毕业设计（论文）-履带式消防机器人设计

发射点犯得上 履带式消防机器人设计摘要随着科技的发展，时代的进步，各种化工厂等有易燃易爆物品的工厂和家中电器产品的爆炸式增长，火灾的发生次数也随着易燃易爆物品和电器设备的增加而增长。火灾的危害十分严峻，且消防人员进入火灾现场所承担的风险也不容小觑。在科技愈加发达昌盛的今天，由机器人代替消防员进入火灾现场进行灭火和救援的方式的可行性和必要性也越来越突显出来。防机器人能够将火灾现场的损耗将至最低，没有任何财产比生命更为重要，消防人员的生命能够得到重要的保障。同时消防机器人的执行任务的效率也高于消防人员的执行效率，在一氧化碳高浓度且氧气稀缺的环境下，人员的进入极其危险，高温下人员也无法进入，然而消防机器人却能够在这样的火灾现场安全的完成消防任务，就算损坏，也无人员伤亡，能够将伤亡将至最低。在火灾现场，消防机器人能发挥出自己的最大的优势。由此可看出设计消防机器人的必要性。基于以上原因本文研究设计了一款全方位履带式消防机器人，该机器人采用履带作为行走机构，可全方位移动，使用无刷直流电机提供较大的驱动力，可以在火灾现场进行攀爬与越障。并设由超声波避障模块，能在火灾现场进行避障，且设有蓝牙通讯模块方便对机器人进行远程控制。其上方置有电控消防水炮，进行小范围的灭火行动。内置铅酸蓄电池可移动电源，为消防机器人续航。该设计可为消防人员在火灾现场的救援灭火工作，提供极大的便利。该论文有图34幅，表9个，参考文献35篇。关键词：消防机器人；全方位移动；攀爬和越障分析；超声波避障。全套图纸加扣 3346389411或3012250582IAbstractWith the development of science and technology and the progress of the times, the explosive growth of all kinds of chemical plants and other factories with inflammable and explosive goods and electrical products in the home, the number of fires also increases with the increase of inflammable and explosive goods and electrical equipment. The danger of fire is very serious, and the risk that firefighters take when entering the fire scene cannot be underestimated. In todays increasingly developed and prosperous technology, the feasibility and necessity of using robots to replace firefighters to enter the fire scene for fire fighting and rescue are becoming more and more prominent. Anti-robot can minimize the loss of fire scene. No property is more important than life, and the life of firefighters can be guaranteed. At the same time, the efficiency of the fire-fighting robot is also higher than that of the fire-fighting personnel. In the environment with high carbon monoxide concentration and scarce oxygen, the entry of personnel is extremely dangerous, and personnel cannot enter under high temperature. However, the fire-fighting robot can safely complete the fire-fighting task in such a fire scene, even if it is damaged, there is no casualties, and the casualties can be minimized. At the scene of the fire, fire fighting robots can give full play to their greatest advantages.From the above, we can see the necessity of designing fire fighting robots. Based on the above reasons, this paper studies and designs an omni-directional crawler-type fire fighting robot, which