《机器人技术》大作业

（2015年秋季学期）

哈尔滨工业大学

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。

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，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，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5～7 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300～800 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(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.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)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；下位机进行任务规划，通过驱动器来控制机器人。

3、系统工作原理

如图2所示，消防机器人的后方控制台以及供电、泡沫消防车等构成了消防机器人的后方控制和供应系统，另一部分以消防机器人的车体为主体，集行走、化学侦检、温度和辐射热探测、火情侦察、灭火、正压防爆等主要功能于一身。车体运动所需电力和控制、侦检、视频等信号均通过电缆传输，消防炮的供水或泡沫液通过水带输送，对消防机器人的控制通过对后方控制台的操作完成，操作人员根据对车体运行姿态，炮的喷射点的直接观察以及后方控制台显示的从前方送回的温度、辐射热、前后摆臂状态、火场场景及化学侦察结果等通过人机操作界面对车体发出相关的控制指令。车体所携带的控制系统一方面根据从后方控制台发来的指令对相应的设备发送控制信号，另一方面负责将现场采集的各项参数、信号传送给后方控制台，以帮助操作人员进行科学合理的决策。

图2、消防机器人工作原理示意图

4、控制系统硬件设计

ZXPJ01消防机器人控制系统硬件主要由上位机和下位机两部分组成，分别以ICP(工控机)和PLC(可编程逻辑控制器)为控制核心。其结构框图如图3所示。

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，分别用来测量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(数字信号输入)板传送给上位机(ICP一控机)。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(PLC一可编程逻辑控制器)控制变频器的频率设定选择输入点来控制移动载体的行驶速度。左、右轮的速度控制参数由下式计算

Jv， Jh分别为操纵杆横向和纵向电位器电势测量值。最后将速度分为四档，控制变频器的频率设定选择。Vl、Vr分别为左右驱动轮的速度，符号为正表示正转，为负表示反转。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，避免有冲突的操作发生。控制台操作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、正压以及探测。

图3、消防机器人控制系统结构框图

下位机主要由S7-CPU 214、三个数字量输出模块EM 222、一个模拟量输入模块EM 231(输入点数为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。CPU 214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。DLI}G模块为多输入三输出模块，由采样控制模块来控制选通传感器输入。因为EM 231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。上、下位机的信息通过串行通讯来进行通讯。上位机的通讯口为ICP的COM 1口，通讯协议为RS232通讯，其通讯距离较短，而消防机器人的遥控距离最远为150米，另外，PLC的通讯协议采用的是RS485通讯，为此选用RS232/ PPI转换模块，采用PPI通讯方式。

5、控制系统软件设计

传统的编程方法实际上是序列控制，因为程序的执行是顺序的，在任何时侯只有一个任务能够响应，这无法真正实现实时控制的要求。上位机控制软件运用Visual C++5。 0编程。VC具有许多优点适合于机器人控制系统软件编程。首先是它的类结构特征。各个控制模块用一个类结构来表述，这样便于数据结构的管理，使模块具有完整性，便于调试和程序的修改。对某一模块的结构进行修改不会影响系统的其它模块的结构和功能，大大缩短了软件的开发周期。其次是它的Windows线程的多任务处理特性。线程之间通信，包括与主程序的通信使用Windows消息和事件对象。这样可以实现控制系统的准并行分布式控制。还有它的强大的视图、文档和数据库功能，便于编制图形用户接口和文档、视图及数据

的管理。

控制系统程序结构框图如图4所示。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负责上位机的通信，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主要处理如通信中断，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作员执行正确的操作。

图4、上位机控制系统程序框图

下位机接收上位机的控制命令控制PLC和扩展模块的I/ 0点状态。程序流程图如图5所示。通信采用中断方式，这样可以缩短程序执行周期，提高响应速度。

图5、下位机程序流程

六、消防机器人在灭火救援中的应用

1、应用背景

消防官兵在执行灭火救援任务时要承担巨大的风险。尤其随着科技的进步、经济的发展以及城市化进程的加快，高层、地下建筑越建越多，化工企业、地铁、隧道不断增加，新技术、新材料大量使用，以及地震、洪涝、交通、泥石流等灾害频发，公安消防部队而对的火灾和抢险救援的形势将会日趋繁重和复杂。而对高层、地下、高温、有毒、浓烟、易燃易爆等复杂危险环境的火灾或其他灾害，一方而要切实加强消防部队扑救大火、大灾抢险的能力，一方而也要更好地保护广大消防官兵的生命安全，因此，配备实用的消防机器人己经势在必行。尤其是地铁、隧道坍塌，石油化工企业油品燃气、毒气泄漏等灾害，具有突发性强、危

害巨大、防治困难、处置过程复杂等特点，消防机器人能够代替消防员进入易燃、易爆、缺氧、有毒、浓烟等危害事故宣传进行数据采集、处理、反馈，有效的解决消防员在上述场所的人身安全以及侦察、数据采集等问题。

2、消防机器人的长处与不足

与其他消防技术装备一样，消防机器人同样存在着长处与不足。其长处主要在于它的人工智能性以及可重复使用性和无生命损伤性。消防机器人是融合了机械工业、计算机技术、电子技术、控制理论和人工智能等技术的集合体，尤其在当前人工智能技术不断发展成熟的情况下，可以针对特殊环境、特殊要求，开发出特殊功能的消防机器人。这种消防机器人由于其具备一定的人工智能性，因而能够自主的判断危险情况来源，自动进行数据采集、处理、传输反馈，并进行灭火、救援等工作。其次，消防机器人作为一种特殊的消防技术装备，只要细心维护保养，可反复多次重复使用。另外，消防机器人作为一种无生命的载体，在高温、有毒、缺氧、浓烟、易燃易爆等各种危险复杂恶劣的环境，在消防员不及之处可充分发挥作用，大大减少消防员的伤亡。

