畢業(yè)設計（論文）-履帶式消防機器人設計

《畢業(yè)設計（論文）-履帶式消防機器人設計》由會員分享，可在線閱讀，更多相關《畢業(yè)設計（論文）-履帶式消防機器人設計（51頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

1、發(fā)射點犯得上 履帶式消防機器人設計 摘要 隨著科技的發(fā)展，時代的進步，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，火災的發(fā)生次數(shù)也隨著易燃易爆物品和電器設備的增加而增長?；馂牡奈：κ謬谰?，且消防人員進入火災現(xiàn)場所承擔的風險也不容小覷。在科技愈加發(fā)達昌盛的今天，由機器人代替消防員進入火災現(xiàn)場進行滅火和救援的方式的可行性和必要性也越來越突顯出來。防機器人能夠將火災現(xiàn)場的損耗將至最低，沒有任何財產(chǎn)比生命更為重要，消防人員的生命能夠得到重要的保障。同時消防機器人的執(zhí)行任務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，人員的進入極其危險，高溫下人員也無法進入，然而消防機器人卻能夠在這樣的火災現(xiàn)場安全的完成消防任務，就算損壞，也無人員傷亡，能夠將傷亡將至最低。在火災現(xiàn)場，消防機器人能發(fā)揮出自己的最大的優(yōu)勢。由此可看出設計消防機器人的必要性。基于以上原因本文研究設計了一款全方位履帶式消防機器人，該機器人采用履帶作為行走機構，可全方位移動，使用無刷直流電機提供較大的驅動力，可以在火災現(xiàn)場進行攀爬與越障。并設由超聲波避障模塊，能在火災現(xiàn)場進行避障，且設有藍牙通訊模塊方便對機器人進行遠程控制。其上方置有電控消防水炮，進行小范圍的滅火行動。內置鉛酸蓄電池可移動電源，為消防機器人

3、續(xù)航。該設計可為消防人員在火災現(xiàn)場的救援滅火工作，提供極大的便利。 該論文有圖34幅，表9個，參考文獻35篇。 關鍵詞：消防機器人；全方位移動；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國內外研究現(xiàn)狀與趨勢 3 1.3本課題主要目標以及主要研究內容 6 1.4本章小結 7 2 全方位履帶式消防機器人總體設計 8 2.1全方位履帶式消防機器人功能要求 8 2.2全方位履帶式消防機器人技術性指標 8

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

13、濟性分析...............................................................................................................................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） 各種災害中，火災是其中不可忽視的一種。隨著科技的發(fā)展，時代的進步，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，火災的發(fā)生次數(shù)也隨著易燃易爆物品和電器設備的增加而增長。 據(jù)國內的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，近十年來火災發(fā)生次數(shù)約為180萬余起，而在這近十年因火災而犧牲的英勇的消防員高達300余人，因火災而導致受傷或者殘疾的或輕傷或重傷的消防員總共有900余人。這是一個不可忽視而殘酷的事實。消防員進入火災現(xiàn)場是一件十分危險的事情，消防人員進入火災現(xiàn)場，要在高溫、缺氧、有毒氣體等復雜混亂環(huán)境下展開火災救援的工作，進入火災現(xiàn)場本身就是對消防人員的一個巨大而艱難高風險的挑戰(zhàn)，由于火災內部環(huán)境的不穩(wěn)定，有可能會發(fā)生二次爆炸或坍塌等危險事件，這會對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，并造成更多的財產(chǎn)損失。 火災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，人都會有犯錯的時候，在這種容錯率極地的火災災區(qū)，消防人員就算經(jīng)過再嚴厲在萬無一失的訓練，只要稍有疏忽就可能對自己的生命造成威脅，對整個火災環(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備是否齊全，消防部門所準備的計劃是否精密等，都是至關重要的因素。由于火災現(xiàn)場的環(huán)境大有不同，大到化工廠，小到家庭居所，不同場所自然有不同的設備需求和計劃方針。由于火災現(xiàn)場的環(huán)境過于復雜和混亂而消防人員的準備時間有限，故容易由于消防員準備不足或計劃不周全等原因導致消防人員的傷亡。如下圖為國內火災現(xiàn)場

21、。 圖1.1貴州侗寨火災現(xiàn)場 圖1.2烏魯木齊批發(fā)市場火災現(xiàn)場 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，法國巴黎圣母院發(fā)生火災，火勢十分嚴峻，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。在該場火災中，政府派出來最新的消防系統(tǒng)消防機器人來完成撲滅巴黎圣母院大火這項工作，這因為有消防機器人的存在才能在最短的

