō)，消防機(jī)器人通過(guò)的路徑有如下幾種類型，寬闊的平地，室內(nèi)階梯，置有障礙物的地面，斜坡等等。為了適應(yīng)多種多樣的路徑機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)囊括了足式、輪式、履帶式還有復(fù)合式。它們能應(yīng)用于各種不同的地形與路徑，足式對(duì)于機(jī)器人行走在置有障礙物的地面有較大的優(yōu)勢(shì)，但是在速度上還有穩(wěn)定性上相較于其他幾種行走機(jī)構(gòu)還有所欠缺。輪式行走機(jī)構(gòu)在寬闊的平地上行駛較為穩(wěn)定，速度也快于其他種類，但是很不利于在置有障礙物的地面上行走，

47、攀爬室內(nèi)階梯也將會(huì)問(wèn)題。履帶式行走機(jī)構(gòu)雖然沒(méi)有輪式行走機(jī)構(gòu)的行駛速度快，也沒(méi)有足式行走機(jī)構(gòu)在置有障礙物的地面上行走便利，但是綜合上來(lái)看，履帶式行走機(jī)構(gòu)即能攀爬室內(nèi)階梯，又可以在平地上快速的行駛，最為符合火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)消防人員的需求。 綜上所述，履帶式行走機(jī)構(gòu)明顯優(yōu)于其他行走機(jī)構(gòu)。 履帶式行走機(jī)構(gòu)又分為以下幾種，如固定式和關(guān)節(jié)式如圖2.2所示 （a）固定式行走機(jī)構(gòu) （b）關(guān)節(jié)式行走機(jī)構(gòu) 圖2.2履帶式行走機(jī)構(gòu)的分類 Figure 2.2 Classification of Tracked Walking Mec

48、hanisms 本文中選擇固定式履帶作為行走機(jī)構(gòu)，固定式中又可按照驅(qū)動(dòng)輪所在的位置分為前置、后置與高置三種，其中后置固定式更符合全方位履帶式消防機(jī)器人的工作需求，因?yàn)樗軌蚱鸬嚼o履帶的作用，防止履帶在工作是發(fā)生脫落的現(xiàn)象，如圖2.3所示 圖2.3后置驅(qū)動(dòng)輪履帶式行走機(jī)構(gòu) Fig. 2.3 crawler-type traveling mechanism with rear drive wheels 2.3.2傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的選擇 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是將驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力傳遞給行走機(jī)構(gòu)的機(jī)構(gòu)，是消防機(jī)器人傳遞動(dòng)力的途徑。在傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的選擇上，需要考慮多種因素。通常的

49、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)有如下幾種：帶傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)、蝸桿傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)。帶傳動(dòng)不具有耐腐蝕和耐高溫的特性且在變載荷下適應(yīng)性較差，而耐高溫、耐腐蝕、變載荷條件都是消防機(jī)器人常遇到的條件。鏈傳動(dòng)雖然傳動(dòng)效率高、傳動(dòng)精確、適合在高溫下工作，但是鏈傳動(dòng)在傳動(dòng)是的穩(wěn)定性較差且不適宜載荷變化較大的場(chǎng)合。蝸桿傳動(dòng)傳動(dòng)平穩(wěn)、傳動(dòng)比大、結(jié)構(gòu)緊湊，但蝸桿在傳動(dòng)時(shí)的摩擦損失較大且花費(fèi)成本高。齒輪傳動(dòng)不僅傳動(dòng)平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)緊湊且使用壽命長(zhǎng)、傳動(dòng)效率較高，但安裝精度較高、只能使用于傳動(dòng)距離適中的場(chǎng)合，傳動(dòng)距離不可過(guò)長(zhǎng)。 綜上所述，本設(shè)計(jì)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將選用蝸桿傳動(dòng)作為全方位履帶式消防機(jī)器人的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。 2.3.3驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的確定 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

50、是確保全方位履帶式消防機(jī)器人正常運(yùn)行工作的主要系統(tǒng)，它負(fù)責(zé)為機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)提供動(dòng)力，使機(jī)器人能夠在火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜的地形中正常行駛。現(xiàn)有驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)如下圖表2.2所示： 表2.2小型機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式以及優(yōu)劣勢(shì) Table 2.2 Driving Methods and Advantages and Disadvantages of Small Robot 驅(qū)動(dòng)方式 液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 電力驅(qū)動(dòng)方式 優(yōu)點(diǎn) 缺點(diǎn) 動(dòng)力大、調(diào)速快 成本高、維護(hù)難 成本低、體積小 動(dòng)力小、調(diào)速差 精度高、輸出高 成本高、易損壞 由圖表2.2可得出

