哈工大研究生機器人技術(shù)報告

1、用nil機器人技術(shù)大作業(yè)（2015年秋季學(xué)期）題目消防機器人發(fā)展與應(yīng)用姓名學(xué)號班級專業(yè)機械設(shè)計制造及其自動化2015.12.04哈爾濱工業(yè)大學(xué)內(nèi)容及要求1 1 . .以某種機器人（如搬運、焊接、噴漆、裝配等工業(yè)機器人；服務(wù)機器人；仿生魚、蛇等仿生機器人；軍用及其它機器人等）為例，撰寫一篇大作業(yè)，題目自擬，以下內(nèi)容僅作參考：1 1）機器人的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計（包括各部分名稱、功能、傳動等）；2 2）機器人的運動學(xué)及動力學(xué)分析；3 3）機器人的控制及軌跡規(guī)劃；4 4）驅(qū)動及伺服系統(tǒng)設(shè)計；5 5）電氣控制電路圖及部分控制子程序。2 2 . .題目自擬，拒絕雷同和抄襲；3 3 . .參考文獻(xiàn)不少于 7 7

2、篇，其中至少有 2 2 篇外文文獻(xiàn)；4 4 . .報告統(tǒng)一用該模板撰寫，字?jǐn)?shù)不少于 50005000 字，上限不限；5 5 . .正文為小四號宋體，1.251.25 倍行距；圖表規(guī)范，標(biāo)注為五號宋體；6 6 . .用 A4A4 紙單面打?。蛔髠?cè)裝訂，1 1 枚釘；7 7 . .提交打印稿及 0303 版 wordword 電子文檔，由班長收齊。8 8 . .此頁不得刪除。評語:教師簽名:成績（2020 分）:年消防機器人發(fā)展與應(yīng)用一、我國消防機器人的市場需求近年來，我國石油化工等行業(yè)有了飛速的發(fā)展和進(jìn)步，生產(chǎn)過程中的易燃易爆和劇毒化學(xué)制品急劇增長，由于設(shè)備以及管理等方面的原因，導(dǎo)致化學(xué)危險品和

3、放射性物質(zhì)泄漏以及燃燒、爆炸的事故隱患越來越多。一旦事故發(fā)生，假如沒有有效的方法、裝備及設(shè)施，救援人員將無法進(jìn)入事故現(xiàn)場要冒然采取行動，往往只會造成無辜生命的犧牲出慘重代價，結(jié)果仍不能達(dá)到預(yù)期目的，這方面各地消防及救援部門已有許多次血的教訓(xùn)。深圳清水河大爆炸、南京金陵石化火災(zāi)、北京東方化工廠罐區(qū)火災(zāi)等事件發(fā)生后，全國各地要求配備消防機器人的呼聲愈來愈高。尤其是在明確公安消防部隊作為處置各類化學(xué)危險品泄漏事故的主力軍之后，在我國消防部門配備消防機器人的問題就顯得更為迫切了。二、國外消防機器人發(fā)展現(xiàn)狀國際上較早開展消防機器人研究的是美國和蘇聯(lián)，稍后，英國、日本、法國、德國等國家也紛紛開始研究該類技

4、術(shù)。目前已有很多種不同功能的消防機器人用于救災(zāi)現(xiàn)場。日本投入應(yīng)用的消防機器人最多。8080 年代，日本研制了不少于 5 5種型號的自動行駛滅火機器人，分別配備于大阪、東京、高石、太田、蒲田等消防部門，這類機器人以內(nèi)燃機或電動機作為動力，配置驅(qū)動輪或履帶式行駛機構(gòu)，能爬坡、越障礙；裝有較大噴射流量的消防槍炮，能作俯仰和左右回轉(zhuǎn)；裝有氣體檢測儀器和電視監(jiān)視設(shè)備；通過電纜或無線控制，控制距離最大為 100m100m。另一類機器人為偵察、搶險機器人，除裝有氣體檢測儀器和電視監(jiān)視器設(shè)備外，還裝有機械手，能通過遙控處理危險物品。美國已研制出能依靠感覺信息控制的救災(zāi)智能化機器人，如 19941994 年用于