22、時間下?lián)錅绱蠡?，保護世界文化財產(chǎn)，并減少人員的傷亡。在此次火災中僅有兩名警察和一名消防隊員受輕傷，這應該得益于消防機器人的應用，它能夠在最短時間內撲滅火勢、通過攝像頭有來觀察火災區(qū)域內情況、為消防隊員提供幫助，運輸消防設備等。如圖1.3所示為巴黎圣母院消防隊員使用消防機器人的場景。 圖1.3參與圣母院救援的消防機器人 Figure 1.3 Fire Fighting Robot Participating in Notre Dame Rescue 由上面的火災事件可以看出，火災的危害十分嚴峻，且消防人員進入火災現(xiàn)場所承擔的風險也不容小覷。在科技

23、愈加發(fā)達昌盛的今天，由機器人代替消防員進入火災現(xiàn)場進行滅火和救援的方式的可行性和必要性也越來越突顯出來。 消防機器人能夠將火災現(xiàn)場的損耗將至最低，沒有任何財產(chǎn)比生命更為重要，消防人員的生命能夠得到重要的保障。同時消防機器人的執(zhí)行任務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，人員的進入極其危險，高溫下人員也無法進入，然而消防機器人卻能夠在這樣的火災現(xiàn)場安全的完成消防任務，就算損壞，也無人員傷亡，能夠將傷亡將至最低。在火災現(xiàn)場，消防機器人能發(fā)揮出自己的最大的優(yōu)勢。 消防機器人在火災援救傷員，撲滅火勢等可以有極好的表現(xiàn)。消防機器人能夠在易燃、易爆場的災區(qū)執(zhí)行消防人員下達

24、的任務。能夠潛入狹小的空間對受災人群采取救援行動，還可以幫助消防人員拾取火災現(xiàn)場的危險物品和殘垣斷壁等。除非消防機器人受到嚴重的損傷，否側就會一直執(zhí)行消防人員對它所下達的任務以及命令。 我國目前消防機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。消防機器人的成功應用以及發(fā)展，會極大的提升中國消防部門救援火災現(xiàn)場、撲滅猛烈火勢、加快處理火災現(xiàn)場的應急能力，降低發(fā)生火災地區(qū)的人民和政府的財政損失，減少甚至能夠避免消防人員的傷亡人數(shù)并且將災區(qū)人員的傷亡將至最低。而且，隨著對消防機器人的開發(fā)以及制造越來越深入，勢必對我國的科研發(fā)展如機械結構和控制方面也將有巨大的幫助。 1.2

25、國內外研究現(xiàn)狀與趨勢(Research Status and Development Trend at Home and Abord) 1.2.1消防機器人研究現(xiàn)狀 在全球環(huán)境下，最早開始消防機器人各系統(tǒng)的研究的是美國和蘇聯(lián)，緊隨其后的是日本，英國、德國等發(fā)達國家進行了有關消防機器人的研發(fā)。消防機器人移動系統(tǒng)照運動方法進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。其中對于履帶式消防機器人的研究和作用十分寬泛。 現(xiàn)在對于消防機器人的大體發(fā)展可分為兩個方面：1、遠程操控進行火場滅火和現(xiàn)場對人員進行救援的實現(xiàn)。2、消防機器人智能化如自主避障，自動識別火源等的實現(xiàn)?，F(xiàn)今，大部分

26、消防機器人的研究人員都在從事這兩個方面的研究開發(fā)。 1.2.2消防機器人國外研究現(xiàn)狀 在國外，最早開始消防機器人各系統(tǒng)的研究的是美國和蘇聯(lián)，緊隨其后的是日本，英國、德國等發(fā)達國家進行了有關消防機器人的研發(fā)?，F(xiàn)今，已有各種不同類型的消防機器人被研究開發(fā)并投入全球市場。 諸多發(fā)達國家里，日本因為城市擁擠火災發(fā)生后造成的后果十分嚴重，財產(chǎn)也將嚴重損失，所以對于消防機器人的研究比較透徹，且日本機器人技術較為發(fā)達，早期就把消防機器人運用在了火災場地上。目前，日本東北大學的田教授等開發(fā)制作了名為龍型消防員的機器人，如圖1.3所示。此機器人能夠停留在高處展開撲火作業(yè)，能夠伸進消防人員難以救援的火場，并