51、結(jié)論，根據(jù)消防機(jī)器人的控制需求以及行駛性能要求，本文所設(shè)計(jì)的全方位消防機(jī)器人選用電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。 2.3.4防護(hù)系統(tǒng)的確定 因?yàn)橄罊C(jī)器人的工作環(huán)境十分特殊，火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)存在大量的粉塵，水霧等，為了保證消防機(jī)器人在火災(zāi)環(huán)境中的正常運(yùn)行，防護(hù)系統(tǒng)是不可或缺的一部分。消防系統(tǒng)能保證消防機(jī)器人的密封性能，防爆性能，并能在火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)穩(wěn)定行駛以及作業(yè)。 機(jī)器人內(nèi)部采用增安型防爆結(jié)構(gòu)，將箱體密封，防止內(nèi)部產(chǎn)生電火花，引燃外部可燃?xì)怏w ，可提高機(jī)器人的可靠性。機(jī)器人外部電子設(shè)備采用購(gòu)買本安型電子設(shè)備來(lái)避免機(jī)器人的爆炸，提高機(jī)器人的防爆性能。機(jī)器人箱體采用密封設(shè)計(jì)，使機(jī)器人箱體與外界密封。 2.3.5滅火系統(tǒng)

52、的確定 滅火系統(tǒng)采用選型的方式，選用電控水炮進(jìn)行小范圍的滅火行動(dòng)，內(nèi)置有控制系統(tǒng)，能在全方位內(nèi)進(jìn)行噴射。 2.3.8控制系統(tǒng)的確定 控制系統(tǒng)將采用STM32作為主控制芯片，來(lái)對(duì)消防機(jī)器人進(jìn)行控制，以達(dá)到實(shí)現(xiàn)上文中所提到的對(duì)消防機(jī)器人的控制功能，如超聲波避障，藍(lán)牙通訊，以及視覺(jué)識(shí)別等多種控制功能。 2.3.7總體設(shè)計(jì)確定 經(jīng)過(guò)上述機(jī)器人各系統(tǒng)的明細(xì)確定，全方位履帶式消防機(jī)器人將采用驅(qū)動(dòng)輪后置的履帶作為行走機(jī)構(gòu)，傳動(dòng)系統(tǒng)由無(wú)刷直流伺服電機(jī)輸出扭矩使用蝸桿傳動(dòng)減速器將扭矩傳遞給傳動(dòng)軸，傳動(dòng)軸通過(guò)平鍵將扭矩傳遞給驅(qū)動(dòng)輪輪轂，從而驅(qū)動(dòng)輪帶動(dòng)履帶運(yùn)行，履帶保證機(jī)器人的穩(wěn)定行駛。在控制方面

53、設(shè)置超聲波傳感器，報(bào)警器，并通過(guò)藍(lán)牙模塊進(jìn)行 機(jī)器人主要由如下幾個(gè)系統(tǒng)組成:傳動(dòng)行走系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、防護(hù)系統(tǒng)、滅火系統(tǒng)、控制系統(tǒng)組成。由五個(gè)系統(tǒng)保證機(jī)器人的正常作業(yè)，并能順利完成滅火任務(wù)。 全方位履帶式消防機(jī)器人的傳動(dòng)方案和底盤布局方式見圖2.4所示。 1 箱體；2 電源；3 履帶；4 驅(qū)動(dòng)輪；5 蝸桿減速器；6 直流伺服電機(jī) 圖2.4 全方位履帶式消防機(jī)器人布局圖 Fig. 2.4 layout diagram of omni-directional crawler fire fighting robot 2.4本章小結(jié)(Summary

54、 of This Chapter) 在本章中，對(duì)全方位履帶式消防機(jī)器人的總體方案進(jìn)行了設(shè)計(jì)。明確了消防機(jī)器人的具體功能，能夠耐高溫并進(jìn)入有毒氣體的火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)。機(jī)身具有防爆密封的功能，保護(hù)內(nèi)部的電路板不受外界惡劣環(huán)境的干擾。裝有電控水炮，能夠進(jìn)行小范圍的滅火工作。具有足夠的驅(qū)動(dòng)力，提供驅(qū)動(dòng)力，能夠進(jìn)行越障，并且能夠攀爬小于等于三十度的斜坡。由此確定了消防機(jī)器人的各項(xiàng)性能指標(biāo)，確定了行走機(jī)構(gòu)，采用履帶式行走機(jī)構(gòu)，且驅(qū)動(dòng)輪后置，這樣的布置方式能起到拉緊履帶的作用，并防止履帶在工作是發(fā)生脫落的現(xiàn)象出現(xiàn)。在傳動(dòng)系統(tǒng)的確定上，扭矩傳遞采用路徑為電機(jī)—減速器—傳動(dòng)軸—驅(qū)動(dòng)輪的路徑。電機(jī)采用無(wú)刷直流電機(jī)，減速