5、探測阿拉斯加州斯拍活火山的“但丁 2 2 號”， 抓獲殺人犯的 RMRM1-91-9 型遙控消防機器人等。亞利桑那州消防部門研制的消防機器人，裝有破拆工具和消防水槍，能一邊破拆，一邊噴射滅火。英國智能化保安公司生產(chǎn)的 RORO- -VEHVEH 遙控消防車已裝備于中部和西部消防部門， 配置為履帶式或輪式行駛機構(gòu)，能爬樓梯，通過電纜供電或自攜蓄電池供電。裝有消防水炮、攝像機或熱像儀。采用有線控制方式。19851985 年英國中西部消防部門和 FirmaSASFirmaSAS 公司聯(lián)合研制的機器人消防車，用 HunterlllHunterlll 汽車改裝而成，裝有雙臂、水槍、探測器（溫度、化學(xué)物質(zhì)

6、、輻射等卜工業(yè)電視攝像機、紅外線裝置。機械手用來啟閉閥門、搬移物品或開門等。國際上對消防機器人的研究可分為三個階段（三代），第一代是程序控制消防機器人，第二代是具有感覺功能的消防機器人，第三代是智能化消防機器人。目前，工業(yè)發(fā)達(dá)國家正在加快開發(fā)具有不同功能的實用型的第二代消防機器人和第三代低級智能化消防機器人，著手研究第三代高級智能機器人。一些工業(yè)發(fā)達(dá)國家把研究開發(fā)消防機器人列入國家技術(shù)發(fā)展規(guī)劃，將它作為經(jīng)濟發(fā)展的一個重要保證手段。三、國內(nèi)消防機器人國內(nèi)的機器人研制工作始于 2020 世紀(jì) 7070 年代，并在機器人的感覺識別、操作、移動技術(shù)等方而取得了比較大的進(jìn)展。 2020 世紀(jì) 9090

7、年代， 國家把消防機器人的研制課題正式作為國家 863863 高科技計劃研究發(fā)展項目，組織有關(guān)單位進(jìn)行研發(fā)。自此，國內(nèi)的消防機器人的研制工作正式起步。與此同時，上海消防科研所專門成立了上海強師消防裝備有限公司，會同上海交通大學(xué)和上海市消防總隊，聯(lián)合研制消防機器人。歷經(jīng)數(shù)年，消防機器人一自行式消防水炮研制成功，并在通過專家組驗收。該自行式消防水炮可以承擔(dān)滅火、冷卻和化學(xué)污染場所的洗消等危險任務(wù)。以后，安徽明光消防車廠生產(chǎn)出遙控滅火消防車，撫順起重工程有限公司也研制出“多功能消防機器人”。近幾年來，江蘇、遼寧、云南、湖北等地的消防部隊先后陸續(xù)配備了一部分國產(chǎn)和進(jìn)口消防機器人。1 1、根據(jù)危險場所的

8、火場偵察、排煙、滅火和搶險救援工作的實際需要，研發(fā)系列化的消防機器人。如，組合式自動爬樓排煙機器人，自動爬樓冷氣溶膠滅火機器人、自動爬樓多功能滅火機器人、多功能搶險救援機器人、自動爬樓多功能后勤保障照明等系列消防機器人。這樣，將使我國消防機器人在危險場所滅火救援領(lǐng)域中的實際運用大大向前推動了一步，為實現(xiàn)科技強警、打造消防鐵軍和提升滅火救援戰(zhàn)斗力提供了新的技術(shù)裝備保障。同時，系列化的消防機器人將具有自己的自主知識產(chǎn)權(quán)。2 2、實現(xiàn)機器人真正意義上的爬樓梯。即，消防機器人既能夠上樓，又能夠下樓，自動行走，其獨有的防傾翻專利技術(shù)使消防機器人上下爬坡坡度 4354350 0（進(jìn)口“陸虎 6060”排煙

9、機器人爬坡度3030、下坡度1515）。此外，由于消防機器人的外形尺寸比較小，長 x x 寬 x x 高不超過 11001100mmxmmx850850mmx1500mm,mmx1500mm,對于我國相關(guān)規(guī)范規(guī)定的建筑樓梯寬度以及地鐵上下過道，能夠上下樓梯自如、平穩(wěn)， 并且行走速度達(dá)到 5 57 7km/h,km/h,從而解決大功率、 重型消防裝備無法接近高層或地下以及狹窄、易爆火災(zāi)現(xiàn)場的這一困惑人們多年不能實現(xiàn)的“登高、入地”的消防難題。3 3、消防機器人的動力采用當(dāng)今世界上先進(jìn)的低碳、環(huán)保動力源。該動力源其一體積小，從而有效的增加了消防裝備的安裝空間，減輕了自重。其二使用時間長，一次可有效

