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1、机器人技术大作业（2015年秋季学期）题目消防机器人发展与应用姓 名学 号班 级专 业机械设计制造及其自动化报告提交日期2015.12.04哈尔滨工业大学2机器人技术大作业内容及要求1. 以某种机器人(如搬运、焊接、喷漆、装配等工业机器人；服务机器人；仿生鱼、蛇等仿生机器人；军用及其它机器人等)为例，撰写一篇大作业，题目自拟，以下内容仅作参考：1) 机器人的机械结构设计(包括各部分名称、功能、传动等)； 2) 机器人的运动学及动力学分析；3) 机器人的控制及轨迹规划；4) 驱动及伺服系统设计；5) 电气控制电路图及部分控制子程序。 2. 题目自拟，拒绝雷同和抄袭；3. 参考文献不少于7篇，其中
2、至少有2篇外文文献；4. 报告统一用该模板撰写，字数不少于5000字，上限不限；5. 正文为小四号宋体，1.25倍行距；图表规范，标注为五号宋体；6. 用A4纸单面打印；左侧装订，1枚钉；7. 提交打印稿及03版word电子文档，由班长收齐。8. 此页不得删除。评语：成绩（20分）：教师签名： 年 月 日消防机器人发展与应用一、我国消防机器人的市场需求近年来，我国石油化工等行业有了飞速的发展和进步，生产过程中的易燃易爆和剧毒化学制品急剧增长，由于设备以及管理等方面的原因，导致化学危险品和放射性物质泄漏以及燃烧、爆炸的事故隐患越来越多。一旦事故发生，假如没有有效的方法、装备及设施，救援人员将无法
3、进入事故现场要冒然采取行动，往往只会造成无辜生命的牺牲出惨重代价，结果仍不能达到预期目的，这方面各地消防及救援部门已有许多次血的教训。深圳清水河大爆炸、南京金陵石化火灾、北京东方化工厂罐区火灾等事件发生后，全国各地要求配备消防机器人的呼声愈来愈高。尤其是在明确公安消防部队作为处置各类化学危险品泄漏事故的主力军之后，在我国消防部门配备消防机器人的问题就显得更为迫切了。二、国外消防机器人发展现状国际上较早开展消防机器人研究的是美国和苏联，稍后，英国、日本、法国、德国等国家也纷纷开始研究该类技术。目前已有很多种不同功能的消防机器人用于救灾现场。日本投入应用的消防机器人最多。80年代，日本研制了不少于
4、5种型号的自动行驶灭火机器人，分别配备于大阪、东京、高石、太田、蒲田等消防部门，这类机器人以内燃机或电动机作为动力，配置驱动轮或履带式行驶机构，能爬坡、越障碍；装有较大喷射流量的消防枪炮，能作俯仰和左右回转；装有气体检测仪器和电视监视设备；通过电缆或无线控制，控制距离最大为100m。另一类机器人为侦察、抢险机器人，除装有气体检测仪器和电视监视器设备外，还装有机械手，能通过遥控处理危险物品。美国已研制出能依靠感觉信息控制的救灾智能化机器人，如1994年用于探测阿拉斯加州斯拍活火山的“但丁2号”，抓获杀人犯的RM 1一9型遥控消防机器人等。亚利桑那州消防部门研制的消防机器人，装有破拆工具和消防水枪
5、，能一边破拆，一边喷射灭火。英国智能化保安公司生产的RO一VEH遥控消防车已装备于中部和西部消防部门，配置为履带式或轮式行驶机构，能爬楼梯，通过电缆供电或自携蓄电池供电。装有消防水炮、摄像机或热像仪。采用有线控制方式。1985年英国中西部消防部门和Firma SAS公司联合研制的机器人消防车，用HunterIII汽车改装而成，装有双臂、水枪、探测器(温度、化学物质、辐射等)、工业电视摄像机、红外线装置。机械手用来启闭阀门、搬移物品或开门等。国际上对消防机器人的研究可分为三个阶段(三代)，第一代是程序控制消防机器人，第二代是具有感觉功能的消防机器人，第三代是智能化消防机器人。目前，工业发达国家正
