消防機(jī)器人設(shè)計(jì)

消防機(jī)器人設(shè)計(jì),消防,機(jī)器人,設(shè)計(jì) 1.選題的背景和意義 近年來(lái)，我國(guó)石化等基礎(chǔ)工業(yè)有了飛速的發(fā)展，在生產(chǎn)過(guò)程中的易燃易爆和劇毒化學(xué)制品急劇增長(zhǎng)，導(dǎo)致化學(xué)危險(xiǎn)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(shí)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(jī)器代替人去執(zhí)行滅火任務(wù)。消防機(jī)器人屬于特種機(jī)器人范疇，它作為特種消防設(shè)備可以替代消防隊(duì)員接近火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施有效的滅火救援作業(yè)，開(kāi)展各項(xiàng)火場(chǎng)偵察任務(wù)，尤其是在危險(xiǎn)性大或者消防隊(duì)員不易接近的場(chǎng)合，消防機(jī)器人的應(yīng)用將大大提高消防部門(mén)撲滅惡性火災(zāi)的能力，對(duì)減少?lài)?guó)家財(cái)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(méi)有有效的方法、裝備及設(shè)施，救援人員將無(wú)法進(jìn)入事故現(xiàn)場(chǎng),而要冒然采取行動(dòng)，往往只會(huì)造成無(wú)辜生命的犧牲,付出慘重代價(jià)，在我國(guó)消防部門(mén)配備消防機(jī)器人的問(wèn)題非常迫切了。消防機(jī)器人的應(yīng)用將大大提高消防部門(mén)撲滅惡性火災(zāi)的能力 針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，前人已經(jīng)做了很多的研究，有基于人為地控制機(jī)器人的活動(dòng)和滅火，這樣使得不得不靠人來(lái)控制，浪費(fèi)人力資源，不能很好的實(shí)現(xiàn)滅火的效果。 2.研究目標(biāo)和內(nèi)容 2.1 在消防小車(chē)上完成以下設(shè)計(jì)目標(biāo)及內(nèi)容： 1）個(gè)體功能： 要求機(jī)器人按照如圖所示的軌跡行走，當(dāng)達(dá)到目標(biāo)物時(shí)，抓住目標(biāo)并放置到小車(chē)（機(jī)器人）上，然后繼續(xù)向前運(yùn)行，并完成90拐彎，達(dá)到第二個(gè)目標(biāo)物，再次抓取放進(jìn)車(chē)內(nèi)。 2）機(jī)械臂結(jié)構(gòu)。機(jī)械臂機(jī)械結(jié)構(gòu)形式的選型和設(shè)計(jì)，是根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行的。在機(jī)械臂機(jī)構(gòu)方面，結(jié)合機(jī)器人在各個(gè)領(lǐng)域及各種場(chǎng)合的應(yīng)用，研究人員開(kāi)展了豐富而富有創(chuàng)造性的工作。 3）運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)。穩(wěn)健的運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)是移動(dòng)機(jī)器人整體性能的基礎(chǔ)，由于消防機(jī)器人機(jī)械臂本身是一個(gè)非完整約束系統(tǒng)，是一個(gè)欠驅(qū)動(dòng)的零漂移的動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，因此，該系統(tǒng)不能通過(guò)連續(xù)可微的時(shí)不變的狀態(tài)反饋加以鎮(zhèn)定。為此，通過(guò)時(shí)變、不連續(xù)控制以及混合策略，根據(jù)動(dòng)力學(xué)模型和運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，建立合理的反饋控制律，實(shí)現(xiàn)速度和轉(zhuǎn)向的自動(dòng)控制，以及不同工作狀態(tài)之間的平穩(wěn)過(guò)渡，是該項(xiàng)技術(shù)的核心內(nèi)容。2.2擬解決關(guān)鍵問(wèn)題 2.2.1 消防機(jī)器人的機(jī)械手臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 當(dāng)移動(dòng)平臺(tái)需要搭載如移動(dòng)機(jī)械臂這樣的多自由度移動(dòng)機(jī)構(gòu)的時(shí)候，僅僅保留第一自由度即方向機(jī)，在方向機(jī)上加載移動(dòng)機(jī)械臂，方向機(jī)的繞垂直方向360 度的旋轉(zhuǎn)也作為移動(dòng)機(jī)械臂的自由度之一。 作為一款多功能移動(dòng)機(jī)器人，為完成如排爆等任務(wù)，抓取危險(xiǎn)品移動(dòng)至安全排爆地點(diǎn)，移動(dòng)機(jī)械臂必須具有足夠的自由度，能夠靈活的移動(dòng)指定目標(biāo)位置來(lái)抓取目標(biāo)物，為此自由度至少應(yīng)該在5 個(gè)以上。如何準(zhǔn)確的夾持危險(xiǎn)品，并順利的回收到車(chē)上。這也是該設(shè)計(jì)項(xiàng)目的一個(gè)重點(diǎn)。 1）手部結(jié)構(gòu)。機(jī)械手手部(末端執(zhí)行器)結(jié)構(gòu)形式多樣，但總的設(shè)計(jì)都有如下幾點(diǎn)基本要求:應(yīng)具有適當(dāng)?shù)膴A緊力和驅(qū)動(dòng)力，手指握力(夾緊力)大小要適宜，力量過(guò)大則動(dòng)力消耗多，結(jié)構(gòu)龐大，不經(jīng)濟(jì)，甚至?xí)p壞抓取物體;力量過(guò)小則夾持不住或產(chǎn)生松動(dòng)、脫落。在確定握力時(shí)，除考慮抓取物體重量外，還應(yīng)考慮傳送或操作過(guò)程中所產(chǎn)生的慣性力和振動(dòng)，以保證夾持安全可靠；手指應(yīng)具有一定的開(kāi)閉范圍，手指應(yīng)具有一定的開(kāi)閉角度(手指從張開(kāi)到閉合繞支點(diǎn)所轉(zhuǎn)過(guò)的角度)或開(kāi)閉范圍(對(duì)平移型手指從張開(kāi)到閉合的直線(xiàn)移動(dòng)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(gè)被抓取的物體，在手指內(nèi)都有準(zhǔn)確的相對(duì)位置；要求結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、效率高，在保證自身剛度、強(qiáng)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(jī)械手的主要部件。