消防機器人設(shè)計,消防,機器人,設(shè)計 1.選題的背景和意義 近年來，我國石化等基礎(chǔ)工業(yè)有了飛速的發(fā)展，在生產(chǎn)過程中的易燃易爆和劇毒化學(xué)制品急劇增長，導(dǎo)致化學(xué)危險品和放射性物質(zhì)泄漏、燃燒爆炸的事故增多。目前由于人們的防火意識比較差，生活中火災(zāi)頻發(fā)，消防戰(zhàn)士在滅火中犧牲寶貴生命的事件不在少數(shù)，迫切要求機器代替人去執(zhí)行滅火任務(wù)。消防機器人屬于特種機器人范疇，它作為特種消防設(shè)備可以替代消防隊員接近火災(zāi)現(xiàn)場實施有效的滅火救援作業(yè)，開展各項火場偵察任務(wù)，尤其是在危險性大或者消防隊員不易接近的場合，消防機器人的應(yīng)用將大大提高消防部門撲滅惡性火災(zāi)的能力，對減少國家財產(chǎn)損失和滅火救援人員的傷亡具有重要的作用。一旦事故發(fā)生,假如沒有有效的方法、裝備及設(shè)施，救援人員將無法進入事故現(xiàn)場,而要冒然采取行動，往往只會造成無辜生命的犧牲,付出慘重代價，在我國消防部門配備消防機器人的問題非常迫切了。消防機器人的應(yīng)用將大大提高消防部門撲滅惡性火災(zāi)的能力 針對這個問題，前人已經(jīng)做了很多的研究，有基于人為地控制機器人的活動和滅火，這樣使得不得不靠人來控制，浪費人力資源，不能很好的實現(xiàn)滅火的效果。 2.研究目標(biāo)和內(nèi)容 2.1 在消防小車上完成以下設(shè)計目標(biāo)及內(nèi)容： 1）個體功能： 要求機器人按照如圖所示的軌跡行走，當(dāng)達到目標(biāo)物時，抓住目標(biāo)并放置到小車（機器人）上，然后繼續(xù)向前運行，并完成90°拐彎，達到第二個目標(biāo)物，再次抓取放進車內(nèi)。 2）機械臂結(jié)構(gòu)。機械臂機械結(jié)構(gòu)形式的選型和設(shè)計，是根據(jù)實際需要進行的。 在機械臂機構(gòu)方面，結(jié)合機器人在各個領(lǐng)域及各種場合的應(yīng)用，研究人員開展了豐富而富有創(chuàng)造性的工作。 3）運動控制技術(shù)。穩(wěn)健的運動控制技術(shù)是移動機器人整體性能的基礎(chǔ)，由于消防機器人機械臂本身是一個非完整約束系統(tǒng)，是一個欠驅(qū)動的零漂移的動力學(xué)系統(tǒng)，因此，該系統(tǒng)不能通過連續(xù)可微的時不變的狀態(tài)反饋加以鎮(zhèn)定。為此，通過時變、不連續(xù)控制以及混合策略，根據(jù)動力學(xué)模型和運動學(xué)模型，建立合理的反饋控制律，實現(xiàn)速度和轉(zhuǎn)向的自動控制，以及不同工作狀態(tài)之間的平穩(wěn)過渡，是該項技術(shù)的核心內(nèi)容。 2.2擬解決關(guān)鍵問題 2.2.1 消防機器人的機械手臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計 ? 當(dāng)移動平臺需要搭載如移動機械臂這樣的多自由度移動機構(gòu)的時候，僅僅保留第一自由度即方向機，在方向機上加載移動機械臂，方向機的繞垂直方向360 度的旋轉(zhuǎn)也作為移動機械臂的自由度之一。 作為一款多功能移動機器人，為完成如排爆等任務(wù)，抓取危險品移動至安全排爆地點，移動機械臂必須具有足夠的自由度，能夠靈活的移動指定目標(biāo)位置來抓取目標(biāo)物，為此自由度至少應(yīng)該在5 個以上。如何準(zhǔn)確的夾持危險品，并順利的回收到車上。這也是該設(shè)計項目的一個重點。 1）手部結(jié)構(gòu)。機械手手部(末端執(zhí)行器)結(jié)構(gòu)形式多樣，但總的設(shè)計都有如下幾點基本要求:應(yīng)具有適當(dāng)?shù)膴A緊力和驅(qū)動力，手指握力(夾緊力)大小要適宜，力量過大則動力消耗多，結(jié)構(gòu)龐大，不經(jīng)濟，甚至?xí)p壞抓取物體;力量過小則夾持不住或產(chǎn)生松動、脫落。在確定握力時，除考慮抓取物體重量外，還應(yīng)考慮傳送或操作過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動，以保證夾持安全可靠；手指應(yīng)具有一定的開閉范圍，手指應(yīng)具有一定的開閉角度(手指從張開到閉合繞支點所轉(zhuǎn)過的角度)或開閉范圍(對平移型手指從張開到閉合的直線移動距離)，以便于抓取或退出物體；應(yīng)保證抓取物體在手指內(nèi)的夾持精度，應(yīng)保證每個被抓取的物體，在手指內(nèi)都有準(zhǔn)確的相對位置；要求結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、效率高，在保證自身剛度、強度的前提下，盡可能使結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕，以利于減輕手臂的負(fù)載。 ?2）臂部結(jié)構(gòu)。手臂部件是機械手的主要部件。它的作用是支手部，并帶動它做橫向的空間運動。臂部運動的目的:把手部送到空間運動范圍內(nèi)的任意一點。因此，臂部具有兩個自由度能滿足基本要求，即手臂的伸縮、左右升降(或俯仰)運動。 臂部運動速度要高，慣性要小。在一般情況下，手臂的移動和回轉(zhuǎn)、俯仰均要求勻速運動，但在手臂的啟動和終止瞬間，運動是變化的，為了減少沖擊，要求啟動時間的加速度和終止前減速度不能太大，否則引起沖擊和振動。手臂動作應(yīng)靈活。為減少手臂運動件之間的摩擦阻力，盡可能用滾動摩擦代替滑動摩擦。位置精度要高。 3.研究方法及技術(shù)路線 機器人的機械部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計；提出詳細的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，并進行相關(guān)自由度和力矩分析和設(shè)計計算。 對每個機構(gòu)上的連接進行自由度限制，并計算齒輪之間的配合公差。通過齒輪傳動來帶動左右兩個手的張開及收縮。多自由度機器人控制難度起來難度大，靈活度低，因而我們設(shè)計以四輪小車為載體的機器人，前輪為二輪導(dǎo)向輪，由一個伺服舵機驅(qū)動，實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎及走直線的校正功能。機械手連接平行四邊形機構(gòu)，可實現(xiàn)機械手整體平行移動，配合左右兩個傳感器，能夠準(zhǔn)確識別危險品并將信號傳達至控制器，從而控制機械手實施救。 4.研究工作基礎(chǔ) 1、機械手的整體結(jié)構(gòu)方案； 2、機械手的運動分析； 3、確定主要工作參數(shù)；? 4、機械手手部、手腕、手臂各機構(gòu)的設(shè)計和計算；? 5、車身的結(jié)構(gòu)大小方案 重點解決的問題是手爪夾緊的受力分析與計算，設(shè)計和計算機械手各部分結(jié)構(gòu)，機械手機構(gòu)圖、裝配圖與主要零件圖的繪制。 5.實施計劃 2014-3-11至2014-4-06: 完成機器人的機械部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計；提出詳細的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，并進行相關(guān)的理論分析和設(shè)計計算；完成機器人本體的裝配圖和零件圖，裝配圖。? 2014-4-07至2014-4-11：中期檢查 2014-5-13前：完成畢業(yè)設(shè)計的初稿。? 2014-5-31前：整理畢業(yè)設(shè)計的全部資料，修改不合格的部分，合格后全部資料裝訂成冊。? 2014-5-31前：通過畢業(yè)答辯的資格審查，準(zhǔn)備畢業(yè)答辯。 2014-6.1至6-10：進行畢業(yè)答辯。? 2014-6-17：上交所有的畢業(yè)設(shè)計資料 6.論文提綱格式 摘要 目錄 第一章 緒論 第二章 結(jié)構(gòu)設(shè)計與選擇論證 第三章 機械手設(shè)計分析 第四章 機器人本體的設(shè)計分析 第五章 結(jié)論 總結(jié)與體會 參考文獻和注釋 致謝 參 考 文 獻 [1] 李新春等.移動機械手結(jié)構(gòu)設(shè)計〔J〕. 機器人，2004（11）：103~106. [2]龔振邦等.機器人機械設(shè)計.北京：電子工業(yè)出版社，1995 [3] 朱世強，王宣銀.機器人技術(shù)及其應(yīng)用〔M〕. 杭州：浙江大學(xué)出版社，2001. [4] 張毅等. 移動機器人技術(shù)及其應(yīng)用[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2007. [5] 劉極峰. 機器人技術(shù)基礎(chǔ)〔M〕. 北京：高等教育出版社，2006. [6]王天然.機器人.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002蔣新松. [7] 機器人學(xué)導(dǎo)論〔M〕. 沈陽：遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，1994. [8]謝存禧.張鐵.機械人技術(shù)及其應(yīng)用.北京：機械工業(yè)出版社，2005 [9]聶小軍. 工業(yè)機器人控制系統(tǒng)及其在玻璃加工設(shè)備的應(yīng)用研究[D].華南理工大學(xué),2012 [10]李建昌,宮興,簡曉慧,盧紅星. 基于AT89C52單片機的消防救援機器人[J]. 消防科學(xué)與技術(shù),2011,12:1163-1166