55、器采用齒輪蝸桿式減速器，傳動(dòng)軸與驅(qū)動(dòng)輪之間采用鍵連接進(jìn)行扭矩的傳遞，從而帶動(dòng)整個(gè)履帶機(jī)器人進(jìn)行作業(yè)。動(dòng)力系統(tǒng)里電機(jī)采用大功率電機(jī)，減速器選用蝸桿減速器能選取較大的傳動(dòng)比。滅火系統(tǒng)選取電控水炮，該水炮自帶控制系統(tǒng)，能夠360度全方位進(jìn)行噴射滅火。全方位履帶式消防機(jī)器人的傳動(dòng)方案和底盤布局方式由圖2.4所示，已確定。消防機(jī)器人箱體后部左側(cè)右側(cè)各布置一臺(tái)無(wú)刷直流電機(jī)，分別連接蝸桿減速器，分別傳遞扭矩給左右兩側(cè)驅(qū)動(dòng)輪，使驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)。電池位于電機(jī)前方，機(jī)身正中偏上，為電機(jī)提供能量。這一章中為說(shuō)明書全文提供了可靠有效的思路，并為下一章的機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校核提供了大體方向，為整體的機(jī)器人設(shè)計(jì)提供了完整的思路

56、。 Error! No text of specified style in document.發(fā)射點(diǎn)犯得上 3 履帶式消防機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 3 履帶式消防機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 3 Mechanism Design of All-direction Crawler Fire Fighting Robot 3.1底盤行走結(jié)構(gòu)以及箱體設(shè)計(jì)(Chassis Walking Structure and System Design) 3.1.1履帶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 行走機(jī)構(gòu)里最關(guān)鍵的部分就是履帶，通過(guò)驅(qū)動(dòng)輪帶動(dòng)履帶不停移動(dòng)，履帶帶動(dòng)整個(gè)消防機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。在履帶的設(shè)計(jì)方案中通

57、常有兩種，一、橡膠履帶，通常用于小型輕量的機(jī)器人，如勘測(cè)機(jī)器人，消防機(jī)器人等。二、金屬履帶，通常應(yīng)用于大型重量的機(jī)器人，如坦克，拖拉機(jī)等。 經(jīng)過(guò)對(duì)機(jī)器人的工作環(huán)境以及自身硬件的比較，橡膠履帶更為輕便且具有合適的耐高溫材料，因此適合于全方位履帶式消防機(jī)器人。 根據(jù)設(shè)計(jì)原理可知，履帶節(jié)距與整體載重的關(guān)系為： （3.1） 式中： — 履帶節(jié)距，mm； — 整體載重，kg。 （3.2） 式中： — 整體載重，kg 根據(jù)公式3.1可得=70.4mm，=148mm根據(jù)市場(chǎng)上履帶的具體尺寸，取=70.4mm，=148mm。依據(jù)現(xiàn)今市場(chǎng)上已有的橡膠履帶，經(jīng)過(guò)選

58、取，采用阻燃特種橡膠履帶，該產(chǎn)品采用復(fù)合耐磨橡膠材料，履帶參數(shù)見表格3.1。 表3.1履帶主要參數(shù) Table 3.1 Main Parameters of Tracks 節(jié)距 帶長(zhǎng) 齒數(shù) 寬度 重量 70.4mm 2956.8mm 42 148mm 4.3kg 3.1.2輪組裝及張緊裝置設(shè)計(jì) 在整個(gè)行走機(jī)構(gòu)中，驅(qū)動(dòng)輪作為動(dòng)力輸出，通過(guò)電機(jī)對(duì)其輸出動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)輪再將輸出的動(dòng)力傳遞給履帶，帶動(dòng)整個(gè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)輪最重要的一點(diǎn)就是要確定驅(qū)動(dòng)輪和履帶在嚙合過(guò)程中平順，沒(méi)有干涉。驅(qū)動(dòng)輪按與履帶嚙合的方式可分類為一下三種：（1）等節(jié)距嚙合。（2）亞節(jié)距嚙合。（3）超

