工业机器人论文

《工业机器人》论文任课教师：班级：学号：姓名：消防灭火机器人一、研究意义与必要性机器人技术作为20世纪人类最伟大的发明之一，自60年代初问世以来，经历几十年的发展己取得很多的进步。随着社会经济的迅猛发展，尤其是最近几年,各地区大量高层建筑、地下建筑和大型石化企业不断涌现，由于这些建筑和企业生产的特殊性，导致化学危险品和放射性物质泄漏以及燃烧、爆炸、坍塌的事故隐患增加，事故发生的概率也相应提高。据统计，2010年，全国共接报火灾13.17万起，死亡1108人，受伤573人，直接财产损失17.7亿元。2011年，全国共接报火灾125402起，死亡1106人，受伤572人，直接财产损失18.8亿元。一旦发生灾害事故，消防员面对高温、黑暗、有毒和浓烟等危害环境时，若没有相应的设备贸然冲进现场，不仅不能完成任务，还会徒增人员伤亡，这方面公安消防部队已历经诸多血的教训。因此,在我国消防部门配备消防机器人的问题非常迫切了。消防灭火机器人作为特种消防设备,它可以替代消防队员接近火灾现场实施有效的灭火救援作业，尤其是在危险性大或者消防队员不易接近的场合，消防灭火机器人的应用将大大提高消防部门扑灭恶性火灾的能力，对减少国家财产损失和灭火救援人员的伤亡具有重要的作用。消防灭火机器人的应用将大大提高消防部门扑灭恶性火灾的能力。二、国内外研究现状及分析2.1国内研究现状我国消防装备研究部门从1997年开始对消防灭火机器人进行科研开发，2002年6月，由公安部上海消防研究所、上海交通大学、上海消防局三家单位共同承担的国家863项目履带式、轮式消防灭火机器人研制成功并顺利通过国家验收。2002年我国云南、湖北省相继配备灭火机器人。2003年10月，我国江苏省、香港地区、马来西亚开始大规模配备消防灭火机器人。近几年消防灭火机器人在我国更是得到了广泛的应用。在2012年海南海口消防支队购置了可电子有线和无线遥控的消防灭火排烟机器人。据了解，该机器人可在无人操作状态下进行摄像及侦查、爬坡，适用于大型仓库、建筑物等危险场所灭火、排烟送风以及自动摄像监控与信息传输等工作。该车投入使用后将最大限度保障一线消防官兵人身安全，并发挥高科技战斗装备的作战效能，适应新形势灭火实战需要。灭火机器人还助力长沙消防安全，“十二五”期间，灭火机器人、路轨两用消防车、隧道消防车等先进的灭火救援装备将配备给长沙消防部队，并运用到灭火救援工作中来，并且进行了灭火机器人灭火演练。针对高层建筑的70米举高消防车，以及灭火机器人、轨道消防车、隧道消防车等特种装备均将在“十二五”期间配备到位，届时长沙的火灾防控救援能力将得到进一步加强。近日，由常州常探科技公司自主研发制造、获得国家专利的一款新型消防机器人引起了市场的重视。与其他消防灭火机器人相比这款名为火凤凰-永动型消防灭火机器人采用先进的通讯系统，军事级双工数字通信，保密性强，抗干扰能力强，支持数据流实时反馈。可支持12频段工作，多频率控制是为了满足多台机器人控制的需要，防止多台机器人工作在同一频率上，互相干扰，同时也是提高机器人控制系统的抗干扰性。永动机器人在生产设计上是采用的数据链模式，对机器人进行的控制和数据反馈。采用此种技术的消防机器人在理论上可以单人通过数据链模式有效同时管控两台以上的机器人同步进行灭火作业，缓解人力紧张的矛盾。火凤凰-永动型消防灭火机器人采用独特的170度防水摄像机，可以达到2-3台摄像机的观测效果，使得操作人员能充分了解火场的情况。专利设计的水动能机器人运动方式+水动能高效发电系统，以及高达81%的多级电能变换系统，充分适应多变的流速。从某种意义上来说，火凤凰-永动型消防灭火机器人达到了永动的效果。我国灭火机器人科研事业从实验室逐步走向了生产车间最终战斗在火场一线，为我国消防装备的发展注入了新鲜血液，填补了国内空白。消防的社会意义在于它将对人类生存安全作为终极关怀，消防装备作为一种重要的火灾扑救手段，已经在消防灭火救援中显示越来越重要的作用。