uses crawler as a walking mechanism, can move in all directions, uses brushless DC motor to provide larger driving force, and can climb and surmount obstacles in the fire scene. An ultrasonic obstacle avoidance module is also arranged, which can avoid obstacles at the fire scene, and an electric control fire monitor is arranged above the module to carry out small-scale fire extinguishing operations. The built-in lead-acid battery can be used as a movable power supply for the fire fighting robot. The design can provide great convenience for firefighters to rescue and extinguish the fire at the scene of the fire. This paper has 31 pictures, 9 tables and 35 references.Key words: Fire Fighting Robot; All-direction Movement; Climbing and Obstacle Crossing Analysis; Ultrasonic Obstacle Avoidanc.II目录摘要目录1 绪论11.1课题研究背景以及意义11.2国内外研究现状与趋势31.3本课题主要目标以及主要研究内容61.4本章小结72 全方位履带式消防机器人总体设计82.1全方位履带式消防机器人功能要求82.2全方位履带式消防机器人技术性指标82.3全方位履带式消防机器人系统总体方案设计92.4本章小结(Summary of This Chapter)123 履带式消防机器人机械结构设计133.1底盘行走结构以及箱体设计133.2防爆密封设计153.3动力系统设计163.4消防系统设计293.5本章小结314 履带式消防机器人控制系统设计324.1控制芯片的选型324.2控制芯片的电路设计324.3控制模块的选型与其电路设计344.4驱动模块的选型与驱动模块电路的设计374.5本章小结395 总结与展望40参考文献41翻译部分43经济性分析.59ContentsAbstract Contents. 1 Introduction11.1 Background and Significanc11.2 Research Status and Development Trend at Home and Abord21.3 The Main Content and Object of Study61.4 Summary of This Chapter72 General Design of All-direction Crawler Fire Fighting Robot82.1 The Function Requirements of All-direction Crawler Fire Fighting Robot82.2 The Technical Parameters of All-direction Crawler Fire Fighting Robot82.3 General Design Scheme of All-direction Crawler Fire Fighting Robot92.4 Summary of This Chapter123 Mechanical Design of All-direction Crawler Fire Fighting Robot133.1 Chassis Walking Structure and System Design133.2 Explosion Protection and Seal design153.3 Dynamic System Design163.4 Fire Extinguisher System Design293.5 Summary of This Chapter314 Control Design of All-direction Crawler Fire Fighting Robot324.1 Selection of Control Chip324.2 Circuit Design of Control Chip324.3 Selection of Control Module and Circuit Design344.4 Selection of Driver Module and Design of Driver Module Circuit374.5 Summary of This Chapter395 Summary and Prospect40Referene41Charpt of Translation43Economic Analysis.60VError! No text of specified style in document.