59、節(jié)距嚙合。本文中驅(qū)動(dòng)輪材料采用42CrMo制作而成，具有一定的強(qiáng)度和韌性，耐高溫，耐腐蝕。 驅(qū)動(dòng)輪采用鏈輪的設(shè)計(jì)公式來(lái)計(jì)算相關(guān)數(shù)據(jù)，其中可計(jì)算出驅(qū)動(dòng)輪分度圓直徑： (3.3) 式中, — 驅(qū)動(dòng)輪分度圓直徑，mm； — 履帶節(jié)距，60mm； — 驅(qū)動(dòng)輪齒數(shù)，z取12。 驅(qū)動(dòng)輪齒數(shù)通?？扇?0-15，本文中取驅(qū)動(dòng)輪齒數(shù)z=12，可以計(jì)算出d=231.82mm。 齒頂圓直徑： 齒根圓直徑： 齒寬： 式中， — 齒頂圓直徑，mm； — 滾子直徑，

60、mm； — 齒根圓直徑，mm； — 齒寬，mm。 由此可得驅(qū)動(dòng)輪的基本參數(shù)如上計(jì)算中所示參數(shù)。 支重輪用來(lái)支撐整體機(jī)械的重量，并將其傳遞給履帶，使履帶在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不易脫落。導(dǎo)向輪用來(lái)防止履帶跑偏以及越軌，以此來(lái)保證履帶的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，導(dǎo)向輪可按移動(dòng)方式分為擺動(dòng)式和滑動(dòng)式。 參考履帶機(jī)械設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn) (3.4) (3.5) 式中， — 支重輪直徑，mm； — 導(dǎo)向輪直徑，mm。 根據(jù)公式3.4和3.5計(jì)算經(jīng)考

61、慮可得支重輪的直徑=120mm，導(dǎo)向輪的直徑=140mm。支重輪的個(gè)數(shù)和分布應(yīng)該按照具體的地面壓力進(jìn)行布置,盡可能增加履帶與地面的接觸面積，并且盡量避免支重輪，導(dǎo)向輪，驅(qū)動(dòng)輪之間的相互干涉，支重輪均勻布置4個(gè)在下履帶上。 張緊機(jī)構(gòu)是能夠保持履帶張緊使驅(qū)動(dòng)輪與履帶正常嚙合從而保證機(jī)器人正常運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)。彈簧張緊與固定張緊是常見的兩種張緊的方式，其中彈簧張緊多用于中型和大型的機(jī)械，而且需要進(jìn)行計(jì)算彈簧的預(yù)緊力和彈簧的最大壓縮力。與之相反，固定式張緊往往用于小型機(jī)械，如本文中的全方位履帶式消防機(jī)器人，其張緊力主要通過(guò)調(diào)節(jié)螺桿和螺母移動(dòng)導(dǎo)向輪的位置來(lái)給予，且無(wú)需計(jì)算，該方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于更換，故本文

62、中采用固定張緊來(lái)保持機(jī)器人的正常行駛。 3.1.3底盤箱體設(shè)計(jì) 底盤箱體作為全方位履帶式消防機(jī)器人的基本部件，必須起到載重、保護(hù)、行走等基本作用。由于全方位履帶式消防機(jī)器人的工作環(huán)境較為復(fù)雜且危險(xiǎn)，對(duì)于底盤箱底的定位面，孔等其他部位要具有較高的精度，還要滿足強(qiáng)度與剛度的要求。為了保護(hù)機(jī)器人內(nèi)部的控制系統(tǒng)，底盤箱體設(shè)計(jì)還需考慮到密閉性和防水性等功能。 參考《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》有關(guān)箱體的設(shè)計(jì)規(guī)范，基于機(jī)器人自身載重越輕越有利的原則，本設(shè)計(jì)取用鋁合金材料ZL111制成。該材料具備良好的氣密性，耐腐蝕性以及良好的鑄造性，適合用于工作在高溫下的機(jī)器。 根據(jù)全方位履帶式消防機(jī)器人的設(shè)計(jì)要求，機(jī)器人必要

63、時(shí)需要進(jìn)入較為狹小的空間如門框等，這就要求機(jī)器人的寬度和高度有一定的限度。因此設(shè)計(jì)機(jī)器人的底盤箱體尺寸為1145mm×470mm×200mm。 參考《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》箱體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，鑄造箱體的壁厚的計(jì)算公式： (3.6) 式中：—當(dāng)量尺寸; L —鑄件長(zhǎng)度，mm； B —鑄件寬度，mm； H —鑄件高度，mm。 將底盤箱體尺寸帶入公式3.6中計(jì)算可得，=0.99，由表格3.2可知，底盤箱體壁厚為6mm。根據(jù)箱體各部分的強(qiáng)度要求，箱體部分可以合理的增加或減少厚度。 表3.2鋁合金鑄造箱體的壁厚 Table 3.2