消防装备科研应始终贯彻从火场中来，到火场中去的指导思想，贴近火场一线，急火场之所急。2.2国外研究现状国际上较早开展消防机器人研究的是美国和前苏联，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。众所周知，日本的消防机器不仅技术引领全球，而且数量也全球之冠，相应的，其投入应用的消防机器人也最多。美国的消防机器人亦处于技术顶点位置，其开发的消防机器人已具备较为成熟第三代功能。在2010年，陆虎60-多功能灭火雪炮（灭火机器人）在欧洲连接发生隧道大火悲剧的巨大社会压力和期待情况下诞生，是全球消防界用于隧道灭火救援的最新式的高效消防装备。该车由一辆大功率柴油履带车，一台大功率水泵和一门高压雪炮（风力水炮）组成，可同时出高压水、气流（高压水雾），用于灭火驱热，也可作为强力送风排烟机使用。其大流量远程水炮，可作为大型水炮使用、其泡沫灭火系统，可喷射中倍泡沫灭火，发泡量大，射程远。此外，可选配增加液压驱动辅助风机、供/排水系统、救援牵引、运载托盘、起重吊臂、公路/铁路运输车等多项成套装备。适于承担地铁、地下建筑、公路及铁路隧道和大型石化企业消防保卫任务的城市消防局。本车是地铁隧道、地下建筑、石化油库等大面积火灾或事故灭火与救援作战的重要设备。可集灭火，排烟，稀释，冷却，运输，排障及供、排水等功能于一体。德国BASF机器人研究所为消防部门研制成由履带传动车和灭火机器人组成的遥控机器人灭火车,又称为“灭火神”,全重约400公斤。长1.3米。高4米。当有毒物品、化学或有爆炸危险品地方发生火灾时，消防人员进入现场灭火救灾可能有生命危险时,代替消防人员迅速灭火救灾。它的主要特点是重量轻,体积小,行驶灵活方便迅速,不但可进入平房内灭火,而且还可爬楼梯,进入楼房室内灭火救灾,并能同时检测着火处有毒气体含量,采取安全措施。机器人有两条带“眼睛”的转动灵活的长臂.可在火场环顾四周,发现火灾或受伤者及时灭火救人;两条长臂可举60公斤重物,可将火场贵重物品迅速搬至安全处。机器人灭火车行驶平稳,自动刹车,控制方便。它有4部小型摄像机,可把火灾现场实况及时传输给消防指挥中心或指挥人员,便于指挥现场灭火救灾,并备有供夜晚灭火救灾用探照灯。机器人在灭火救灾中可随时按计算机制定的程序更换所用工具,因此可准确灭火救人和搬走物品。使用此设备灭火救灾时,只需一名消防指挥人员在安全处遥控便可顺利完成灭火救灾任务。美国弗吉尼亚理工大学与美国海军研究实验室合作，近日研制出新型消防机器人。有趣的是，这种机器人不仅能用于消防灭火，还能跳韩国歌手ＰＳＹ的《江南Ｓｔｙｌｅ》。据报道，该机器人以电影《星球大战》机械人Ｃ－３ＰＯ为蓝本，命名为ＣＨＡＲＬＩ－２。这个消防机器人身高５英尺（约合１．５米），主要用于军舰灭火。它不仅能够冲入浓烟滚滚的火场中，能爬楼梯以及穿越狭窄的过道，还能模仿人类进行灭火工作。此外，该机器人平衡力强，擅长舞蹈，能在人们的操控下，跳当下最流行的《江南Ｓｔｙｌｅ》舞蹈。三、关键技术3.1消防灭火机器人的机构消防灭火机器人可分为履带型消防灭火机器人和轮胎型消防灭火机器人两种。它是由底盘、消防炮灭火系统、自卫冷却系统和电、液控制系统等组成。这两种消防灭火机器人主要区别于底盘结构的不同，其它装置基本相同。履带型消防灭火机器人的底盘由履带、驱动轮、支重轮、托轮、引导轮和履带张紧装置等组成。驱动轮通过液压马达驱动。当驱动轮被最终传动二级被动齿轮带动时，其齿轮拉动履带，地面立即产生作用在履带上的反作用力，使整机对地面产生向前或向后的运动，整机也随之运动。轮胎型底盘由驱动轮系、中间轮系、中轮弹性悬挂装置和车架等主要部件组成。驱动轮系分别由左、右轮系组成，轮系有驱动轮、链轮装置、轴承支座、轮边减速和低速大扭矩液压马达。前、后驱动轮通过链轮装置带动中间轮驱动。整机在行驶中克服地面的附着力，使整机向前或向后运动。消防灭火机器人配备了PXKY80液控消防炮座，此消防炮座由液压控制其俯仰和水平回转，以实现炮体的二个自由度运动。