6、在加快开发具有不同功能的实用型的第二代消防机器人和第三代低级智能化消防机器人，着手研究第三代高级智能机器人。一些工业发达国家把研究开发消防机器人列入国家技术发展规划，将它作为经济发展的一个重要保证手段。三、国内消防机器人 国内的机器人研制工作始于20世纪70年代，并在机器人的感觉识别、操作、移动技术等方而取得了比较大的进展。20世纪90年代，国家把消防机器人的研制课题正式作为国家863高科技计划研究发展项目，组织有关单位进行研发。自此，国内的消防机器人的研制工作正式起步。与此同时，上海消防科研所专门成立了上海强师消防装备有限公司，会同上海交通大学和上海市消防总队，联合研制消防机器人。历经数年，
7、消防机器人自行式消防水炮研制成功，并在通过专家组验收。该自行式消防水炮可以承担灭火、冷却和化学污染场所的洗消等危险任务。以后，安徽明光消防车厂生产出遥控灭火消防车，抚顺起重工程有限公司也研制出“多功能消防机器人”。近几年来，江苏、辽宁、云南、湖北等地的消防部队先后陆续配备了一部分国产和进口消防机器人。1、根据危险场所的火场侦察、排烟、灭火和抢险救援工作的实际需要，研发系列化的消防机器人。如，组合式自动爬楼排烟机器人，自动爬楼冷气溶胶灭火机器人、自动爬楼多功能灭火机器人、多功能抢险救援机器人、自动爬楼多功能后勤保障照明等系列消防机器人。这样，将使我国消防机器人在危险场所灭火救援领域中的实际运用大
8、大向前推动了一步，为实现科技强警、打造消防铁军和提升灭火救援战斗力提供了新的技术装备保障。同时，系列化的消防机器人将具有自己的自主知识产权。 2、实现机器人真正意义上的爬楼梯。即，消防机器人既能够上楼，又能够下楼，自动行走，其独有的防倾翻专利技术使消防机器人上下爬坡坡度35(进口“陆虎60”排烟机器人爬坡度30、下坡度15）。此外，由于消防机器人的外形尺寸比较小，长x宽x高不超过1 100 mm x 850 mm x 1 500 mm，对于我国相关规范规定的建筑楼梯宽度以及地铁上下过道，能够上下楼梯自如、平稳，并且行走速度达到57 km/h，从而解决大功率、重型消防装备无法接近高层或地下以及狭
9、窄、易爆火灾现场的这一困惑人们多年不能实现的“登高、入地”的消防难题。 3、消防机器人的动力采用当今世界上先进的低碳、环保动力源。该动力源其一体积小，从而有效的增加了消防装备的安装空间，减轻了自重。其二使用时间长，一次可有效使用3h，并可通过后勤保障机器人和其他方式提供持续动力。其三功率比较大，从而使得大功率的消防装备能够得以在消防机器人上安装并配合使用。4、装载量大。消防机器人的自重0. 2 t左右，而可载的消防装置或灭火剂至少在300800 kg以上。5、消防机器人的消防装备将采用最新的系统工程优化设计。如机器人上安装的排烟装置，无论是驱动装置，还是叶片等核心部件，均是当今一流的设计与施工
10、(专利技术)，尽管只有不到1 m2的底座安装平而而积，总排烟量可能接近200000 m3/h，是进口“陆虎60”排烟机器人排烟量的4倍以上，只略低于号称世界排烟之王法国“MVU型”排烟车的排烟量，真正实现小型装置大功率化。此外，消防机器人还同时具有降温、除尘、化学洗消等功能。而能够深入到灾害现场的救人机器人，更是构思新颖，设计独特，搜救人员和被救护者能够在缺氧、有毒的环境下生存时间4h。6、消防机器人具有自良好的我保护功能。机器人上安装的所有电器以及线路都具有耐高温、抗辐射、防爆炸、防水的措施和功能。行走机构耐高温、防水。并且，机器人外部装备有紧急喷射自保装置，为消防机器人的自身安全提供可靠的