10、使用 3h,3h,并可通過后勤保障機器人和其他方式提供持續(xù)動力。其三功率比較大，從而使得大功率的消防裝備能夠得以在消防機器人上安裝并配合使用。4 4、裝載量大。消防機器人的自重 0.0.2 2t t 左右，而可載的消防裝置或滅火劑至少在300300800800kgkg 以上。5 5、消防機器人的消防裝備將采用最新的系統(tǒng)工程優(yōu)化設(shè)計。如機器人上安裝的排煙裝置，無論是驅(qū)動裝置，還是葉片等核心部件，均是當(dāng)今一流的設(shè)計與施工（專利技術(shù)），盡管只有不到 1 1m m2的底座安裝平而而積，總排煙量可能接近 200000200000m m3/h,/h,是進(jìn)口“陸虎 6060”排煙機器人排煙量的 4 4 倍以

11、上， 只略低于號稱世界排煙之王一法國“MVMVU U型”排煙車的排煙量，真正實現(xiàn)小型裝置大功率化。此外，消防機器人還同時具有降溫、除塵、化學(xué)洗消等功能。而能夠深入到災(zāi)害現(xiàn)場的救人機器人，更是構(gòu)思新穎，設(shè)計獨特，搜救人員和被救護者能夠在缺氧、有毒的環(huán)境下生存時間4ho4ho6 6、消防機器人具有自良好的我保護功能。機器人上安裝的所有電器以及線路都具有耐高溫、抗輻射、防爆炸、防水的措施和功能。行走機構(gòu)耐高溫、防水。并且，機器人外部裝備有緊急噴射自保裝置，為消防機器人的自身安全提供可靠的保障。7 7、消防機器人的操控系統(tǒng)由帶顯示器白控制器以及帶有減速裝置的等 3 3 部分組成，操控方便、可靠、實用。

12、8 8、所有消防機器人均具有對火場的偵查和監(jiān)控功能。四、消防機器人的分類及主要技術(shù)特征為了便于消防機器人的研究和探索，我們不妨從消防機器人實戰(zhàn)要求的角度出發(fā)，進(jìn)行以下分類：1 1、從主要功能上可分為：a a 滅火機器人；b.b.火場偵察機器人；c c 危險物品泄漏探測機器人；d.d.破拆機器人；e e 救人機器人；f f 多功能消防機器人等。2 2、從行走方式可分為：a a 輪式行走消防機器人；b.b.履帶式行走消防機器人；c.c.履帶輪式行走消防機器人；d.d.吸盤式行走消防機器人等。3 3、從控制方式上可分為：a a 線控消防機器人；b.b.無線遙控消防機器人；c.c.自適應(yīng)消防機器人等。

13、4 4、從智能化程度上可分為：a a 程序化控制消防機器人；b.b.具有感覺功能計算機輔助控制消防機器人；c c 智能化消防機器人等。5 5、從感覺功能上可分為：a.a.視覺消防機器人；b.b.嗅覺消防機器人；c.c.溫感消防機器人；d.d.觸覺消防機器人等。消防機器人往往需要在高溫、強熱輻射、濃煙、地形復(fù)雜、障礙物多、化學(xué)腐蝕、易燃易爆等惡劣環(huán)境中進(jìn)行火場偵察，化學(xué)危險品探測、滅火、冷卻、洗消、破拆、救人、啟閉閥門、搬移物品、堵漏、化學(xué)危險品處置等作業(yè)，因此作為某種特定功能的消防機器人應(yīng)該具備以下某項或幾項行走和自衛(wèi)功能：a.a.爬坡、爬梯及障礙物跨越功能；b.b.耐溫和抗熱輻射功能；c.c

14、.防雨淋功能；d.d.防爆（隔爆）功能；e.e.防化學(xué)腐蝕功能；f.f.防電磁干擾功能等。五、我國消防機器人的研發(fā)自八十年代末開始，我國消防部隊裝備歸口研究單位公安部上海消防研究所在公安部的支持下曾多次對作為滅火消防機器人重要組成部分的遠(yuǎn)控消防炮系統(tǒng)及相應(yīng)的研究試驗技術(shù)進(jìn)行了立項研究，重點解決遠(yuǎn)控消防炮系統(tǒng)在油碼頭等場合的工程應(yīng)用問題，目前該成果已成功地應(yīng)用于我國眾多的油碼頭、油罐區(qū)和飛機維修庫等場合，相關(guān)產(chǎn)品在國內(nèi)占據(jù)了百分之八十以上的市場份額，產(chǎn)品和工程應(yīng)用技術(shù)已經(jīng)比較成熟，為我國消防機器人的研究奠定了良好的基礎(chǔ)。19981998 年 8 8月，由該所承擔(dān)，在上海市科委立項的“自行式消防炮