该炮座可配备48L/s泡沫炮头和50L/s的直流一喷雾水炮喷嘴，以满足不同场合的喷射要求。自卫冷却保护系统由水泵和油马达等组成。3.1检测消防灭火机器人可以根据灾害事故现场情况依赖于各种电子元器件进行探测，装载摄像头可将现场情况通过通信网络实时传输给后方系统处理，同时有赖于各种传感器。主要分为两类：一类是内部传感器，用来探测在灾害事故现场中消防机器人自身状态参数，反馈给中央大脑DSP，进行合理的路径规划，并根据灾害事故现场情况合理安排，使消防机器人有序开展工作。另一类是外部传感器，用来探测灾害事故现场的各项数据（障碍物情况、火场温度、辐射热强度、有毒气体或者可燃气体种类和浓度和氧气含量等），为后方处理系统提供原始数据。3.3控制系统①控制系统硬件控制系统硬件主要由上位机和下位机两部分组成。上位机负责采样操纵杆的模拟信号和控制台控制按钮的状态信息。操纵杆有两个正交的电位器，分别用来丈量x、y方向上的电压信号。该信号经过A/D转换，通过转接板、DI（数字信号输进）板传送给上位机（ICP-工控机）。上位机读取该数字信号，并由此计算机器人左右驱动轮的行驶速度，通过串行通讯将它传送到下位机控制变频器的频率设定，选择输进点来控制移动载体的行驶速度。最后将速度分为四档，控制变频器的频率设定选择。通过左右驱动轮的正反转和不同的速度档控制移动载体的前进、后退和左右转向。上位机根据操纵杆的采样值计算出移动载体的行驶速度，和对其它信号采样结果进行处理，避免有冲突的操纵发生。控制台操纵面板主要是控制四个摆臂、水炮的运动、CCD的调焦和变焦、喷雾和正压以及探测控制。下位机主要由S7-CPU214、三个数字量输出模块EM222、一个模拟量输进模块EM231（输进点数为3，模数转换时间为25us），2个变频器、探测传感器，采样控制模块以及电源系统等组成。CPU214作为下位机的控制核心，主要是存储和运行控制程序、与上位机以及扩展模块之间的通讯和控制左右驱动轮的速度。我们将变频器的参数设定为4速模式，具有制动启动和停车功能，防止在斜面上行进时出现失控现象和频繁紧急启、停车对机械系统造成损坏。利用上位机发送的速度信号控制变频器的频率设定选择实现移动载体的速度控制。DLKG模块为多输进三输出模块，由采样控制模块来控制选通传感器输进。由于EM231只具有3路A/D转换，而需要采样的传感器信号有16路，因此要对这16路信号进行循环采样。②控制系统软件上位机控制软件运用VisualC++5.0编程。VC具有的类结构特征、windows线程的多任务处理特性、还有它的强大的视图、文档和数据库功能等优点适合于机器人控制系统软件编程。控制系统程序结构框图如图：上位机控制系统程序结构图线程1主要监测机器人在运行过程中的姿态：前后四个摆臂的摆角，车体的侧倾角和俯仰角，以及速度和传感器检测的结果。线程2的控制台监测主要检测控制台操纵杆和各控制按钮的开关状态。线程3负责上位机的通讯，将上位机的控制参数向下发送到下位机和接收下位机传送的数据，并进行数字滤波处理。线程4主要处理如通讯中断，车体严重倾斜或俯仰有可能造成失控或翻落等事故时的紧急、危险情况。线程5的专家系统辅助决策，主要根据传感器信息提示操纵员执行正确的操纵。下位机接收上位机的控制命令控制PLC和扩展模块的I/O点状态。程序流程图如图所示。通讯采用中断方式，这样可以缩短程序执行周期，进步响应速度。下位机的程序流程图四、总结总之，随着科技的进步和实践的需要，人们越来越关注对机器人的研究、开发与改进。机器人参与灭火确实帮助人们解决了很多困难，同时减少了相关人员可能会遭受的各种风险。在“以人为本、科技强警”的现代化的今天，我们的消防装备必须首先要考虑保护消防队员和被救援人员的生命安全。目前我国机器人用于消防还刚刚起步，但也有了一定的进展，但是我国的技术装备还远远不够。基于人工智能的不断发展，各项高新技术的不断成熟，在可预见的将来，消防灭火机器人在功能上会更