其不足之处，一是由于消防机器人是各种高新技术的集合体，研制周期长，研制费用高，因而造价比较昂贵。二是消防机器人是多种技术的融合，自身结构相对比较复杂。消防机器人本身，既有消防部分，又有操控、行驶部分，还有机电部分，无论是平时的维护保养，还是正常使用，均需要使用人员和维护人员具备一定的专业知识并且需要一定的维护费用。

3、消防机器人应用范围

（1）高层建筑火灾灭火救援。高层建筑火灾由于可燃物多、火灾荷载大以及“烟筒效应”而燃烧猛烈、蔓延迅速。加之高层建筑主体建筑高、功能复杂、层数多、建筑形式多样，致使火灾时人员疏散困难，扑救难度大。因此，高层建筑火灾扑救应坚持“立足于自救，、“以建筑物内固定消防设施扑救为主、建筑物外移动消防设施扑救为辅”的原则。

在利用移动消防设施火灾扑救方而，目前存在5大制约因素：一是举高消防车高度的限制(目前，全球最高举高车的高度为130 m)，二是消防员登高能力的限制，三是消防员登高途径的限制，四是烟雾毒气大、排烟困难，五是消防用水量大、垂直供水困难。此外，高层建筑火灾中遇难人员的搜救也是难题之一。而针对不同高层建筑火灾研制的消防机器人，载有冷气溶胶灭火装置、A类泡沫系统灭火装置、组合排烟装置、载人救护仓装置等，可以上下楼自如，能够深入到高层建筑火场内部进行火情侦察、找准着火点实施有效内攻、强力排烟、搜索救助等，大大提高了灭火剂的利用率及排烟和灭火救援的效率，有效的减低损失，避免消防员的伤亡。所以，消防机器人的投入，对于破解高层建筑灭火这一世界性的消防难题是一种创新和尝试。

（2）地下建筑以及密闭空间的灭火救援。地下建筑以及密闭空间由于对外通道少、相对封闭，使得着火时的高温不易散热、热烟气容易积聚，从而造成火场温度高、烟雾浓。高温、浓烟是消防员实施地下建筑以及密闭空间救援的主要困难和障碍。此外，窒息、被困、受伤和中毒—也是消防员实施地下建筑以及密闭空间救援的主要危险之一。此时，如使用消防机器人开展救援，既可避免消防员的伤亡，也能有效的进行灭火救援。

（3）地铁、隧道等突发事件的抢险救援。目前，世界各国应对地铁、隧道等突发事件的处置方法基本达成共识，所采取的措施主要有以下6条：①要求地铁的电气、动力设备应绝缘良好，防水、防过热、防超负荷，并定期维修、更新；②应急照明设备应齐全；③地铁、隧道的安全出口应符合要求，地铁站台应设置屏蔽封闭门；④应安装火灾自动报警、灭火设施、事故广播、排烟设施等；⑤尽量减少地铁站内的可燃物，地铁车厢采用不燃材料；⑥配强灭火救援装备。

可见，配强灭火救援装备是应对地铁、隧道等突发事件的重要措施之一。而具有爬楼梯功能、能够进入地铁车站内的大功率排烟消防机器人和灭火机器人非

常适合地铁场所的使用。

（4）石油化工、危险品泄漏等高危场所的火灾扑救和抢险救援。这些高危场所火灾时的热辐射强度大，有时热辐射强度甚至高达75 kW /m2。实验表明，

在热辐射强度>6 kW /m2的情况下，人会灼伤；在14 kW /m2情况下，消防车会受热起火。加之这些场所危险品多，随时可能发生爆炸，消防员如轻易进入，极易造成伤害。如使用消防机器人，可极大的减少消防员的伤亡。2003年9月24日，湖北省消防总队在处置长达10天之久的利川“9 ·15”天然气井喷事故过程中，利用灭火机器人进入毒气泄漏区侦察、掩护消防员堵漏，机器人自带的水炮射出强大的雾状水流，瞬间将四周的毒气驱散，为实现“零伤亡”、尽快顺利处置利川井喷事故创造了条件。

（5）冷库等特殊场所的灭火救援。冷库一般为钢结构大跨度建筑，库内温度经常维持在0～20°C，具有隔热防潮性能好、出入口少以及空间密闭等特点。

火灾初期，由于燃烧产生的热量不足以库内温度的迅速升高，火灾产生的烟气是低温烟气，它比一般火灾的热烟气减光性更强。加之由于冷库密封，燃烧极不充

分，因而烟气毒性和密度更大。因此，浓烟、有毒、减光性大是冷库火灾灭火救援的难题。而能够方便的进入冷库内部的大功率排烟消防机器人和灭火机器人却是排烟、灭火的利器。

七、结语

随着经济的发展和灭火救援日益严峻的形势，我国的消防机器人研制工作将会越来越得到有关部门的大力重视和支持，越来越多的消防指战员己经认识到消防机器人的重要性。伴之消防机器人的技术不断完善，消防机器人的市场正在逐渐形成。应结合现有的工业和技术基础，加强与国际之间消防机器人的技术交流和商务合作，使得我国的消防机器人生产水平、应用水平和技战术应用水平大大提升。

参考文献

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