15、（六輪消防滅火機器人）通過了專家鑒定。次年，由該所研制的“履帶式消防滅火機器人”也順利完成。20002000 年 6 6 月 2424 日， 由公安部上海消防研究所、 上海交通大學(xué)和上海市消防局三家單位共同承擔(dān)的國家 863863 項目“履帶輪式消防滅火偵察機器人”研制成功并順利通過國家驗收，該機器人就是一種集火場探測，消防，有毒、易燃、易爆氣體場所探測等多種功能于一體的消防機器人ZXPJ01ZXPJ01 型消防機器人。1 1、功能介紹ZXPJ01ZXPJ01 型消防機器人的主要功能有：(1)(1)移動功能：操作人員通過遙控臺遠(yuǎn)距離控制消防機器人本體駛?cè)牖饒觯?2)(2)消防功能：接近火源，噴

16、射滅火劑滅火，功進(jìn)行冷卻、稀釋、清洗、隔離等消防、化學(xué)救援作業(yè)；(3)(3)探測功能：探測火場內(nèi)有毒及可燃?xì)怏w種類、濃度及變化趨勢；探測火場內(nèi)輻射熱、風(fēng)速、風(fēng)向；(4)(4)防爆功能：本體在易燃、易爆環(huán)境中作業(yè)不會引起火災(zāi)和爆炸；(5)(5)冷卻功能：本體在高溫的惡劣環(huán)境中能保護自身的安全，正常工作；(6)(6)救護功能：呼喚火場內(nèi)部可能有的未撤離人員；(7)(7)觀察功能：安裝有兩個 CCDCCD 攝相機，可以觀察火場和機器人本體情況；(8)(8)通訊功能：有圖像、聲音、數(shù)據(jù)傳輸功能，傳輸距離 150150 米；(9)(9)預(yù)警功能：根據(jù)探測結(jié)果可以預(yù)報緊急情況發(fā)生，并有相應(yīng)應(yīng)急處理能力2

17、2、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)ZXPJ01ZXPJ01 型消防機器人系統(tǒng)主要由五部分組成：機器人移動平臺，人機接口(機器人控制臺)，控制系統(tǒng)，現(xiàn)場監(jiān)視系統(tǒng)(立體場景顯示)和上、下位機通訊系統(tǒng)；其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 1 1 所示。第動劇機等人移動平臺圖1、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖操作員通過監(jiān)視器和立體場景顯示了解機器人的姿態(tài)和有關(guān)環(huán)境信息，操縱操作桿控制機器人的速度和轉(zhuǎn)向角速度，通過鍵盤或控制開關(guān)進(jìn)行功能切換。通過串行通人一機接口操作面板機簿人理翎戶訊將上位機的控制指令發(fā)送給下位機；下位機進(jìn)行任務(wù)規(guī)劃，通過驅(qū)動器來控制機器人。3 3、系統(tǒng)工作原理如圖 2 2 所示，消防機器人的后方控制臺以及供電、泡沫消防車等構(gòu)成了消防機器人的后方

18、控制和供應(yīng)系統(tǒng)，另一部分以消防機器人的車體為主體，集行走、化學(xué)偵檢、溫度和輻射熱探測、火情偵察、滅火、正壓防爆等主要功能于一身。車體運動所需電力和控制、偵檢、視頻等信號均通過電纜傳輸，消防炮的供水或泡沫液通過水帶輸送，對消防機器人的控制通過對后方控制臺的操作完成，操作人員根據(jù)對車體運行姿態(tài)，炮的噴射點的直接觀察以及后方控制臺顯示的從前方送回的溫度、輻射熱、前后擺臂狀態(tài)、火場場景及化學(xué)偵察結(jié)果等通過人機操作界面對車體發(fā)出相關(guān)的控制指令。車體所攜帶的控制系統(tǒng)一方面根據(jù)從后方控制臺發(fā)來的指令對相應(yīng)的設(shè)備發(fā)送控制信號，另一方面負(fù)責(zé)將現(xiàn)場采集的各項參數(shù)、信號傳送給后方控制臺，以幫助操作人員進(jìn)行科學(xué)合理的