发射点犯得上 1 绪论1 绪论1 Introduction1.1课题研究背景以及意义（Background and Significance）各种灾害中，火灾是其中不可忽视的一种。随着科技的发展，时代的进步，各种化工厂等有易燃易爆物品的工厂和家中电器产品的爆炸式增长，火灾的发生次数也随着易燃易爆物品和电器设备的增加而增长。据国内的数据统计，近十年来火灾发生次数约为180万余起，而在这近十年因火灾而牺牲的英勇的消防员高达300余人，因火灾而导致受伤或者残疾的或轻伤或重伤的消防员总共有900余人。这是一个不可忽视而残酷的事实。消防员进入火灾现场是一件十分危险的事情，消防人员进入火灾现场，要在高温、缺氧、有毒气体等复杂混乱环境下展开火灾救援的工作，进入火灾现场本身就是对消防人员的一个巨大而艰难高风险的挑战，由于火灾内部环境的不稳定，有可能会发生二次爆炸或坍塌等危险事件，这会对消防员造成巨大的威胁，并可能英勇牺牲，从而增加更多的人员伤亡，并造成更多的财产损失。火灾造成消防员伤亡的原因由多种因素造成：1、消防员始终是人，人都会有犯错的时候，在这种容错率极地的火灾灾区，消防人员就算经过再严厉在万无一失的训练，只要稍有疏忽就可能对自己的生命造成威胁，对整个火灾环境造成再一次的不利影响，这样的损失很难让人接受。2、消防员所携带的消防设备是否齐全，消防部门所准备的计划是否精密等，都是至关重要的因素。由于火灾现场的环境大有不同，大到化工厂，小到家庭居所，不同场所自然有不同的设备需求和计划方针。由于火灾现场的环境过于复杂和混乱而消防人员的准备时间有限，故容易由于消防员准备不足或计划不周全等原因导致消防人员的伤亡。如下图为国内火灾现场。图1.1贵州侗寨火灾现场 图1.2乌鲁木齐批发市场火灾现场 Figure. 1.1 fire scene of dong village in Guizhou Figure. 1.2 Fire Site of Urumqi Wholesale Market2019年4月15日，法国巴黎圣母院发生火灾，火势十分严峻，着火位置位于圣母院楼塔顶部，直至第二日凌晨，消防员才将其彻底扑灭。在该场火灾中，政府派出来最新的消防系统消防机器人来完成扑灭巴黎圣母院大火这项工作，这因为有消防机器人的存在才能在最短的时间下扑灭大火，保护世界文化财产，并减少人员的伤亡。在此次火灾中仅有两名警察和一名消防队员受轻伤，这应该得益于消防机器人的应用，它能够在最短时间内扑灭火势、通过摄像头有来观察火灾区域内情况、为消防队员提供帮助，运输消防设备等。如图1.3所示为巴黎圣母院消防队员使用消防机器人的场景。图1.3参与圣母院救援的消防机器人Figure 1.3 Fire Fighting Robot Participating in Notre Dame Rescue由上面的火灾事件可以看出，火灾的危害十分严峻，且消防人员进入火灾现场所承担的风险也不容小觑。在科技愈加发达昌盛的今天，由机器人代替消防员进入火灾现场进行灭火和救援的方式的可行性和必要性也越来越突显出来。消防机器人能够将火灾现场的损耗将至最低，没有任何财产比生命更为重要，消防人员的生命能够得到重要的保障。同时消防机器人的执行任务的效率也高于消防人员的执行效率，在一氧化碳高浓度且氧气稀缺的环境下，人员的进入极其危险，高温下人员也无法进入，然而消防机器人却能够在这样的火灾现场安全的完成消防任务，就算损坏，也无人员伤亡，能够将伤亡将至最低。在火灾现场，消防机器人能发挥出自己的最大的优势。消防机器人在火灾援救伤员，扑灭火势等可以有极好的表现。消防机器人能够在易燃、易爆场的灾区执行消防人员下达的任务。能够潜入狭小的空间对受灾人群采取救援行动，还可以帮助消防人员拾取火灾现场的危险物品和残垣断壁等。除非消防机器人受到严重的损伤，否侧就会一直执行消防人员对它所下达的任务以及命令。我国目前消防机器人的研究与制造还有很大的发展空间，与世界前沿的高端科技也尚有差距。消防机器人的成功应用以及发展，会极大的提升中国消防部门救援火灾现场、扑灭猛烈火势、加快处理火灾现场的应急能力，降低发生火灾地区的人民和政府的财政损失，减少甚至能够避免消防人员的伤亡人数并且将灾区人员的伤亡将至最低。而且，随着对消防机器人的开发以及制造越来越深入，势必对我国的科研发展如机械结构和控制方面也将有巨大的帮助。1.2国内外研究现状与趋势(Research Status and Development Trend at Home and Abord)1.2.1消防机器人研究现状在全球环境下，最早开始消防机器人各系统的研究的是美国和苏联，紧随其后的是日本，英国、德国等发达国家进行了有关消防机器人的研发。消防机器人移动系统照运动方法进行分类一般可以分类：轮式、履带式以及履带轮式、腿式等其他形式。其中对于履带式消防机器人的研究和作用十分宽泛。现在对于消防机器人的大体发展可分为两个方面：1、远程操控进行火场灭火和现场对人员进行救援的实现。2、消防机器人智能化如自主避障，自动识别火源等的实现。现今，大部分消防机器人的研究人员都在从事这两个方面的研究开发。1.2.2消防机器人国外研究现状在国外，最早开始消防机器人各系统的研究的是美国和苏联，紧随其后的是日本，英国、德国等发达国家进行了有关消防机器人的研发。