山东科技大学 机械电子工程学院 266590
摘要：本团队在参考国内外各式移动机器人后，确定在机械传动结构设计上寻求突破，设计了基于万向移动底盘的消防机器人，可原地任意方向前进；实现六轮同步驱动，独特的履带车轮设计，使其在地面适应性、通过性、速度等方面具有明显优势；独特的结构带来的的圆盘状外壳设计，使其具有防水的优势；将其应用于消防领域，增加水炮等消防设备，旨在实现机器人在狭小作业空间（如室内、工厂、仓库）中的灭火救援。
关键词：全向移动机器人；消防机器人；
0 引言
随着社会的进步和多次重大灾害的发生，社会对机器人的研究工作开始重视，特种机器人替代人执行危险任务的次数越来越多，保障了人员生命和财产安全，而针对伤亡人数居高不下的消防领域，机器人却难以完全发挥其应有的作用。针对此问题，与多个消防队的进行沟通后了解到，随着建筑行业的不断发展，高层建筑增多，空间设计多种多样，给消防事业带来了巨大挑战。
1 消防机器人及全向移动载体研究设计现状
1.1消防机器研究设计现状
国际上最早开展的消防机器人研究的是美国和前苏联，稍后，英国、日本、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用于救灾现场。
在国外，美国已研制出能依靠感觉信息控制的救灾智能化机器人，亚利桑诺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JCB公司应西约克郡迪斯伯里的消防队员的要求,设计并生产了JCB165灭火机器人。它可以深入到火灾的中心地带,而其驾驶者则可在100米之外遥控。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、莆田等消防部门。
在国内，当前我国消防部队配备的消防机器人主要有JMX-LT50/LD50型消防灭火机器人、Brokk-50型消防破拆机器人、“陆虎60”多功能消防机器人、格拉曼MP60多功能消防机器人等几种类型，但数量上十分有限，各地区间分布不均，通常只配备在经济较为发达的城市所在的消防支队，数量一般在2~5台，且主要是“陆虎60”多功能消防机器人和格拉曼MP60多功能消防机器人，且侦察、破拆消防机器人只有少数总队配备。目前消防机器人在当前的灭火救援实战中难以派上用场，更多时候消防机器人是应用在消防演习和消防宣传活动中，在全国范围内由消防机器人参与灭火救援案例很少，这是消防机器人在当前灭火救援应用中最大的实际，造成这种情况主要有以下几点：
1、消防机器人移动不便。消防机器人有很多的缺点，但其缺点明显限制了其优点的发挥，特别是移动性能不足上，使得消防机器人很难到达火场、进入灭火阵地，发挥其长处便无从谈起。
2、适合消防机器人扑救的火灾少。发生高层火灾时消防机器人难以进入火场，发生石油化工火灾时有限的消防机器人数目显得杯水车薪难以发挥作用，地铁火灾极少发生，所以现阶段真正能让消防机器人派上用场的就只有开火的地下建筑火灾和隧道火灾。
3、消防机器人的应用机制不完善。由于消防机器人自身的不足和在使用上的局限性，使得消防部队在对消防机器人的应用上缺乏重视，没有成熟的应用体系，当真正到了能应用消防机器人的时候也没有能发挥出作用。
1.2全向移动载体研究设计现状
在国外，全向移动平台得到了越来越多发达国家的关注，发达国家对其进行了深度的理论拓展和技术研究。经过近五十年的研究发展，全向移动平台领域已经出现了许多先进的研究成果。德国KUKA集团的一款轮式机器人，它的底盘轮名叫麦克纳姆轮，是由瑞典MecanumBA公司于1973年开发设计的。基于麦克纳姆轮技术的全向运动设备可以实现前行、横移、斜行、旋转及其组合运动方式，在国外的一些轮椅、AGV（自动引导车）以及全向叉车上的应用也已经初露端倪。