27、且大幅度降低機器人與現(xiàn)場火勢的實際距離，能夠有效的提高龍型機器人的有效壽命。機器人龍型消防員配置細長管狀裝置，長約3m，機器人前面和中間有噴口，機器人能通過水管噴射的力量使自身漂浮在空中。同時機器人還能對火災現(xiàn)場的情況進行觀察以及監(jiān)測，該機器人前面裝配了兩種攝像頭分別探測火源，能夠遠程操作機器人進行滅火并且查看火災現(xiàn)場的情況針對火災不同情對不同情況的火情采取不同的滅火方案。 圖1.4 龍型消防員機器人 Figure 1.4 Dragon Fireman Robot 日本東北大學機器人團隊不僅開發(fā)了龍型消防員機器人還推出了

28、名叫蛇型機器人的消防機器人，如圖1.4所示，此機器人裝備半徑2.5cm的軟性水管，長約8m，出奇的是該機器人的重量十分的輕，只有20KG。此機器人使用表層的尼龍細毛進行振動以滿足緩緩前行的需求。機器人前面去裝置向下噴射氣體，能夠讓機器人整體上升30cm，機器人前方還設置了攝像頭，用在火災現(xiàn)場進行搜救。當然這代消防機器人也有不足之處，由于升高高度有限，該機器人對于較高的障礙物有無法越過的問題。 圖1.5 日本蛇型消防機器人 Figure 1.5 Japanese Snake Fire Robot 蛇型機器人在挪威的科學界同樣研究有所進展，在仿生學

29、的基礎上，挪威科學家開發(fā)研制出了一款蛇型機器人，如圖1.5所示。該機器人自重80KG,長度比上文中的日本所研究的蛇型機器人要短，約3m。在其后面與消防水炮進行連接，對火災區(qū)進行滅火。其身體上裝有多個液壓裝置，用于傳動，使機器人能夠精密移動，減少誤差，使機器人能夠在全方位進行移動，能夠智能規(guī)劃前進路線，避開火災內的障礙物，進入狹小的火災空間進行觀測，提高火災現(xiàn)場的救援效率，減少火災現(xiàn)場人員的傷亡，在第一時間發(fā)現(xiàn)傷員，并拯救傷員，完成救援工作。 圖1.6 挪威蛇型消防機器人 Figure 1.6 Norwegian Snake Fire Robo

30、t 美國一所消防公司開發(fā)了Thesmrth T2的遠程遙控的消防機器人運用履帶式作為行走機構進行運動，通過15KW柴油機傳遞扭矩以及動力，機身上裝備有高清攝像機能實時觀察火災內部環(huán)境情況。機器人帶著管子，由箱體個個方面的水炮撲滅火場火焰，每秒能噴射60L的滅火劑。由于該機器人的存在，消防人員無需進入火災現(xiàn)場進行滅火，能在遠程指定滅火計劃，并讓消防機器人去執(zhí)行命令，完成滅火工作，在一些極其危險的環(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 美國科技公司所研發(fā)的履帶式消防機器人 Figure 1.7 Cra

31、wler Fire Fighting Robot Developed by American Technology Company 1.2.3消防機器人國內研究現(xiàn)狀 近幾年內，我國的機器人相關方面技術有了突飛猛進的發(fā)展，日新月異的進步。消防機器人同樣也屬于機器人的隊列之中，在消防機器人的機械結構如傳動裝置懸掛裝置的升級，以及控制方面自動避障，紅外識別火源等等。略有遺憾的是，國內消防機器人應用多處于初級階段，火場中的指揮與控制基本靠消防救援人員臨機應變。人機協(xié)同化程度低下，各自為戰(zhàn)，與應急指揮平臺也存在一定信息聯(lián)通、反饋的障礙誤區(qū)，且消防機器人僅在經(jīng)濟發(fā)達的城市少量存儲。在應用消防機器人

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

33、表性，如圖1.7所示。該機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，內部全金屬骨架；獨立懸掛減震系統(tǒng)，抗沖擊性強；系統(tǒng)采用耐高溫設計，并自帶雙重水幕自噴淋降溫裝置；具有防水帶打結功能；遠程控制消防炮回轉、俯仰、自動掃射，多種噴射方式；高清無線圖傳系統(tǒng)，實現(xiàn)遠程實時視頻監(jiān)控；采用先進的無線通訊技術，通訊距離遠，抗干擾性強；機動性強，移動速度快，速度可調；自動發(fā)電、后坐力自動抑制功能：機器人主電機采用發(fā)電制動，在噴水滅火中將后坐力轉化為電能；主避障功能：避障系統(tǒng)自動識別障礙物距離，靈敏度高，檢測距離遠。 圖1.8