它的作用是支手部，并帶動(dòng)它做橫向的空間運(yùn)動(dòng)。臂部運(yùn)動(dòng)的目的:把手部送到空間運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)的任意一點(diǎn)。因此，臂部具有兩個(gè)自由度能滿(mǎn)足基本要求，即手臂的伸縮、左右升降(或俯仰)運(yùn)動(dòng)。 臂部運(yùn)動(dòng)速度要高，慣性要小。在一般情況下，手臂的移動(dòng)和回轉(zhuǎn)、俯仰均要求勻速運(yùn)動(dòng)，但在手臂的啟動(dòng)和終止瞬間，運(yùn)動(dòng)是變化的，為了減少?zèng)_擊，要求啟動(dòng)時(shí)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(dòng)。手臂動(dòng)作應(yīng)靈活。為減少手臂運(yùn)動(dòng)件之間的摩擦阻力，盡可能用滾動(dòng)摩擦代替滑動(dòng)摩擦。位置精度要高。3.研究方法及技術(shù)路線(xiàn) 機(jī)器人的機(jī)械部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；提出詳細(xì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，并進(jìn)行相關(guān)自由度和力矩分析和設(shè)計(jì)計(jì)算。 對(duì)每個(gè)機(jī)構(gòu)上的連接進(jìn)行自由度限制，并計(jì)算齒輪之間的配合公差。通過(guò)齒輪傳動(dòng)來(lái)帶動(dòng)左右兩個(gè)手的張開(kāi)及收縮。多自由度機(jī)器人控制難度起來(lái)難度大，靈活度低，因而我們?cè)O(shè)計(jì)以四輪小車(chē)為載體的機(jī)器人，前輪為二輪導(dǎo)向輪，由一個(gè)伺服舵機(jī)驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎及走直線(xiàn)的校正功能。機(jī)械手連接平行四邊形機(jī)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)機(jī)械手整體平行移動(dòng)，配合左右兩個(gè)傳感器，能夠準(zhǔn)確識(shí)別危險(xiǎn)品并將信號(hào)傳達(dá)至控制器，從而控制機(jī)械手實(shí)施救。4.研究工作基礎(chǔ)1、機(jī)械手的整體結(jié)構(gòu)方案；2、機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)分析；3、確定主要工作參數(shù)；4、機(jī)械手手部、手腕、手臂各機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和計(jì)算；5、車(chē)身的結(jié)構(gòu)大小方案重點(diǎn)解決的問(wèn)題是手爪夾緊的受力分析與計(jì)算，設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)械手各部分結(jié)構(gòu)，機(jī)械手機(jī)構(gòu)圖、裝配圖與主要零件圖的繪制。5.實(shí)施計(jì)劃2014-3-11至2014-4-06: 完成機(jī)器人的機(jī)械部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；提出詳細(xì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，并進(jìn)行相關(guān)的理論分析和設(shè)計(jì)計(jì)算；完成機(jī)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(jì)的初稿。2014-5-31前：整理畢業(yè)設(shè)計(jì)的全部資料，修改不合格的部分，合格后全部資料裝訂成冊(cè)。2014-5-31前：通過(guò)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(jìn)行畢業(yè)答辯。2014-6-17：上交所有的畢業(yè)設(shè)計(jì)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(jì)與選擇論證第三章 機(jī)械手設(shè)計(jì)分析第四章 機(jī)器人本體的設(shè)計(jì)分析第五章 結(jié)論總結(jié)與體會(huì)參考文獻(xiàn)和注釋致謝參 考 文 獻(xiàn) 1 李新春等.移動(dòng)機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)J. 機(jī)器人，2004（11）：103106. 2龔振邦等.機(jī)器人機(jī)械設(shè)計(jì).北京：電子工業(yè)出版社，19953 朱世強(qiáng)，王宣銀.機(jī)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(dòng)機(jī)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(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)M. 北京：高等教育出版社，2006.6王天然.機(jī)器人.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002蔣新松. 7 機(jī)器人學(xué)導(dǎo)論M. 沈陽(yáng)：遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，1994.8謝存禧.張鐵.機(jī)械人技術(shù)及其應(yīng)用.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，20059聶小軍. 工業(yè)機(jī)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),201210李建昌,宮興,簡(jiǎn)曉慧,盧紅星. 基于AT89C52單片機(jī)的消防救援機(jī)器人J. 消防科學(xué)與技術(shù),2011,12:1163-1166