64、 Wall Thickness of Aluminum Alloy Casting Boxes 當(dāng)量尺寸 N/m 箱體材料 鑄鋁合金 0.30 4 0.75 5 1.00 6 1.50 8 2.00 10 3.2防爆密封設(shè)計(jì)(Explosion Protection and Seal design) 3.2.1防爆設(shè)計(jì) (1)選擇防爆方式 由于全方位履帶式消防機(jī)器人的工作環(huán)境位于火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)，而火災(zāi)多發(fā)于易燃易爆的化工廠等工業(yè)生產(chǎn)車間。因此由于作業(yè)于火災(zāi)中機(jī)器人的箱體外部會(huì)產(chǎn)生高溫并與箱體內(nèi)部產(chǎn)生壓力差，這種情況會(huì)對(duì)機(jī)器人的內(nèi)部控制系統(tǒng)造成一定損傷，甚至?xí)?/p>

65、爆炸。為了盡量減小由火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)惡劣環(huán)境對(duì)全方位履帶式消防機(jī)器人的影響，有必要對(duì)消防機(jī)器人進(jìn)行防爆設(shè)計(jì)。本節(jié)將就國(guó)內(nèi)消防機(jī)器人防爆設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀來(lái)對(duì)本文的消防機(jī)器人進(jìn)行防爆性能設(shè)計(jì)。 根據(jù)我國(guó)電器設(shè)備的防爆標(biāo)準(zhǔn)，防爆的主要方式有充油型、本質(zhì)安全型、充沙型、正壓型、增安型以及隔爆型等等。其中隔爆型主要是利用機(jī)器人高強(qiáng)度的殼體，內(nèi)部發(fā)生的爆炸對(duì)外部沒(méi)有影響且不損壞，要達(dá)到這樣高強(qiáng)度的殼體必然會(huì)增大設(shè)計(jì)的復(fù)雜性并增加機(jī)身的重量。本安型的原理是任何可燃?xì)怏w都無(wú)法在機(jī)器人內(nèi)部電路正常工作時(shí)被點(diǎn)燃，顯然這對(duì)依賴于眾多電機(jī)設(shè)備來(lái)進(jìn)行正常作業(yè)的全方位履帶式消防機(jī)器人是相當(dāng)棘手的。正壓型的原理通過(guò)對(duì)機(jī)器人內(nèi)部輸入一定

66、量的惰性氣體，使得機(jī)器人內(nèi)部壓力增加，由此防止易燃易爆氣體滲入殼體之內(nèi)。 出于對(duì)全方位履帶式機(jī)器人自身載重，內(nèi)部結(jié)構(gòu)等以及對(duì)機(jī)器人作業(yè)環(huán)境的考慮，本文中機(jī)身殼體密封設(shè)計(jì)應(yīng)用于機(jī)器人殼體，增安型防爆設(shè)計(jì)應(yīng)用于機(jī)器人殼體內(nèi)部。通過(guò)對(duì)箱體進(jìn)行密封，來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的防爆功能。 此外，全方位履帶式消防機(jī)器人還需要一些其他的外置的電子設(shè)備，如傳感器，攝像頭等。這些設(shè)備安裝于消防機(jī)器人的外部，無(wú)法采取正壓型防爆方式。因此，該類設(shè)備均采購(gòu)本安型防爆設(shè)備，以滿足機(jī)器人的防爆需求。 3.2.2密封設(shè)計(jì) 由于全方位履帶式消防機(jī)器人具有滅火功能，即能夠噴射消防液體來(lái)進(jìn)行滅火。滅火過(guò)程中會(huì)不可避免的接觸到一定量的液體，如果機(jī)器不進(jìn)行密封，液體可能會(huì)影響甚至破壞機(jī)身內(nèi)部的控制系統(tǒng)，故機(jī)器人的密封性十分重要。機(jī)器人的密封性可分為兩部分進(jìn)行考慮：一部分是靜態(tài)密封，主要為機(jī)器人殼體連接處的密封、機(jī)械臂關(guān)節(jié)處的密封等；另一部分是動(dòng)態(tài)密封，主要有兩個(gè)部位的動(dòng)態(tài)密封，分別為履帶驅(qū)動(dòng)輪與軸承之間、機(jī)械臂關(guān)節(jié)處等。 根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，靜態(tài)密封部分可以使用橡膠密封以及填料密封的方式，橡膠密封結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，質(zhì)量輕且方便拆卸，可承