在国内，全向轮是国防科技大学海丹等人设计的一款专利产品。它包括轮毂和从动轮，该轮毂的外圆周处均匀开设了三个或三个以上的轮毂齿，每两个轮毂齿之间装设有一个从动轮，该从动轮的径向与轮毂外圆周的切线方向垂直。全向轮式移动平台可在机器人、手推车、消防设备、货物运输车等领域提供完善的性能。
2. 基于万向移动底盘的消防机器人设计
（1）全向平台的研究与设计
基于万向移动底盘的消防机器人灵活度高，可以原地进行360度任意角度转向，原地任意方向前进，转向灵敏；全方位六轮履带式消防机器人结构强度高，载重能力强，移动灵活；实现了六轮全驱动，提高了通过性；通过自主设计的机械传动结构，使得减少了电机数目，简化了控制难度，降低了成本；采用远程遥控控制。
对全向平台的研究设计，重点研究机械传动机构的设计，通过传动机构的创新设计，实现全向运动；避免了复杂轮系的使用，零件设计便于生产，结构合理便于装配；简化控制系统，减少电机数目、提高了系统稳定性；在运动性能、载重性能和路面适应性能上表现出色。
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（2）前仰式的履带车轮结构设计
对新型车轮的研究中，增加履带结构，采用前仰式的蜗牛式履带车轮结构设计，将前方履带抬高，增加了通过性和越阶能力；后方增加履带结构，复杂起伏路面可增加车轮结构的支撑面积，增加运行平稳性；实现了六轮全驱动，松软泥泞地面可增加车轮结构与地面接触面积，减小整体和地面的压强。
3.电机选型
A.电机的选择：直流减速电机
直流减速电机，即齿轮减速电机，是在普通直流电机的基础上，加上配套齿轮减速箱。齿轮减速箱的作用是，提供较低的转速，较大的力矩。同时，齿轮箱不同的减速比可以提供不同的转速和力矩。使用减速电机的优点是简化设计、节省空间。性能参数如下：
功率：350W 电压：DC24V
额定电流：18.7A 空载转速：400r/min=转每分钟
负载转速：320r/min 输出扭矩：99kg.cm
重量：3kg
B.电机的选择：蜗轮蜗杆减速电机
蜗轮蜗杆减速机是一种动力传达机构，主要由传动零件蜗轮蜗杆、轴、轴承、箱体及其附件所构成，具有减速比大,自锁的特性，广泛应用在速度与扭矩的转换设备。性能参数如下：
功率：120W 电压：24V 转速：45 rad/min
全向移动平台本体所搭载的方向电机带有自锁功能，并且能双向转动，由电机带动中央方向齿轮转动，再通过全向转向传动结构使车轮和外壳实现同步的全向转向，传动结构的各部分机械零件的相对位置和连接方式如下所述：
（1）中央方向齿轮固定安装在中央轴上，中央轴安装在底盘中央；
（2）中央轴穿过固定板中央的圆孔，顶端安装旋转支架，外壳安装在旋转支架上，两者同步转动；
（3）中央方向齿轮四周安装有方向副齿轮，副齿轮安装在支撑轴上，并能相对于支撑轴转动；
（4）副齿轮与车轮装置的方向齿轮啮合，带动车轮装置转动。
全向移动平台本体通过以上车轮行进传动结构和车轮与外壳同步全向转向结构实现了360度全方位转向和即时行进功能，且两部分结构装配在一起之后可以承受一定的力的作用，具有一定的承载能力。
4 总结
本文所述的基于万向移动底盘的消防机器人可以原地进行360度任意角度转向，可进行原地掉头转向等动作，转向灵敏；结构强度高，载重能力强，移动灵活；实现了六轮全驱动，提高了本身通过性；通过自主设计的机械传动结构，使得减少了电机数目；小巧的身型体积可以进入现在消防车很难进入的复杂的火灾现场。今后需在以下三个方面作进一步的研究工作：1.进一步优化降低本体重量；2.进一步优化控制系统；3.进一步优化本体结构。
参考文献
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作者简介
徐文乾(1997-)，男，山东滨州人，本科生，机械电子工程。
论文作者:徐文乾
论文发表刊物:《基层建设》2018年第21期
论文发表时间:2018/8/20
标签：机器人论文; 全向论文; 结构论文; 车轮论文; 电机论文; 万向论文; 齿轮论文; 《基层建设》2018年第21期论文;