现今，已有各种不同类型的消防机器人被研究开发并投入全球市场。诸多发达国家里，日本因为城市拥挤火灾发生后造成的后果十分严重，财产也将严重损失，所以对于消防机器人的研究比较透彻，且日本机器人技术较为发达，早期就把消防机器人运用在了火灾场地上。目前，日本东北大学的田教授等开发制作了名为龙型消防员的机器人，如图1.3所示。此机器人能够停留在高处展开扑火作业，能够伸进消防人员难以救援的火场，并且大幅度降低机器人与现场火势的实际距离，能够有效的提高龙型机器人的有效寿命。机器人龙型消防员配置细长管状装置，长约3m，机器人前面和中间有喷口，机器人能通过水管喷射的力量使自身漂浮在空中。同时机器人还能对火灾现场的情况进行观察以及监测，该机器人前面装配了两种摄像头分别探测火源，能够远程操作机器人进行灭火并且查看火灾现场的情况针对火灾不同情对不同情况的火情采取不同的灭火方案。图1.4 龙型消防员机器人 Figure 1.4 Dragon Fireman Robot日本东北大学机器人团队不仅开发了龙型消防员机器人还推出了名叫蛇型机器人的消防机器人，如图1.4所示，此机器人装备半径2.5cm的软性水管，长约8m，出奇的是该机器人的重量十分的轻，只有20KG。此机器人使用表层的尼龙细毛进行振动以满足缓缓前行的需求。机器人前面去装置向下喷射气体，能够让机器人整体上升30cm，机器人前方还设置了摄像头，用在火灾现场进行搜救。当然这代消防机器人也有不足之处，由于升高高度有限，该机器人对于较高的障碍物有无法越过的问题。图1.5 日本蛇型消防机器人Figure 1.5 Japanese Snake Fire Robot蛇型机器人在挪威的科学界同样研究有所进展，在仿生学的基础上，挪威科学家开发研制出了一款蛇型机器人，如图1.5所示。该机器人自重80KG,长度比上文中的日本所研究的蛇型机器人要短，约3m。在其后面与消防水炮进行连接，对火灾区进行灭火。其身体上装有多个液压装置，用于传动，使机器人能够精密移动，减少误差，使机器人能够在全方位进行移动，能够智能规划前进路线，避开火灾内的障碍物，进入狭小的火灾空间进行观测，提高火灾现场的救援效率，减少火灾现场人员的伤亡，在第一时间发现伤员，并拯救伤员，完成救援工作。 图1.6 挪威蛇型消防机器人Figure 1.6 Norwegian Snake Fire Robot美国一所消防公司开发了Thesmrth T2的远程遥控的消防机器人运用履带式作为行走机构进行运动，通过15KW柴油机传递扭矩以及动力，机身上装备有高清摄像机能实时观察火灾内部环境情况。机器人带着管子，由箱体个个方面的水炮扑灭火场火焰，每秒能喷射60L的灭火剂。由于该机器人的存在，消防人员无需进入火灾现场进行灭火，能在远程指定灭火计划，并让消防机器人去执行命令，完成灭火工作，在一些极其危险的环境中，这样的方式十分有效，并能减少消防人员的伤亡，如图1.6所示。图1.7 美国科技公司所研发的履带式消防机器人Figure 1.7 Crawler Fire Fighting Robot Developed by American Technology Company1.2.3消防机器人国内研究现状近几年内，我国的机器人相关方面技术有了突飞猛进的发展，日新月异的进步。消防机器人同样也属于机器人的队列之中，在消防机器人的机械结构如传动装置悬挂装置的升级，以及控制方面自动避障，红外识别火源等等。略有遗憾的是，国内消防机器人应用多处于初级阶段，火场中的指挥与控制基本靠消防救援人员临机应变。人机协同化程度低下，各自为战，与应急指挥平台也存在一定信息联通、反馈的障碍误区，且消防机器人仅在经济发达的城市少量存储。在应用消防机器人方面我国消防部门还需要时间去熟练和适应。如下表格1.1为2017年国内各地区购买消防机器人情况。表1.1各区域购置消防机器人数量购置消防机器人的地区华东华南华中华北西南东北西北购置消防机器人的数量316994118191017Table 1.1 Number of Fire Fighting Robots Purchased by District目前国内消防机器人技术方面较为成熟的是中信重工机械股份有限公司，其公司所生产的消防机器人中，RXR-M40D 消防灭火机器人销售量高，具有很高的代表性，如图1.7所示。该机器人可适用消防车和市政消防水等多种供水系统；履带采用外部耐高温、阻燃橡胶，内部全金属骨架；独立悬挂减震系统，抗冲击性强；系统采用耐高温设计，并自带双重水幕自喷淋降温装置；具有防水带打结功能；远程控制消防炮回转、俯仰、自动扫射，多种喷射方式；高清无线图传系统，实现远程实时视频监控；采用先进的无线通讯技术，通讯距离远，抗干扰性强；机动性强，移动速度快，速度可调；自动发电、后坐力自动抑制功能：机器人主电机采用发电制动，在喷水灭火中将后坐力转化为电能；主避障功能：避障系统自动识别障碍物距离，灵敏度高，检测距离远。 图1.8 RXR-M40D消防灭火机器人Figure 1.8 RXR-M40D Fire Fighting Robot该公司还有一款名叫RXR-C6BD 消防侦察机器人的消防机器人，如图1.8所示，消防侦察机器人由机器人本体和手持遥控终端组成。主要用于各领域火灾事故侦察，尤其适用于石化、燃气等易爆环境，对提高救援安全性、减少人员伤亡具有重要意义。