灭火机器人Word下载.docx

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Keywords：

robotFire-fightingsensordevelopment

1绪论

机器人技术的发展，它应该说是一个科学技术发展共同的一个综合性的结果，也同时，为社会经济发展产生了一个重大影响的一门科学技术，它的发展归功于在第二次世界大战中，各国加强了经济的投入，就加强了本国的经济的发展。

另一方面它也是生产力发展的需求的必然结果，也是人类自身发展的必然结果，那么人类的发展随着人们这种社会发展的情况，人们越来越不断探讨自然过程中，在改造自然过程中，认识自然过程中，实现人们对不可达世界的认识和改造，这也是人们在科技发展过程中的一个客观需要。

而灭火机器人，则是这发展过程中重要的一种，本文将以简要的模型来概括。

2机器人的相关概括

机器人技术作为20世纪人类最伟大的发明之一，自20世纪60年代初问世以来，经历50年的发展已取得长足的进步。

未来的机器人是一种能够代替人类在非结构化环境下从事危险、复杂劳动的自动化机器，是集机械学、力学、电子学、生物学、控制论、计算机、人工智能和系统工程等多学科知识于一身的高新技术综合体。

走向成熟的工业机器人，各种用途的特种机器人的多用化，昭示着机器人技术灿烂的明天。

2.1机器人的发展

机器人技术的发展，它应该说是一个科学技术发展共同的一个综合性的结果，同时，为社会经济发展产生了一个重大影响的一门科学技术，它的发展归功于在第二次世界大战中各国加强了经济的投入，就加强了本国的经济的发展。

比如说日本，战后以后开始进行汽车的工业，那么这时候由于它人力的缺乏，它迫切需要一种机器人来进行大批量的制造，提高生产效率降低人的劳动强度，这是从社会发展需求本身的一个需求。

另一方面它也是生产力发展的需求的必然结果，也是人类自身发展的必然结果，那么人类的发展随着人们逐渐的这种社会发展的情况，人们越来越不断探讨自然过程中，在改造自然过程中，认识自然过程中,来需求能够解放人的一种奴隶。

那么这种奴隶就是代替人们去能够从事复杂和繁重的体力劳动，实现人们对不可达世界的认识和改造，这也是人们在科技发展过程中的一个客观需要。

但另一方面，尽管人们有各种各样的好的想法，但是它也归功于电子技术，计算机技术以及制造技术等相关技术的发展而产生了提供了强大的技术保证。

在20世纪70年代到20世纪80年代初期，工业机器人变成产品以后，得到全世界的普遍应用以后，那么很多研究机构开始研究第二代具有感知功能的机器人，出现了瑞典的ABB公司，德国的KUKA机器人公司，日本几家公司和日本的FUNAC公司，都在工业机器人方面都有很大的作为，同时我们也看到机器人的应用在不断拓宽，它已经从工业上的一些应用，扩展到了服务行业，扩展了它的作业空间，向海洋空间和服务医疗等等行业的使用。

所以从这张图可以看出机器人发展的几个过程。

那么总结一下，我们认为，机器人有三个发展阶段，那么也就是说，我们习惯于把机器人分成三类，一种是第一代机器人，那么也叫示教再现型机器人，它是通过一个计算机，来控制一个多自由度的一个机械，通过示教存储程序和信息，工作时把信息读取出来，然后发出指令，这样的话机器人可以重复的根据人当时示教的结果，再现出这种动作，比方说汽车的点焊机器人，它只要把这个点焊的过程示教完以后，它总是重复这样一种工作，它对于外界的环境没有感知，这个力操作力的大小，这个工件存在不存在，焊的好与坏，它并不知道，那么实际上这种从第一代机器人，也就存在它这种缺陷，因此，在20世纪70年代后期，人们开始研究第二代机器人，叫带感觉的机器人，这种带感觉的机器人是类似人在某种功能的感觉，比如说力觉、触觉、滑觉、视觉、听觉和人进行相类比，有了各种各样的感觉，比方说在机器人抓一个物体的时候，它实际上力的大小能感觉出来，它能够通过视觉，能够去感受和识别它的形状、大小、颜色。

抓一个鸡蛋，它能通过一个触觉，知道它的力的大小和滑动的情况。

那么第三代机器人，也是我们机器人学中一个理想的所追求的最高级的阶段，叫智能机器人，那么只要告诉它做什么，不用告诉它怎么去做，它就能完成运动，感知思维和人机通讯的这种功能和机能，那么这个目前的发展还是相对的只是在局部有这种智能的概念和含义，但真正完整意义的这种智能机器人实际上并没有存在，而只是随着我们不断的科学技术的发展，智能的概念越来越丰富，它内涵越来越宽。

那么从三代机器人发展过程中，从另一个方面，我们对机器人从应用的角度进行了分类，比如说工业机器人，它包括点焊、弧焊、喷漆、搬运、码垛，在工业现场中工作的这种机器人，我们统称为工业机器人，那么从不同的应用中，到水下去作业的叫水下机器人，到空间作业的叫空间机器人，同时又存在农业、林业、牧业，对医疗机器人叫医用机器人，还包括娱乐机器人，建筑和居室上用的机器人，所以从应用分类，它包括从行业、应用角度，也可以进行这样简单的分类。