34、 RXR-M40D消防滅火機器人 Figure 1.8 RXR-M40D Fire Fighting Robot 該公司還有一款名叫RXR-C6BD 消防偵察機器人的消防機器人，如圖1.8所示，消防偵察機器人由機器人本體和手持遙控終端組成。主要用于各領域火災事故偵察，尤其適用于石化、燃氣等易爆環(huán)境，對提高救援安全性、減少人員傷亡具有重要意義。 該消防機器人在如下幾個方面有著巨大的優(yōu)勢互聯(lián)網(wǎng)功能：1、網(wǎng)絡通訊功能強，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)；同時可與無人機配合,實現(xiàn)“三位一體”的消防指揮控制。2、遠程診斷功能:通過互聯(lián)網(wǎng)功能實現(xiàn)對機器人遠程診斷及故

35、障分析。3、環(huán)境探測功能;搭載環(huán)境探測傳感器，可自動升降,實現(xiàn)對現(xiàn)場有毒、可燃氣體的檢測分析。4、圖像采集功能：采集現(xiàn)場圖像并實時上傳。5、熱眼檢測功能；通過紅外熱成像實現(xiàn)對熱源的檢測與跟蹤聲音采集功能:6、可實時采集現(xiàn)場聲音，便于了解受困人員情況。7、自主避障功能：避障系統(tǒng)自動識別障礙物距離，靈敏度高，檢測距離遠。 總體來看，相比較于國外發(fā)達國家如美國，德國，日本等，我國國內消防機器人系統(tǒng)水平還有很大的發(fā)展空間，整體消防機器人水平還處于起步階段。不過，我國的消防機器人以中信重工為代表的機械公司的科技技術正在以驚人的速度飛速發(fā)展。相信在不久的將來，我國消防系統(tǒng)將逐漸以消防機器人為主，構造成完

36、善的消防體系，減少政府和人民的財產(chǎn)損失，盡量避免消防員的受傷和犧牲。與國際前沿高端科技聯(lián)手，有效利用國內的大量優(yōu)質資源，進一步深入消防機器人的專業(yè)知識領域。 1.3本課題主要目標以及主要研究內容(The Main Content and Object of Study) 1.3.1主要研究目標 本設計主要的研究目標是為國內消防系統(tǒng)，在現(xiàn)有的消防機器人的基礎上，設計出一種全方位履帶式消防機器人。此消防機器人能夠替代消防隊員進入火災現(xiàn)場進行偵察活動，探測災區(qū)內環(huán)境，設計有防爆密封設計。機身上方裝有消防水炮，能在火災現(xiàn)場進行小范圍的滅火行動，能攀爬最高30°的斜坡行駛，具有強勁的動力驅動系

37、統(tǒng)，能夠識別障礙物并避開障礙物。機器人通過單獨電機驅動的兩個驅動輪進行差速轉向，并裝置攝像頭，使其能在惡劣的火災環(huán)境如濃煙，高溫，有毒氣體，復雜地形中完成消防隊員所布置的消防任務。研究全方位履帶式消防機器人對于我國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造成的政府、工廠或者家庭的財產(chǎn)損失和人員傷亡數(shù)，并推動促進消防機器人乃至大部分機器人在機械結構或者是控制系統(tǒng)方面的發(fā)展。 1.3.2主要研究內容 全方位履帶式消防機器人就是本文中的主要研究內容，該機器人在惡劣的環(huán)境下進行做行業(yè)，火災環(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器人需要協(xié)助或者代

38、替消防人員進入危險的火災現(xiàn)場環(huán)境，并幫助消防人員進行滅火作業(yè)或者運輸必要的消防物資等。消防機器人需要較大的動力來順利的在地形復雜的火災現(xiàn)場進行作業(yè)，同時也需要在箱體機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，在火災現(xiàn)場要求全方位履帶式消防機器人能夠自主避障，能夠通過消防水炮進行一些小范圍的滅火行動，完成撲滅救援火災的任務。 從消防機器人的總體的五個方面進行入手，來展開研究。首先對全方位消防機器人進行總體的機械設計，包括全方位履帶式消防機器人的行駛速度，消防機器人的總體重量，消防機器人的體積等，包括對機器人箱體的設計。其次行走系統(tǒng)即履帶的設計，其中有，帶中驅動輪，承重輪，導向輪