该消防机器人在如下几个方面有着巨大的优势互联网功能：1、网络通讯功能强，可接入互联网，将数据传输到指挥中心，为救援决策者提供可靠的决策依据；同时可与无人机配合,实现“三位一体”的消防指挥控制。2、远程诊断功能:通过互联网功能实现对机器人远程诊断及故障分析。3、环境探测功能;搭载环境探测传感器，可自动升降,实现对现场有毒、可燃气体的检测分析。4、图像采集功能：采集现场图像并实时上传。5、热眼检测功能；通过红外热成像实现对热源的检测与跟踪声音采集功能:6、可实时采集现场声音，便于了解受困人员情况。7、自主避障功能：避障系统自动识别障碍物距离，灵敏度高，检测距离远。总体来看，相比较于国外发达国家如美国，德国，日本等，我国国内消防机器人系统水平还有很大的发展空间，整体消防机器人水平还处于起步阶段。不过，我国的消防机器人以中信重工为代表的机械公司的科技技术正在以惊人的速度飞速发展。相信在不久的将来，我国消防系统将逐渐以消防机器人为主，构造成完善的消防体系，减少政府和人民的财产损失，尽量避免消防员的受伤和牺牲。与国际前沿高端科技联手，有效利用国内的大量优质资源，进一步深入消防机器人的专业知识领域。1.3本课题主要目标以及主要研究内容(The Main Content and Object of Study)1.3.1主要研究目标本设计主要的研究目标是为国内消防系统，在现有的消防机器人的基础上，设计出一种全方位履带式消防机器人。此消防机器人能够替代消防队员进入火灾现场进行侦察活动，探测灾区内环境，设计有防爆密封设计。机身上方装有消防水炮，能在火灾现场进行小范围的灭火行动，能攀爬最高30的斜坡行驶，具有强劲的动力驱动系统，能够识别障碍物并避开障碍物。机器人通过单独电机驱动的两个驱动轮进行差速转向，并装置摄像头，使其能在恶劣的火灾环境如浓烟，高温，有毒气体，复杂地形中完成消防队员所布置的消防任务。研究全方位履带式消防机器人对于我国消防体系有着不可或缺的重大意义，能够有效的降低由火灾造成的政府、工厂或者家庭的财产损失和人员伤亡数，并推动促进消防机器人乃至大部分机器人在机械结构或者是控制系统方面的发展。1.3.2主要研究内容 全方位履带式消防机器人就是本文中的主要研究内容，该机器人在恶劣的环境下进行做行业，火灾环境中多数是处于高温，有浓烟，氧气匮乏，有毒气体围绕的环境。全方位履带式消防机器人需要协助或者代替消防人员进入危险的火灾现场环境，并帮助消防人员进行灭火作业或者运输必要的消防物资等。消防机器人需要较大的动力来顺利的在地形复杂的火灾现场进行作业，同时也需要在箱体机身上由一定的密封性能的要求，并在防爆功能上具有同样的需求，在火灾现场要求全方位履带式消防机器人能够自主避障，能够通过消防水炮进行一些小范围的灭火行动，完成扑灭救援火灾的任务。从消防机器人的总体的五个方面进行入手，来展开研究。首先对全方位消防机器人进行总体的机械设计，包括全方位履带式消防机器人的行驶速度，消防机器人的总体重量，消防机器人的体积等，包括对机器人箱体的设计。其次行走系统即履带的设计，其中有，带中驱动轮，承重轮，导向轮，以及张紧轮的设计，以及履带节数等基本参数的设计。再对消防机器人动力系统进行设计，驱动系统由电机提供动力，再通过减速器将电机传递过来的转速降低，扭矩增加后，再由减速器传递给传动轴后由传动轴带动驱动轮。对其中的电机与减速器在计算过机器人在30斜坡所需最大驱动力后进行选型。再对传动轴和驱动轮进行设计与校核。箱体密封和防爆上也需要进行研究，以防止易燃气体进入机身内部的控制电路从而引发机器人的爆炸，对火灾现场造成更大的危害。本设计中对消防系统即水炮进行选型，不在本设计论文的考虑范围之内，不做更多的研究，仅保证消防机器人有足够的附着力，不被水炮反作用力推动。最后在对消防机器人的控制系统进行设计选型，满足控制功能的需求能够自动避障等功能。最后对设计好的全方位履带式消防机器人绘制装配图和部件图还有零件图，并对控制电路绘制电路图最后完成整个消防机器人的设计。1.4本章小结(Summary of This Chapter) 在本章中，对全方位履带式消防机器人进行了各方面的分析，即驱动系统，行走系统，防爆密封系统，消防系统和控制系统。并分析了为什么火灾现场需要消防机器人的协助及消防机器人在火灾现场的重要性。随着科技的发展，在火灾越来越多的今天，消防机器人的存在必不可少。并确定全方位履带式消防机器人的设计总方案，确定了消防机器人的基本功能，以及设计的侧重点，并对设计的顺序和设计的大体方向也进行了确定。452 全方位履带式消防机器人总体设计Error! No text of specified style in document.发射点犯得上 2 全方位履带式消防机器人总体设计2 General Design of All-direction Crawler Fire Fighting Robot2.1全方位履带式消防机器人功能要求(The Function Requirements of All-direction Crawler Fire Fighting Robot) 在进行全方位履带式消防机器人的设计之前，最为重要的两点就是要明确全方位履带式消防机器人的消防环境以及消防使用途径。同时，这两点也是明确机器人的机械结构以及速度、动力、密封性等各种重要数据的根本来源。 