11、保障。7、消防机器人的操控系统由带显示器的控制器以及带有减速装置的等3部分组成，操控方便、可靠、实用。8、所有消防机器人均具有对火场的侦查和监控功能。四、消防机器人的分类及主要技术特征为了便于消防机器人的研究和探索，我们不妨从消防机器人实战要求的角度出发，进行以下分类：1、从主要功能上可分为：a.灭火机器人；b.火场侦察机器人；c.危险物品泄漏探测机器人；d.破拆机器人；e.救人机器人；f多功能消防机器人等。2、从行走方式可分为：a.轮式行走消防机器人；b.履带式行走消防机器人；c.履带轮式行走消防机器人；d.吸盘式行走消防机器人等。3、从控制方式上可分为：a.线控消防机器人；b.无线遥控消防
12、机器人；c.自适应消防机器人等。4、从智能化程度上可分为：a.程序化控制消防机器人；b.具有感觉功能计算机辅助控制消防机器人；c.智能化消防机器人等。5、从感觉功能上可分为： a.视觉消防机器人； b.嗅觉消防机器人； c.温感消防机器人； d.触觉消防机器人等。 消防机器人往往需要在高温、强热辐射、浓烟、地形复杂、障碍物多、化学腐蚀、易燃易爆等恶劣环境中进行火场侦察，化学危险品探测、灭火、冷却、洗消、破拆、救人、启闭阀门、搬移物品、堵漏、化学危险品处置等作业，因此作为某种特定功能的消防机器人应该具备以下某项或几项行走和自卫功能： a.爬坡、爬梯及障碍物跨越功能； b.耐温和抗热辐射功能； c
13、.防雨淋功能； d.防爆(隔爆)功能； e.防化学腐蚀功能；f.防电磁干扰功能等。五、我国消防机器人的研发自八十年代末开始，我国消防部队装备归口研究单位公安部上海消防研究所在公安部的支持下曾多次对作为灭火消防机器人重要组成部分的远控消防炮系统及相应的研究试验技术进行了立项研究，重点解决远控消防炮系统在油码头等场合的工程应用问题，目前该成果已成功地应用于我国众多的油码头、油罐区和飞机维修库等场合，相关产品在国内占据了百分之八十以上的市场份额，产品和工程应用技术已经比较成熟，为我国消防机器人的研究奠定了良好的基础。1998年8月，由该所承担，在上海市科委立项的“自行式消防炮”(六轮消防灭火机器人)
14、通过了专家鉴定。次年，由该所研制的“履带式消防灭火机器人”也顺利完成。2000年6月24日，由公安部上海消防研究所、上海交通大学和上海市消防局三家单位共同承担的国家863项目“履带轮式消防灭火侦察机器人”研制成功并顺利通过国家验收，该机器人就是一种集火场探测，消防，有毒、易燃、易爆气体场所探测等多种功能于一体的消防机器人ZXPJ01型消防机器人。1、功能介绍ZXPJ01型消防机器人的主要功能有：（1）移动功能：操作人员通过遥控台远距离控制消防机器人本体驶入火场；（2）消防功能：接近火源，喷射灭火剂灭火，功进行冷却、稀释、清洗、隔离等消防、化学救援作业；（3）探测功能：探测火场内有毒及可燃气体种
15、类、浓度及变化趋势；探测火场内辐射热、风速、风向；（4）防爆功能：本体在易燃、易爆环境中作业不会引起火灾和爆炸；（5）冷却功能：本体在高温的恶劣环境中能保护自身的安全，正常工作；（6）救护功能：呼唤火场内部可能有的未撤离人员；（7）观察功能：安装有两个CCD摄相机，可以观察火场和机器人本体情况；（8）通讯功能：有图像、声音、数据传输功能，传输距离150米；（9）预警功能：根据探测结果可以预报紧急情况发生，并有相应应急处理能力。2、系统结构ZXPJ01型消防机器人系统主要由五部分组成：机器人移动平台，人机接口(机器人控制台)，控制系统，现场监视系统(立体场景显示)和上、下位机通讯系统；其系统结构如图1所示。图1、系统结构框图操作员通过监视器和立体场景显示了解机器人的姿态和有关环境信息，操纵操作杆控制机器人的速度和转向角速度，通过键盘或控制开关进行功能切换。通过串行通讯将上位机的控制指令发送给下位机；下