39、，以及張緊輪的設計，以及履帶節(jié)數(shù)等基本參數(shù)的設計。再對消防機器人動力系統(tǒng)進行設計，驅動系統(tǒng)由電機提供動力，再通過減速器將電機傳遞過來的轉速降低，扭矩增加后，再由減速器傳遞給傳動軸后由傳動軸帶動驅動輪。對其中的電機與減速器在計算過機器人在30°斜坡所需最大驅動力后進行選型。再對傳動軸和驅動輪進行設計與校核。箱體密封和防爆上也需要進行研究，以防止易燃氣體進入機身內部的控制電路從而引發(fā)機器人的爆炸，對火災現(xiàn)場造成更大的危害。本設計中對消防系統(tǒng)即水炮進行選型，不在本設計論文的考慮范圍之內，不做更多的研究，僅保證消防機器人有足夠的附著力，不被水炮反作用力推動。最后在對消防機器人的控制系統(tǒng)進行設計選型，滿

40、足控制功能的需求能夠自動避障等功能。最后對設計好的全方位履帶式消防機器人繪制裝配圖和部件圖還有零件圖，并對控制電路繪制電路圖最后完成整個消防機器人的設計。 1.4本章小結(Summary of This Chapter) 在本章中，對全方位履帶式消防機器人進行了各方面的分析，即驅動系統(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現(xiàn)場需要消防機器人的協(xié)助及消防機器人在火災現(xiàn)場的重要性。隨著科技的發(fā)展，在火災越來越多的今天，消防機器人的存在必不可少。并確定全方位履帶式消防機器人的設計總方案，確定了消防機器人的基本功能，以及設計的側重點，并對設計的順序和設計的大體方向

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

42、的兩點就是要明確全方位履帶式消防機器人的消防環(huán)境以及消防使用途徑。同時，這兩點也是明確機器人的機械結構以及速度、動力、密封性等各種重要數(shù)據(jù)的根本來源。 一些易發(fā)生火災的區(qū)域里，例如市場超市、娛樂場所、石油化工廠、核電站、化學實驗室等，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物品的區(qū)域，如果親臨火場去滅火，有可能會對消防隊員的生命造成巨大的危險，同時也會消耗消防隊大量的財力和物力。在這個時候消防機器人的作用就會體現(xiàn)出來，全方位履帶式消防機器人能夠快速安全地進入到狹小的或人類難以攀爬的區(qū)域進行滅火或者救援，也可以進入具有毒性氣體、高溫、高輻射或者空氣匱乏的密閉空間里

43、滅火，不僅如此消防機器人還能夠在火災現(xiàn)場夾取樣品，拾取部分物品等等。諸如此類的功能對全方位履帶式消防機器人提出了設計的必要要求。 由此可見，此次論文所要進行設計的機器人要滿足的功能有如下幾種： 1、 消防機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)域進行分析環(huán)境，滅火，救援的能力。 2、 消防機器人具有內部的封閉空間，保護電路板等電子元件，使其能夠避免爆炸以及灰塵造成的干擾。 3、 消防部件能夠進行遠程操控并且滅火。 4、 消防機器人能夠在一定的范圍內根據(jù)地形的不同提供足夠大的驅動力，以此進入消防員難以進入的復雜的火災地形。 2.2全方位履帶式消防機器人技術性指標(T

44、he Technical Parameters of All-direction Crawler Fire Fighting Robot) 全方位履帶式消防機器人需要在各個方面有所標準后，才能夠達到2.1的功能需求。最為重要的就是要在關鍵數(shù)據(jù)上滿足技術指標的要求，能夠通過消防人員的遠程操控代替救火相關人員進入危險的火災現(xiàn)場執(zhí)行相關嚴峻的工作并撲滅火勢。當前國內開發(fā)的消防機器人中，中信重工開誠智能裝備有限公司開發(fā)的消防機器人實用性高于其他的國內所開發(fā)的消防機器人，以此作為參考，來確定本文所設計的全方位履帶式消防機器人技術性指標。其整體的技術性能指標如圖表2.1所示。  表2.1全方位

45、履帶式消防機器人性能指標 Table 2.1 Performance Indexes of All-directional Crawler Fire Fighting Robot 技術性能 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 機器人尺寸（LxBxH） 1200mm×680mm×600mm 最長運行時間 150min 跨越障礙高度 <0.2m 攀爬最大斜坡角度 30° 轉向角度 全方位轉向 操作方式 遠程遙控 2.3全方位履帶式消防