一些易发生火灾的区域里，例如市场超市、娱乐场所、石油化工厂、核电站、化学实验室等，在其中的一些狭小的空间里或者是地形比较崎岖，或者是具有易燃易爆等化学物品的区域，如果亲临火场去灭火，有可能会对消防队员的生命造成巨大的危险，同时也会消耗消防队大量的财力和物力。在这个时候消防机器人的作用就会体现出来，全方位履带式消防机器人能够快速安全地进入到狭小的或人类难以攀爬的区域进行灭火或者救援，也可以进入具有毒性气体、高温、高辐射或者空气匮乏的密闭空间里灭火，不仅如此消防机器人还能够在火灾现场夹取样品，拾取部分物品等等。诸如此类的功能对全方位履带式消防机器人提出了设计的必要要求。 由此可见，此次论文所要进行设计的机器人要满足的功能有如下几种：1、 消防机器人能够在较高的温度或有毒气体以及有易燃易爆物品的区域进行分析环境，灭火，救援的能力。2、 消防机器人具有内部的封闭空间，保护电路板等电子元件，使其能够避免爆炸以及灰尘造成的干扰。3、 消防部件能够进行远程操控并且灭火。4、 消防机器人能够在一定的范围内根据地形的不同提供足够大的驱动力，以此进入消防员难以进入的复杂的火灾地形。2.2全方位履带式消防机器人技术性指标(The Technical Parameters of All-direction Crawler Fire Fighting Robot) 全方位履带式消防机器人需要在各个方面有所标准后，才能够达到2.1的功能需求。最为重要的就是要在关键数据上满足技术指标的要求，能够通过消防人员的远程操控代替救火相关人员进入危险的火灾现场执行相关严峻的工作并扑灭火势。当前国内开发的消防机器人中，中信重工开诚智能装备有限公司开发的消防机器人实用性高于其他的国内所开发的消防机器人，以此作为参考，来确定本文所设计的全方位履带式消防机器人技术性指标。其整体的技术性能指标如图表2.1所示。表2.1全方位履带式消防机器人性能指标Table 2.1 Performance Indexes of All-directional Crawler Fire Fighting Robot技术性能给定数据最大载重150KG斜坡/水平路径行驶速度 1.5m/s、3m/s机器人尺寸（LxBxH）1200mm680mm600mm最长运行时间150min跨越障碍高度0.2m攀爬最大斜坡角度 30转向角度全方位转向操作方式远程遥控2.3全方位履带式消防机器人系统总体方案设计(General Design Scheme of All-direction Crawler Fire Fighting Robot)2.3.1行走机构的选择一般来说，消防机器人通过的路径有如下几种类型，宽阔的平地，室内阶梯，置有障碍物的地面，斜坡等等。为了适应多种多样的路径机器人的行走机构囊括了足式、轮式、履带式还有复合式。它们能应用于各种不同的地形与路径，足式对于机器人行走在置有障碍物的地面有较大的优势，但是在速度上还有稳定性上相较于其他几种行走机构还有所欠缺。轮式行走机构在宽阔的平地上行驶较为稳定，速度也快于其他种类，但是很不利于在置有障碍物的地面上行走，攀爬室内阶梯也将会问题。履带式行走机构虽然没有轮式行走机构的行驶速度快，也没有足式行走机构在置有障碍物的地面上行走便利，但是综合上来看，履带式行走机构即能攀爬室内阶梯，又可以在平地上快速的行驶，最为符合火灾现场消防人员的需求。综上所述，履带式行走机构明显优于其他行走机构。履带式行走机构又分为以下几种，如固定式和关节式如图2.2所示（a）固定式行走机构（b）关节式行走机构图2.2履带式行走机构的分类Figure 2.2 Classification of Tracked Walking Mechanisms本文中选择固定式履带作为行走机构，固定式中又可按照驱动轮所在的位置分为前置、后置与高置三种，其中后置固定式更符合全方位履带式消防机器人的工作需求，因为它能够起到拉紧履带的作用，防止履带在工作是发生脱落的现象，如图2.3所示图2.3后置驱动轮履带式行走机构Fig. 2.3 crawler-type traveling mechanism with rear drive wheels2.3.2传动机构的选择传动机构是将驱动系统的动力传递给行走机构的机构，是消防机器人传递动力的途径。在传动机构的选择上，需要考虑多种因素。通常的传动机构有如下几种：带传动、链传动、蜗杆传动、齿轮传动。带传动不具有耐腐蚀和耐高温的特性且在变载荷下适应性较差，而耐高温、耐腐蚀、变载荷条件都是消防机器人常遇到的条件。链传动虽然传动效率高、传动精确、适合在高温下工作，但是链传动在传动是的稳定性较差且不适宜载荷变化较大的场合。蜗杆传动传动平稳、传动比大、结构紧凑，但蜗杆在传动时的摩擦损失较大且花费成本高。齿轮传动不仅传动平稳、结构紧凑且使用寿命长、传动效率较高，但安装精度较高、只能使用于传动距离适中的场合，传动距离不可过长。综上所述，本设计的传动机构将选用蜗杆传动作为全方位履带式消防机器人的传动机构。2.3.3驱动系统的确定驱动系统是确保全方位履带式消防机器人正常运行工作的主要系统，它负责为机器人的行走机构提供动力，使机器人能够在火灾现场复杂的地形中正常行驶。现有驱动系统如下图表2.2所示：表2.2小型机器人的驱动方式以及优劣势Table 2.2 Driving Methods and Advantages and Disadvantages of Small Robot驱动方式液压驱动系统气动驱动系统电力驱动方式优点缺点动力大、调速快成本高、维护难成本低、体积小动力小、调速差精度高、输出高成本高、易损坏由图表2.2可得出结论，根据消防机器人的控制需求以及行驶性能要求，本文所设计的全方位消防机器人选用电力驱动系统。