1. 研究目的与意义（文献综述）

1.1目的及意义

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，使得消防机器人应运而生。随着消防机器人功能越来越丰富，应用范围越来越广，家用灭火机器人也随之产生。

而如今先进技术与材料的发展，对家用灭火机器人的结构以及性能有了更高的要求。本课题完成的就是对已有家用灭火机器人结构的改进与制作的研究。针对已有设计的部分缺点，如：控制系统功能、机器人超重、灭火器拔销机构不合理、安全性差等等问题进行改进，从而满足能够应用到生活中的现实需要。

2. 研究的基本内容与方案

2.1 设计目标与内容

了解机器人的基本结构和控制原理。分析现有机器人控制系统的基本原理，掌握相关输入输出接口的是使用方法以及主板功能的拓展。掌握相关传感器的性能和使用方法。重新设置和配置相应的传感器。针对机器人灭火过程中所需达到的目的，从结构优化设计、控制电路优化设计、多功能等三个主要方面进行分析，从而设计出较为完善的灭火机器人的结构框架和控制策略，并利用相关的工具进行装配和调试。

该家用型机器人由运动平台和搭载平台两部分组成，如图2.1所示。其中运动平台包括有车体和传感器，车体内部空间容纳控灭火制电路、蓄电池等一系列硬件设备；车体四周装有传感器，主要为红外传感器、温度传感器及火焰传感器，用于探测火源以及避障。搭载平台包括灭火器固定机构、机械臂、阀门控制机构和拔销控制机构四部分，灭火器固定机构是用来搭载灭火器并将其固定于平台上；机械臂用于控制灭火器软喷管的方向控制，使其准确的指向火源；拔销控制机构用于控制灭火器拔销的拔出；阀门控制机构用于控制灭火器的阀门。

另外机器人控制系统原理框图如图2.2所示。单片机采集在搜索阶段通过采集避障模块的信号，通过分析判断对机器人下一状态应采取的动作进行决策，随后通过控制电机驱动模块使机器人避障行驶去寻找火源，待检测到火焰后，采集火焰检测模块的数据，同避障模块信号处理方法，使机器人正对火源前进，当距离火焰一定距离时，控制电机停止，开启灭火器进行灭火。

图2.1总体框图

图2.2控制系统原理框图

本文所讨论并完成结构完善的部分主要包括车体及内部控制电路、灭火器固定机构，机械臂、拔销控制机构和阀门控制机构等。

2.2拟采用的技术方案及措施

2.2.1结构优化设计方案

(1)尺寸优化。

原灭火机器人搭载灭火器规格是4kg，外形尺寸为Φ=130mm，h=490mm。经查干粉灭火器规格表，现可改用规格为2kg，外形尺寸高29*直径8.5cm。可缩小原固定机构体积与质量，使机器人更加灵活。

图2.3 干粉灭火器规格

（2）形状优化

原拔销控制机构，如图2.2（b）所示，因销应做平移运动，故原设计不合理。可改成图2.2（c）机构。

（a）拔销控制机构

（b） （c）

图2.4 拔销机构优化

（3）安全性优化

原机器人无线路保护措施，如图2.5所示。考虑到灭火环境容易对机器人线路及传感器等关键结构造成破坏。所以，可增加外壳起到保障安全的作用。

图2.5 灭火器实物图片

（4）轻量化

目前，搭载平台材料为不锈钢和铝合金。镁合金是常用金属结构材料最轻的一种，其密度约为铝的2/3，钢的1/4。相对于铝合金而言，镁合金压铸性能优良，散热性能好，强度高以及吸震能力强等优点。因此。用耐高温镁合金代替可起到明显优化作用。

图2.6搭载平台

2.2.2控制系统优化设计方案

(1)火焰传感器优化。

原机器人用紫外传感器检测火焰。紫外火焰传感器主要应用于火灾消防系统，尤其是一些易燃易爆场所，用来监测火焰的产生。紫外线火焰传感器的灵敏度高，相应速度快，抗干扰能力强，对明火特别敏感，能对火灾立即做出反应。

但是紫外传感器检测的范围太大，从经济和方便的角度考虑，可考虑用热释电红外测温传感器，热释电红外传感器TTS1000和TTS2000系列是根据LiTao3的热释电效应设计的，用作检测器的热释电材料具有自发极化，其晶面能俘获大气中的自由电荷，从而保持中性，当晶面温度稍有变化即引起自发极化强度的变化，从而使晶面电荷量发生相应的变化。由于它是非接触式测温，用于测量火焰温度非常方便。从经济和方便的角度考虑。

（2）避障传感器优化。

用超声波传感器进行避障。超声波传感器的原理是：超声波由压电陶瓷超声波传感器发出后，遇到障碍物便反射回来，再被超声波传感器接收。然后将这信号放大后送入单片机。超声波传感器在避障的设计中被广泛应用。但是超声波传感器需要40KHz的方波信号来工作，因为超声波传感器对工作频率要求较高，偏差在1％内，所以用模拟电路来做方波发生器比较难以实现。而用单片机作为方波发生器未免有些浪费资源。因此考虑其他的方案。

用红外光电开关ST178进行避障。光电开关的工作原理是根据投光器发出的光束，被物体阻断或部分反射，受光器最终据此做出判断反应，是利用被检测物体对红外光束的遮光或反射，当检测到有障碍物的时候，光电对管就能够接收到物体反射的红外光，其物体不限于金属，对所有能反射光线的物体均能检测。光电对管ST178操作简单，使用方便。当有光线反射回来时，输出低电平。当没有光线反射回来时，输出高电平。考虑到本系统只需要检测简单障碍物，没有十分复杂的环境。为了使用方便，便于操作和调试，故可选用后者方案。

2.2.3新增功能设计优化方案

（1）增加火源发现模块

原机器人等待用户发送火灾发生的房间号，当机器人接收到信号时启动。而对于家庭中的火灾，往往出现在家中无人的情况中。针对这方面，可增加火源发现模块，考虑在家庭火灾易发点，如厨房，安装紫外传感器。当检测值达到特定数值，有火灾危险时，向灭火机器人发出信号，命令机器人完成灭火工作。

（2）增加返回基点模块

出于智能化考虑，还可增加返回基点模块。当灭火机器人完成灭火任务，启动返回基点模块，由基点不断发出超生波信号，使机器人返回基点待命。若基点与工作地点不在同一房间，机器人接收不到命令时，可另机器人沿壁顺时针或逆时针行进，直到发现信号。如图2.7所示。

3. 研究计划与安排

4. 参考文献（12篇以上）

[1]孙树栋．工业机器人技术基础[m]．西北工业大学出版社，2006．12．

[2]陈永琴，候叶，杨小瑜．小型机器人结构设计．液压与气动，2005，01：3-4．

[3]成大先，机械设计手册（第五版）（1-5卷套装），化学工业出版社，2014．11．