46、機器人系統(tǒng)總體方案設計(General Design Scheme of All-direction Crawler Fire Fighting Robot) 2.3.1行走機構的選擇 一般來說，消防機器人通過的路徑有如下幾種類型，寬闊的平地，室內階梯，置有障礙物的地面，斜坡等等。為了適應多種多樣的路徑機器人的行走機構囊括了足式、輪式、履帶式還有復合式。它們能應用于各種不同的地形與路徑，足式對于機器人行走在置有障礙物的地面有較大的優(yōu)勢，但是在速度上還有穩(wěn)定性上相較于其他幾種行走機構還有所欠缺。輪式行走機構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、攀爬室內階梯也將會問題。履帶式行走機構雖然沒有輪式行走機構的行駛速度快，也沒有足式行走機構在置有障礙物的地面上行走便利，但是綜合上來看，履帶式行走機構即能攀爬室內階梯，又可以在平地上快速的行駛，最為符合火災現(xiàn)場消防人員的需求。 綜上所述，履帶式行走機構明顯優(yōu)于其他行走機構。 履帶式行走機構又分為以下幾種，如固定式和關節(jié)式如圖2.2所示 （a）固定式行走機構 （b）關節(jié)式行走機構 圖2.2履帶式行走機構的分類 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構，固定式中又可按照驅動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器人的工作需求，因為它能夠起到拉緊履帶的作用，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后置驅動輪履帶式行走機構 Fig. 2.3 crawler-type traveling mechanism with rear drive wheels 2.3.2傳動機構的選擇 傳動機構是將驅動系統(tǒng)的動力傳遞給行走機構的機構，是消防機器人傳遞動力的途徑。在傳動機構的選擇上，需要考慮多種因素。通常的

49、傳動機構有如下幾種：帶傳動、鏈傳動、蝸桿傳動、齒輪傳動。帶傳動不具有耐腐蝕和耐高溫的特性且在變載荷下適應性較差，而耐高溫、耐腐蝕、變載荷條件都是消防機器人常遇到的條件。鏈傳動雖然傳動效率高、傳動精確、適合在高溫下工作，但是鏈傳動在傳動是的穩(wěn)定性較差且不適宜載荷變化較大的場合。蝸桿傳動傳動平穩(wěn)、傳動比大、結構緊湊，但蝸桿在傳動時的摩擦損失較大且花費成本高。齒輪傳動不僅傳動平穩(wěn)、結構緊湊且使用壽命長、傳動效率較高，但安裝精度較高、只能使用于傳動距離適中的場合，傳動距離不可過長。 綜上所述，本設計的傳動機構將選用蝸桿傳動作為全方位履帶式消防機器人的傳動機構。 2.3.3驅動系統(tǒng)的確定 驅動系統(tǒng)

50、是確保全方位履帶式消防機器人正常運行工作的主要系統(tǒng)，它負責為機器人的行走機構提供動力，使機器人能夠在火災現(xiàn)場復雜的地形中正常行駛。現(xiàn)有驅動系統(tǒng)如下圖表2.2所示： 表2.2小型機器人的驅動方式以及優(yōu)劣勢 Table 2.2 Driving Methods and Advantages and Disadvantages of Small Robot 驅動方式 液壓驅動系統(tǒng) 氣動驅動系統(tǒng) 電力驅動方式 優(yōu)點 缺點 動力大、調速快 成本高、維護難 成本低、體積小 動力小、調速差 精度高、輸出高 成本高、易損壞 由圖表2.2可得出

51、結論，根據(jù)消防機器人的控制需求以及行駛性能要求，本文所設計的全方位消防機器人選用電力驅動系統(tǒng)。 2.3.4防護系統(tǒng)的確定 因為消防機器人的工作環(huán)境十分特殊，火災現(xiàn)場存在大量的粉塵，水霧等，為了保證消防機器人在火災環(huán)境中的正常運行，防護系統(tǒng)是不可或缺的一部分。消防系統(tǒng)能保證消防機器人的密封性能，防爆性能，并能在火災現(xiàn)場穩(wěn)定行駛以及作業(yè)。 機器人內部采用增安型防爆結構，將箱體密封，防止內部產(chǎn)生電火花，引燃外部可燃氣體 ，可提高機器人的可靠性。機器人外部電子設備采用購買本安型電子設備來避免機器人的爆炸，提高機器人的防爆性能。機器人箱體采用密封設計，使機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，選用電控水炮進行小范圍的滅火行動，內置有控制系統(tǒng)，能在全方位內進行噴射。 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，來對消防機器人進行控制，以達到實現(xiàn)上文中所提到的對消防機器人的控制功能，如超聲波避障，藍牙通訊，以及視覺識別等多種控制功能。 2.3.7總體設計確定 經(jīng)過上述機器人各系統(tǒng)的明細確定，全方位履帶式消防機器人將采用驅動輪后置的履帶作為行走機構，傳動系統(tǒng)由無刷直流伺服電機輸出扭矩使用蝸桿傳動減速器將扭矩傳遞給傳動軸，傳動軸通過平鍵將扭矩傳遞給驅動輪輪轂，從而驅動輪帶動履帶運行，履帶保證機器人的穩(wěn)定行駛。在控制方面