2.3.4防护系统的确定因为消防机器人的工作环境十分特殊，火灾现场存在大量的粉尘，水雾等，为了保证消防机器人在火灾环境中的正常运行，防护系统是不可或缺的一部分。消防系统能保证消防机器人的密封性能，防爆性能，并能在火灾现场稳定行驶以及作业。机器人内部采用增安型防爆结构，将箱体密封，防止内部产生电火花，引燃外部可燃气体 ，可提高机器人的可靠性。机器人外部电子设备采用购买本安型电子设备来避免机器人的爆炸，提高机器人的防爆性能。机器人箱体采用密封设计，使机器人箱体与外界密封。2.3.5灭火系统的确定灭火系统采用选型的方式，选用电控水炮进行小范围的灭火行动，内置有控制系统，能在全方位内进行喷射。2.3.8控制系统的确定 控制系统将采用STM32作为主控制芯片，来对消防机器人进行控制，以达到实现上文中所提到的对消防机器人的控制功能，如超声波避障，蓝牙通讯，以及视觉识别等多种控制功能。2.3.7总体设计确定经过上述机器人各系统的明细确定，全方位履带式消防机器人将采用驱动轮后置的履带作为行走机构，传动系统由无刷直流伺服电机输出扭矩使用蜗杆传动减速器将扭矩传递给传动轴，传动轴通过平键将扭矩传递给驱动轮轮毂，从而驱动轮带动履带运行，履带保证机器人的稳定行驶。在控制方面设置超声波传感器，报警器，并通过蓝牙模块进行机器人主要由如下几个系统组成:传动行走系统、驱动系统、防护系统、灭火系统、控制系统组成。由五个系统保证机器人的正常作业，并能顺利完成灭火任务。全方位履带式消防机器人的传动方案和底盘布局方式见图2.4所示。1 箱体；2 电源；3 履带；4 驱动轮；5 蜗杆减速器；6 直流伺服电机图2.4 全方位履带式消防机器人布局图Fig. 2.4 layout diagram of omni-directional crawler fire fighting robot2.4本章小结(Summary of This Chapter)在本章中，对全方位履带式消防机器人的总体方案进行了设计。明确了消防机器人的具体功能，能够耐高温并进入有毒气体的火灾现场。机身具有防爆密封的功能，保护内部的电路板不受外界恶劣环境的干扰。装有电控水炮，能够进行小范围的灭火工作。具有足够的驱动力，提供驱动力，能够进行越障，并且能够攀爬小于等于三十度的斜坡。由此确定了消防机器人的各项性能指标，确定了行走机构，采用履带式行走机构，且驱动轮后置，这样的布置方式能起到拉紧履带的作用，并防止履带在工作是发生脱落的现象出现。在传动系统的确定上，扭矩传递采用路径为电机减速器传动轴驱动轮的路径。电机采用无刷直流电机，减速器采用齿轮蜗杆式减速器，传动轴与驱动轮之间采用键连接进行扭矩的传递，从而带动整个履带机器人进行作业。动力系统里电机采用大功率电机，减速器选用蜗杆减速器能选取较大的传动比。灭火系统选取电控水炮，该水炮自带控制系统，能够360度全方位进行喷射灭火。全方位履带式消防机器人的传动方案和底盘布局方式由图2.4所示，已确定。消防机器人箱体后部左侧右侧各布置一台无刷直流电机，分别连接蜗杆减速器，分别传递扭矩给左右两侧驱动轮，使驱动轮转动。电池位于电机前方，机身正中偏上，为电机提供能量。这一章中为说明书全文提供了可靠有效的思路，并为下一章的机械系统的设计与校核提供了大体方向，为整体的机器人设计提供了完整的思路。Error! No text of specified style in document.发射点犯得上 3 履带式消防机器人机械结构设计3 履带式消防机器人机械结构设计3 Mechanism Design of All-direction Crawler Fire Fighting Robot3.1底盘行走结构以及箱体设计(Chassis Walking Structure and System Design)3.1.1履带结构设计行走机构里最关键的部分就是履带，通过驱动轮带动履带不停移动，履带带动整个消防机器人进行运动。在履带的设计方案中通常有两种，一、橡胶履带，通常用于小型轻量的机器人，如勘测机器人，消防机器人等。二、金属履带，通常应用于大型重量的机器人，如坦克，拖拉机等。经过对机器人的工作环境以及自身硬件的比较，橡胶履带更为轻便且具有合适的耐高温材料，因此适合于全方位履带式消防机器人。根据设计原理可知，履带节距与整体载重的关系为：（3.1）式中： 履带节距，mm； 整体载重，kg。 （3.2）式中： 整体载重，kg根据公式3.1可得=70.4mm，=148mm根据市场上履带的具体尺寸，取=70.4mm，=148mm。依据现今市场上已有的橡胶履带，经过选取，采用阻燃特种橡胶履带，该产品采用复合耐磨橡胶材料，履带参数见表格3.1。表3.1履带主要参数Table 3.1 Main Parameters of Tracks节距带长齿数宽度重量70.4mm2956.8mm42148mm4.3kg3.1.2轮组装及张紧装置设计 在整个行走机构中，驱动轮作为动力输出，通过电机对其输出动力，驱动轮再将输出的动力传递给履带，带动整个机器人运动。设计驱动轮最重要的一点就是要确定驱动轮和履带在啮合过程中平顺，没有干涉。驱动轮按与履带啮合的方式可分类为一下三种：（1）等节距啮合。（2）亚节距啮合。（3）超节距啮合。