2.2灭火机器人

近几十年中，大量的高层、地下建筑与大型的石化企业不断涌现。

由于这些建筑的特殊性，发生火灾时，不能快速高效的灭火。

为了解决这一问题，尽快救助火灾中的受害者，最大限度的保证消防人员的安全，消防机器人研究被提到了议事日程。

而机器人技术的发展也为这一要求的实现提供了技术上的保证，使得消防灭火机器人应运而生。

从二十世纪八十年代开始，世界许多国家都进行了消防机器人的研究。

美国和苏联最早进行消防机器人的研究，而后日本、英国、法国等国家都纷纷开展了消防机器人的研究，目前已有多种不同类型的消防机器人用于各种火灾场合。

我国从八十年代末期开始消防机器人的研究，公安部上海消防研究所等单位在消防机器人的研究中取得了大量的成果，"

自行式消防炮"

已经投入市场，"

履带轮式消防灭火侦察机器人"

也于2000年6月通过了国家验收。

但是，我国消防机器人的研究还处在初级阶段，还有许多有待研究的问题。

比如，高层建筑发生火灾时，消防人员不可能在短时间内到达高处的火灾发生地点，在地下建筑中，由于环境比较潮湿，烟气不易扩散，消防人员不容易快速的判定火源位置；

而在石化企业发生火灾时，将产生大量的毒气，消防人员在灭火时极易中毒。

研制能够用于这些场合的侦察灭火机器人，协助消防人员进行火灾的定位和灭火，将有极大的社会意义。

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，消防机器人在功能上会更具多样特点，在较多危险区域可以完全代替消防员，避免消防员生命伤亡。

同时也应该看到，我国在研究消防机器人方面较国外同行已落后太多，存在技术差异和代沟，消防机器人的不断研制、生产和装备过程，应坚持自主研制为主，引进为辅，提高我国消防部队消防装备现代化的水平,并及时装备消防部队，提高消防部队打赢大仗、恶仗、硬仗和特殊战役的能力，提高消防部队在处置大型复杂火灾和应急救援的作战效能,提高消防部队的自我防护能力,减少消防指战员的人身伤亡，更好地保卫我国经济发展。

2.3本人灭火机器人的主要内容

设计制作一个自主运行的机器人，设计一封闭房间模型，随机在其中一个房间里放置蜡烛代替的火源，让机器人在尽可能短的时间里无碰撞地找到火源然后启动灭火装置将其扑灭。

这个工作受地面摩擦、机器人惯性、机器人电机的转数差、齿轮箱与轮子的摩擦、电压变化等多个因素影响，它模拟了现实家庭中机器人处理火警的过程，蜡烛代表家里燃起的火源，机器人必须找到并熄灭它。

3硬件电路设计

3.1电源及采样电路

电源是保证机器人稳定、可靠运行的关键部件，它直接影响着机器人性能的好坏。

由于本机器人电机驱动和控制器采用两种不同等级电压的电源，为避免2个电源相互干扰，本机器人采用双电源供电系统：

电机电源采用高放电倍率聚合物锂电池，容量为2500MAH，工作电压为24V，能提供40A的稳定供电电流，是普通电池的10倍；

控制器电源采用8.4V锂电池，并提供电压采样端口，以供电池检测，电路图如下图一所示。

图一控制器电源供电电路图

为获得CPU各端口电路所需要的不同等级的电压，本设计采用1个LM317T三端稳压器和2个AMS1117低压差线性电压调整器，并通过其附属电路，得到精确稳定的5V、3.3V、1.8V三种电压；

采用1个发光二极管LD1和限流电阻R5作为电源指示灯，以显示电源开关的状态；

为实时采样电源电压，防止锂电池过放或过充，设计中通过R1、R2分压，引出AD19端口作为电源采样端口。

3.2直流电机驱动电路

由于实际操作的需要，机器人要在避免碰撞的前提下尽可能提高速度，因此要求具有更大功率的驱动器和更灵敏的控制方式。

为此本文采用的电机驱动电源电压为16.8V，电流为20A；

采用占空比范围为0～95%的4路PWM信号控制直流电机，以实现精确的调速。

由于电机功率较大，并要求能实现双向、可调速运行，本文设计了半桥式电力MOSFET管，成功实现了对电机的控制。

如图3所示，2路PWM信号通过IR2104半桥驱动器（half-bridgedriver）和相应保护电路连接至型号为IRF2807的MOSFET管，控制电源与电动机连接线路的通与断，达到控制电机速度的目的。

当PWM信号占空比较大时，线路导通时间长，电机速度大；

相反，当PWM占空比较小时，线路导通时间短，电机速度小。

4个MOSFET管在不同时刻导通组合，实现控制电机转动方向：

当MSFET管1和4导通时，电机端口1为正、2为负，电机