53、設置超聲波傳感器，報警器，并通過藍牙模塊進行 機器人主要由如下幾個系統(tǒng)組成:傳動行走系統(tǒng)、驅動系統(tǒng)、防護系統(tǒng)、滅火系統(tǒng)、控制系統(tǒng)組成。由五個系統(tǒng)保證機器人的正常作業(yè)，并能順利完成滅火任務。 全方位履帶式消防機器人的傳動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 驅動輪；5 蝸桿減速器；6 直流伺服電機 圖2.4 全方位履帶式消防機器人布局圖 Fig. 2.4 layout diagram of omni-directional crawler fire fighting robot 2.4本章小結(Summary

54、 of This Chapter) 在本章中，對全方位履帶式消防機器人的總體方案進行了設計。明確了消防機器人的具體功能，能夠耐高溫并進入有毒氣體的火災現(xiàn)場。機身具有防爆密封的功能，保護內部的電路板不受外界惡劣環(huán)境的干擾。裝有電控水炮，能夠進行小范圍的滅火工作。具有足夠的驅動力，提供驅動力，能夠進行越障，并且能夠攀爬小于等于三十度的斜坡。由此確定了消防機器人的各項性能指標，確定了行走機構，采用履帶式行走機構，且驅動輪后置，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)。在傳動系統(tǒng)的確定上，扭矩傳遞采用路徑為電機—減速器—傳動軸—驅動輪的路徑。電機采用無刷直流電機，減速

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

56、。 Error! No text of specified style in document.發(fā)射點犯得上 3 履帶式消防機器人機械結構設計 3 履帶式消防機器人機械結構設計 3 Mechanism Design of All-direction Crawler Fire Fighting Robot 3.1底盤行走結構以及箱體設計(Chassis Walking Structure and System Design) 3.1.1履帶結構設計 行走機構里最關鍵的部分就是履帶，通過驅動輪帶動履帶不停移動，履帶帶動整個消防機器人進行運動。在履帶的設計方案中通

57、常有兩種，一、橡膠履帶，通常用于小型輕量的機器人，如勘測機器人，消防機器人等。二、金屬履帶，通常應用于大型重量的機器人，如坦克，拖拉機等。 經(jīng)過對機器人的工作環(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器人。 根據(jù)設計原理可知，履帶節(jié)距與整體載重的關系為： （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)市場上履帶的具體尺寸，取=70.4mm，=148mm。依據(jù)現(xiàn)今市場上已有的橡膠履帶，經(jīng)過選

58、取，采用阻燃特種橡膠履帶，該產(chǎn)品采用復合耐磨橡膠材料，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 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計 在整個行走機構中，驅動輪作為動力輸出，通過電機對其輸出動力，驅動輪再將輸出的動力傳遞給履帶，帶動整個機器人運動。設計驅動輪最重要的一點就是要確定驅動輪和履帶在嚙合過程中平順，沒有干涉。驅動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。本文中驅動輪材料采用42CrMo制作而成，具有一定的強度和韌性，耐高溫，耐腐蝕。 驅動輪采用鏈輪的設計公式來計算相關數(shù)據(jù)，其中可計算出驅動輪分度圓直徑： (3.3) 式中, — 驅動輪分度圓直徑，mm； — 履帶節(jié)距，60mm； — 驅動輪齒數(shù)，z取12。 驅動輪齒數(shù)通常可取10-15，本文中取驅動輪齒數(shù)z=12，可以計算出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。 由此可得驅動輪的基本參數(shù)如上計算中所示參數(shù)。 支重輪用來支撐整體機械的重量，并將其傳遞給履帶，使履帶在運動過程中不易脫落。導向輪用來防止履帶跑偏以及越軌，以此來保證履帶的正常運轉，導向輪可按移動方式分為擺動式和滑動式。 參考履帶機械設計標準 (3.4) (3.5) 式中， — 支重輪直徑，mm； — 導向輪直徑，mm。 根據(jù)公式3.4和3.5計算經(jīng)考