本文中驱动轮材料采用42CrMo制作而成，具有一定的强度和韧性，耐高温，耐腐蚀。 驱动轮采用链轮的设计公式来计算相关数据，其中可计算出驱动轮分度圆直径： (3.3) 式中, 驱动轮分度圆直径，mm； 履带节距，60mm； 驱动轮齿数，z取12。 驱动轮齿数通常可取10-15，本文中取驱动轮齿数z=12，可以计算出d=231.82mm。齿顶圆直径：齿根圆直径：齿宽：式中， 齿顶圆直径，mm； 滚子直径，mm； 齿根圆直径，mm； 齿宽，mm。由此可得驱动轮的基本参数如上计算中所示参数。支重轮用来支撑整体机械的重量，并将其传递给履带，使履带在运动过程中不易脱落。导向轮用来防止履带跑偏以及越轨，以此来保证履带的正常运转，导向轮可按移动方式分为摆动式和滑动式。 参考履带机械设计标准 (3.4) (3.5) 式中， 支重轮直径，mm； 导向轮直径，mm。 根据公式3.4和3.5计算经考虑可得支重轮的直径=120mm，导向轮的直径=140mm。支重轮的个数和分布应该按照具体的地面压力进行布置,尽可能增加履带与地面的接触面积，并且尽量避免支重轮，导向轮，驱动轮之间的相互干涉，支重轮均匀布置4个在下履带上。 张紧机构是能够保持履带张紧使驱动轮与履带正常啮合从而保证机器人正常运动的机构。弹簧张紧与固定张紧是常见的两种张紧的方式，其中弹簧张紧多用于中型和大型的机械，而且需要进行计算弹簧的预紧力和弹簧的最大压缩力。与之相反，固定式张紧往往用于小型机械，如本文中的全方位履带式消防机器人，其张紧力主要通过调节螺杆和螺母移动导向轮的位置来给予，且无需计算，该方式结构简单，易于更换，故本文中采用固定张紧来保持机器人的正常行驶。3.1.3底盘箱体设计底盘箱体作为全方位履带式消防机器人的基本部件，必须起到载重、保护、行走等基本作用。由于全方位履带式消防机器人的工作环境较为复杂且危险，对于底盘箱底的定位面，孔等其他部位要具有较高的精度，还要满足强度与刚度的要求。为了保护机器人内部的控制系统，底盘箱体设计还需考虑到密闭性和防水性等功能。参考机械设计手册有关箱体的设计规范，基于机器人自身载重越轻越有利的原则，本设计取用铝合金材料ZL111制成。该材料具备良好的气密性，耐腐蚀性以及良好的铸造性，适合用于工作在高温下的机器。根据全方位履带式消防机器人的设计要求，机器人必要时需要进入较为狭小的空间如门框等，这就要求机器人的宽度和高度有一定的限度。因此设计机器人的底盘箱体尺寸为1145mm470mm200mm。参考机械设计手册箱体的结构设计中，铸造箱体的壁厚的计算公式：(3.6) 式中：当量尺寸; L 铸件长度，mm； B 铸件宽度，mm； H 铸件高度，mm。 将底盘箱体尺寸带入公式3.6中计算可得，=0.99，由表格3.2可知，底盘箱体壁厚为6mm。根据箱体各部分的强度要求，箱体部分可以合理的增加或减少厚度。表3.2铝合金铸造箱体的壁厚Table 3.2 Wall Thickness of Aluminum Alloy Casting Boxes当量尺寸 N/m箱体材料铸铝合金0.3040.7551.0061.5082.00103.2防爆密封设计(Explosion Protection and Seal design)3.2.1防爆设计(1)选择防爆方式由于全方位履带式消防机器人的工作环境位于火灾现场，而火灾多发于易燃易爆的化工厂等工业生产车间。因此由于作业于火灾中机器人的箱体外部会产生高温并与箱体内部产生压力差，这种情况会对机器人的内部控制系统造成一定损伤，甚至会引起爆炸。为了尽量减小由火灾现场恶劣环境对全方位履带式消防机器人的影响，有必要对消防机器人进行防爆设计。本节将就国内消防机器人防爆设计的现状来对本文的消防机器人进行防爆性能设计。根据我国电器设备的防爆标准，防爆的主要方式有充油型、本质安全型、充沙型、正压型、增安型以及隔爆型等等。其中隔爆型主要是利用机器人高强度的壳体，内部发生的爆炸对外部没有影响且不损坏，要达到这样高强度的壳体必然会增大设计的复杂性并增加机身的重量。本安型的原理是任何可燃气体都无法在机器人内部电路正常工作时被点燃，显然这对依赖于众多电机设备来进行正常作业的全方位履带式消防机器人是相当棘手的。正压型的原理通过对机器人内部输入一定量的惰性气体，使得机器人内部压力增加，由此防止易燃易爆气体渗入壳体之内。出于对全方位履带式机器人自身载重，内部结构等以及对机器人作业环境的考虑，本文中机身壳体密封设计应用于机器人壳体，增安型防爆设计应用于机器人壳体内部。通过对箱体进行密封，来实现机器人的防爆功能。此外，全方位履带式消防机器人还需要一些其他的外置的电子设备，如传感器，摄像头等。这些设备安装于消防机器人的外部，无法采取正压型防爆方式。因此，该类设备均采购本安型防爆设备，以满足机器人的防爆需求。3.2.2密封设计由于全方位履带式消防机器人具有灭火功能，即能够喷射消防液体来进行灭火。灭火过程中会不可避免的接触到一定量的液体，如果机器不进行密封，液体可能会影响甚至破坏机身内部的控制系统，故机器人的密封性十分重要。机器人的密封性可分为两部分进行考虑：一部分是静态密封，主要为机器人壳体连接处的密封、机械臂关节处的密封等；另一部分是动态密封，主要有两个部位的动态密封，分别为履带驱动轮与轴承之间、机械臂关节处等。根据机械设计手册，静态密封部分可以使用橡胶密封以及填料密封的方式，橡胶密封结构简单，质量轻且方便拆卸，可承