朱雅喬

（天津中德職業(yè)技術(shù)學(xué)院航空航天與汽車學(xué)院，天津 300350）

多功能救火機(jī)器人的構(gòu)建

朱雅喬

（天津中德職業(yè)技術(shù)學(xué)院航空航天與汽車學(xué)院，天津 300350）

針對火災(zāi)救援的任務(wù)要求，研究了一款多功能救火機(jī)器人。基于模塊化思想對機(jī)器人的本體、控制系統(tǒng)進(jìn)行三維設(shè)計(jì)，進(jìn)而對硬件平臺(tái)進(jìn)行搭建。通過WiFi控制軟件連接樣機(jī)，驅(qū)動(dòng)樣機(jī)完成滅火實(shí)驗(yàn)。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，機(jī)器人能滿足設(shè)計(jì)要求。

救火機(jī)器人 ；三維設(shè)計(jì) ；樣機(jī)實(shí)驗(yàn)

0　引言

目前，火災(zāi)事故頻發(fā)，在災(zāi)難事故現(xiàn)場亟需監(jiān)視、監(jiān)測與監(jiān)控的載體。一款多功能救火機(jī)器人采用履帶運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，具有較強(qiáng)越障能力的，非常適合執(zhí)行災(zāi)難現(xiàn)場的搜索與偵查任務(wù)，運(yùn)動(dòng)平臺(tái)搭載隨動(dòng)視覺系統(tǒng)及機(jī)械手，并預(yù)留傳感器接口，可采集目標(biāo)影像及環(huán)境信息、完成作業(yè)任務(wù)，通過WiFi控制模塊與芯片串口通信，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制，為災(zāi)難救援提供第一手信息。本文基于Pro/E對智能節(jié)能救援機(jī)器人進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，基于對機(jī)器人硬件及軟件設(shè)計(jì)，能夠帶來更好的操控體驗(yàn)，提高工作效率。本機(jī)器人機(jī)身上設(shè)置有溫度傳感器，能夠使機(jī)器人根據(jù)溫度高低判斷需要滅火的位置，報(bào)警器能夠根據(jù)溫度高低發(fā)出火警警報(bào)；同時(shí)設(shè)置在機(jī)身上的攝像頭能夠輔助操作人員獲得滅火現(xiàn)場的環(huán)境信息，發(fā)送接收器能夠使操作人員實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作，有效的保護(hù)了滅火人員的安全［1-3］。

1　三維建模

1.1移動(dòng)本體三維建模

本文采用pro/E進(jìn)行三維建模。機(jī)身頂部設(shè)置有攝像頭、溫度傳感器、報(bào)警器；行走機(jī)構(gòu)；控制器，控制器連接有發(fā)送接收器，控制器上與行走電機(jī)電連控制行走電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，且控制器接收溫度傳感器溫度信號(hào)控制報(bào)警器發(fā)出警示，發(fā)送接收器用以接收控制器發(fā)出或接收移動(dòng)終端的信號(hào)。機(jī)器人整體采用金屬材料，耐高溫；采用履帶行走機(jī)構(gòu)，提高通過性；機(jī)身上裝有散熱裝置，提高機(jī)器人的適應(yīng)性；可旋轉(zhuǎn)手臂提高滅火工作范圍；溫度、視覺等傳感器的分布提高機(jī)器人感知現(xiàn)場的能力。

1.2控制系統(tǒng)三維建模

如圖1所示，控制系統(tǒng)由控制模塊、驅(qū)動(dòng)模塊組成。

2　機(jī)器人的硬件系統(tǒng)