19、決策。消防也噴射圖2、消防機器人工作原理示意圖4 4、控制系統(tǒng)硬件設(shè)計ZXPJ01ZXPJ01 消防機器人控制系統(tǒng)硬件主要由上位機和下位機兩部分組成，分別以 ICPICP（工控機）和 PLCPLC（可編程邏輯控制器）為控制核心。其結(jié)構(gòu)框圖如圖 3 3 所示。上位機負(fù)責(zé)采樣操縱桿的模擬信號和控制臺控制按鈕的狀態(tài)信息。操縱桿有兩個正交的電位器，分別用來測量 x x、y y 方向上的電壓信號。該信號經(jīng)過 A/DA/D 轉(zhuǎn)換，通過轉(zhuǎn)接板、DIDI（數(shù)字信號輸入）板傳送給上位機（ICPICP 一控機）。上位機讀取該數(shù)字信號，并由此計算機器人左右驅(qū)動輪的行駛速度，通過串行通訊將它傳送到下位機（PLCPLC

20、 一可編程邏輯控制器）控制變頻器的頻率設(shè)定選擇輸入點來控制移動載體的行駛速度。左、右輪的速度控制參數(shù)由下式計算操作培K機界面后方信息處用-信展步送信電里收信息接收 L 控制信號外套 a 詈示燈抻制溫度傳信鼎一抨毒氣體化理邂車蚱前方運行要備ccqccq-fe 除射竹融器啜電帶瓶車訃用電電埴量空控制Vi=（；.+；A）/2I匕=（小人）/2J Jv,J Jh分別為操縱桿橫向和縱向電位器電勢測量值。最后將速度分為四檔，控制變頻器的頻率設(shè)定選擇。V Vl、V Vr分別為左右驅(qū)動輪的速度，符號為正表示正轉(zhuǎn)，為負(fù)表示反轉(zhuǎn)。通過左右驅(qū)動輪的正反轉(zhuǎn)和不同的速度檔控制移動載體的前進(jìn)、后退和左右轉(zhuǎn)向。上位機根據(jù)操

21、縱桿的采樣值計算出移動載體的行駛速度，和對其它信號采樣結(jié)果進(jìn)行處理，避免有沖突的操作發(fā)生?？刂婆_操作面板主要是控制四個擺臂、水炮的運動、CCDCCD 的調(diào)焦和變焦、噴霧、正壓以及探測。:二土一二一一一二二一二 LTLT._I-一T 卜.一圖3、消防機器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖下位機主要由 S7-CPUS7-CPU214214 三個數(shù)字量輸出模塊 EMEM222222、 一個模擬量輸入模塊 EMEM231231（輸入點數(shù)為 3,3,模數(shù)轉(zhuǎn)換時間為 25us25us）,2,2 個變頻器、探測傳感器，采樣控制模塊以及電源系統(tǒng)等組成。CPUCPU214214 作為下位機的控制核心，主要是存儲和運行控制程序、

22、與上位機以及擴展模塊之間的通訊和控制左右驅(qū)動輪的速度。我們將變頻器的參數(shù)設(shè)定為 4 4 速模式，具有制動啟動和停車功能，防止在斜面上行進(jìn)時出現(xiàn)失控現(xiàn)象和頻繁緊急啟、停車對機械系統(tǒng)造成損壞。利用上位機發(fā)送的速度信號控制變頻器的頻率設(shè)定選擇實現(xiàn)移動載體的速度控制。DLIGDLIG模塊為多輸入三輸出模塊，由采樣控制模塊來控制選通傳感器輸入。因為 EMEM231231 只具有 3 3 路 A/DA/D 轉(zhuǎn)換，而需要采樣的傳感器信號有 1616 路，因此要對這 1616 路信號進(jìn)行循環(huán)采樣。上、下位機的信息通過串行通訊來進(jìn)行通訊。上位機的通訊口為 ICPICP 的 COMCOM1 1 口，通訊協(xié)議為 RS232RS232 通訊，其通訊距離較短，而消防機器人的遙控距離最遠(yuǎn)為 150150 米，另外，PLCPLC 的通訊協(xié)議采用的是 RS485RS485 通訊，為此選用 RS232/PPRS232/PPI IST2ukST2uk*A*A穩(wěn)壓電圖開美電源）前 后 提臂 那 水期控制探浦和交斌壓電源控制=ft翻 H H隹 T T遺訊袋塊7 72222。上位機V VJ JILILK KKMB1KMB1FA122!FA122!FM2