61、慮可得支重輪的直徑=120mm，導向輪的直徑=140mm。支重輪的個數(shù)和分布應該按照具體的地面壓力進行布置,盡可能增加履帶與地面的接觸面積，并且盡量避免支重輪，導向輪，驅動輪之間的相互干涉，支重輪均勻布置4個在下履帶上。 張緊機構是能夠保持履帶張緊使驅動輪與履帶正常嚙合從而保證機器人正常運動的機構。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械，而且需要進行計算彈簧的預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械，如本文中的全方位履帶式消防機器人，其張緊力主要通過調節(jié)螺桿和螺母移動導向輪的位置來給予，且無需計算，該方式結構簡單，易于更換，故本文

62、中采用固定張緊來保持機器人的正常行駛。 3.1.3底盤箱體設計 底盤箱體作為全方位履帶式消防機器人的基本部件，必須起到載重、保護、行走等基本作用。由于全方位履帶式消防機器人的工作環(huán)境較為復雜且危險，對于底盤箱底的定位面，孔等其他部位要具有較高的精度，還要滿足強度與剛度的要求。為了保護機器人內部的控制系統(tǒng)，底盤箱體設計還需考慮到密閉性和防水性等功能。 參考《機械設計手冊》有關箱體的設計規(guī)范，基于機器人自身載重越輕越有利的原則，本設計取用鋁合金材料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器。 根據(jù)全方位履帶式消防機器人的設計要求，機器人必要

63、時需要進入較為狹小的空間如門框等，這就要求機器人的寬度和高度有一定的限度。因此設計機器人的底盤箱體尺寸為1145mm×470mm×200mm。 參考《機械設計手冊》箱體的結構設計中，鑄造箱體的壁厚的計算公式： (3.6) 式中：—當量尺寸; L —鑄件長度，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防爆密封設計(Explosion Protection and Seal design) 3.2.1防爆設計 (1)選擇防爆方式 由于全方位履帶式消防機器人的工作環(huán)境位于火災現(xiàn)場，而火災多發(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)于火災中機器人的箱體外部會產(chǎn)生高溫并與箱體內部產(chǎn)生壓力差，這種情況會對機器人的內部控制系統(tǒng)造成一定損傷，甚至會引起

65、爆炸。為了盡量減小由火災現(xiàn)場惡劣環(huán)境對全方位履帶式消防機器人的影響，有必要對消防機器人進行防爆設計。本節(jié)將就國內消防機器人防爆設計的現(xiàn)狀來對本文的消防機器人進行防爆性能設計。 根據(jù)我國電器設備的防爆標準，防爆的主要方式有充油型、本質安全型、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器人高強度的殼體，內部發(fā)生的爆炸對外部沒有影響且不損壞，要達到這樣高強度的殼體必然會增大設計的復雜性并增加機身的重量。本安型的原理是任何可燃氣體都無法在機器人內部電路正常工作時被點燃，顯然這對依賴于眾多電機設備來進行正常作業(yè)的全方位履帶式消防機器人是相當棘手的。正壓型的原理通過對機器人內部輸入一定

66、量的惰性氣體，使得機器人內部壓力增加，由此防止易燃易爆氣體滲入殼體之內。 出于對全方位履帶式機器人自身載重，內部結構等以及對機器人作業(yè)環(huán)境的考慮，本文中機身殼體密封設計應用于機器人殼體，增安型防爆設計應用于機器人殼體內部。通過對箱體進行密封，來實現(xiàn)機器人的防爆功能。 此外，全方位履帶式消防機器人還需要一些其他的外置的電子設備，如傳感器，攝像頭等。這些設備安裝于消防機器人的外部，無法采取正壓型防爆方式。因此，該類設備均采購本安型防爆設備，以滿足機器人的防爆需求。 3.2.2密封設計 由于全方位履帶式消防機器人具有滅火功能，即能夠噴射消防液體來進行滅火。滅火過程中會不可避免的接觸到一定量的液體，如果機器不進行密封，液體可能會影響甚至破壞機身內部的控制系統(tǒng)，故機器人的密封性十分重要。機器人的密封性可分為兩部分進行考慮：一部分是靜態(tài)密封，主要為機器人殼體連接處的密封、機械臂關節(jié)處的密封等；另一部分是動態(tài)密封，主要有兩個部位的動態(tài)密封，分別為履帶驅動輪與軸承之間、機械臂關節(jié)處等。 根據(jù)機械設計手冊，靜態(tài)密封部分可以使用橡膠密封以及填料密封的方式，橡膠密封結構簡單，質量輕且方便拆卸，可承