MCU處理器——STC11F32XE，作為硬件系統(tǒng)的核心 。驅(qū)動(dòng)板連接路由器并打開路由和驅(qū)動(dòng)板電源，電腦WIFI設(shè)置DHCP自動(dòng)獲得WIFI-Robot無線信號(hào)，用WIFI-Robot 專用PC控制工具連接視頻和控制端口，WIFI-Robot就能進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控控制和視頻傳輸了。電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片為L298系列，能滿足機(jī)器人電機(jī)需求。電源穩(wěn)壓系統(tǒng)具有豐富的接口與資源（5路舵機(jī)驅(qū)動(dòng)接口；路紅外避障接口；1個(gè)TTL串口；1個(gè)紅外一體化接收頭；1個(gè)直流電源輸入接口，7～15 V范圍輸入；1個(gè)5 V電壓輸出接口，標(biāo)配1 A電流；6路LED可用于系統(tǒng)狀態(tài)提示），為機(jī)器人功能拓展與延伸提供可能。

圖1　控制系統(tǒng)布局

硬件系統(tǒng)的搭建：硬件系統(tǒng)搭建，如圖2所示，其重要性不言而喻，最終的目的是盡可能減小機(jī)器人實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡與期望目標(biāo)的偏差，達(dá)到理想的運(yùn)動(dòng)精度。

圖2　機(jī)器人控制系統(tǒng)

3　機(jī)器人樣機(jī)

3.1機(jī)器人控制軟件

（1）機(jī)器人固件：更新方式簡單，在GPL版權(quán)協(xié)議下使用C語言編寫，并使用GNU bfin-elf-gcc或bfin-uclinux-gcc工具鏈編譯。

（2）板載用戶程序：主板內(nèi)置C語言解釋器支持專門的機(jī)器人類型命令以供用戶程序運(yùn)行。

（3）開發(fā)工具：GNU工具鏈。

（4）控制臺(tái)軟件：通過運(yùn)行于Windows，MAC，Linux平臺(tái)上的基于java的應(yīng)用程序，連接內(nèi)建于SRV1中的5、WebcamSat服務(wù)程序觀看圖像，并允許多人同時(shí)通過Internet遠(yuǎn)程觀看。

（5）機(jī)器人控制協(xié)議。圖像處理函數(shù)庫。

3.2機(jī)器人樣機(jī)

機(jī)器人樣機(jī)如圖3所示。

圖3　機(jī)器人樣機(jī)

WiFi控制（手機(jī)、電腦）、巡線、超聲波壁障、無線視頻傳輸。通過舵機(jī)、光耦繼電器控制水泵的開關(guān)，達(dá)到噴水滅火的目的；通過舵機(jī)、水銀開關(guān)控制蜂鳴器，達(dá)到報(bào)警目的；通過舵機(jī)控制鋼絲拉桿，達(dá)到控制機(jī)器手的目的；外加備用電源，通過電容傳感器，達(dá)到應(yīng)急照明的目的。

4　結(jié)論

本文基于Pro/E對智能節(jié)能救援機(jī)器人進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，基于對機(jī)器人硬件及軟件設(shè)計(jì)，能夠帶來更好的操控體驗(yàn)，提高工作效率。本機(jī)器人機(jī)身上設(shè)置有溫度傳感器，能夠使機(jī)器人根據(jù)溫度高低判斷需要滅火的位置，報(bào)警器能夠根據(jù)溫度高低發(fā)出火警警報(bào)；同時(shí)設(shè)置在機(jī)身上的攝像頭能夠輔助操作人員獲得滅火現(xiàn)場的環(huán)境信息，發(fā)送接收器能夠使操作人員實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作，有效的保護(hù)了滅火人員的安全。

［1］ 趙娜.移動(dòng)機(jī)械手路徑規(guī)劃與控制研究［D］.天津：天津理工大學(xué)，2006.

［2］ 李君.基于旋量理論的Stanford 臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析［J］.天津科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，（4）：72～78.

［3］ 蔡蒂，謝存禧，張鐵，等. 基于蒙特卡洛法的噴涂機(jī)器人工作空間分析及仿真［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2009，3：161～162.

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A

1671-0711（2016）08（下）-0084-02