【正文】 技術(shù)發(fā)展及現(xiàn)狀 機(jī)器人的發(fā)展 機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，它應(yīng)該說是一個科學(xué)技術(shù)發(fā)展共同的一個綜合性的結(jié)果，同時，為社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展產(chǎn)生了一個重大影響的一門科學(xué)技術(shù)，它的發(fā)展歸功于在第二次世界大戰(zhàn)中各國加強(qiáng)了經(jīng)濟(jì)的投入，就加強(qiáng)了本國的經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。比如說日本，戰(zhàn)后 以后開始進(jìn)行汽車的工業(yè)，那么這時候由于它人力的缺乏，它迫切需要一種機(jī)器人來進(jìn)行大批量的制造，提高生產(chǎn)效率降低人的勞動強(qiáng)度，這是從社會發(fā)展需求本身的一個需求。另一方面它也是生產(chǎn)力發(fā)展的需求的必然結(jié)果，也是人類自身發(fā)展的必然結(jié)果，那么人類的發(fā)展隨著人們逐漸的這種社會發(fā)展的情況，人們越來越不斷探討自然過程中，在改造自然過程中，認(rèn)識自然過程中 ,來需求能夠解放人的一種奴隸。那么這種奴隸就是代替人們?nèi)ツ軌驈氖聫?fù)雜和繁重的體力勞動，實(shí)現(xiàn)人們對不可達(dá)世界的認(rèn)識和改造，這也是人們在科技發(fā)展過程中的一個客觀需要。但另一方面，盡 管人們有各種各樣的好的想法，但是它也歸功于電子技術(shù)，計算機(jī)技術(shù)以及制造技術(shù)等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展而產(chǎn)生了提供了強(qiáng)大的技術(shù)保證。 徐州師范大學(xué)本科畢業(yè)生論文設(shè)計 滅火機(jī)器人的設(shè)計 2 那么機(jī)器人怎么產(chǎn)生的呢？這是在 1920 年，有一個捷克斯洛伐克的一個作家叫卡佩克，他寫了一本科幻小說，叫《羅薩姆的機(jī)器人萬能公司》。這本小說中他構(gòu)思了一個和幻想了一個機(jī)器人，它的名字叫羅伯特，也就是我們英文中的 Robot，它可以不吃飯，它能夠不知疲勞的，不知疲倦地進(jìn)行工作。在 1920 年前后，大家也知道是在第一次世界大戰(zhàn)以后，是各國工業(yè)發(fā)展比較迅速的時期，我們看到電影《摩登時代》，卓 別林主演的人變成了機(jī)器人，在生產(chǎn)線中天天的進(jìn)行勞動。人們在這種煩躁的體力勞動中就幻想有一種能代替人完成這樣工作的想像、一種需要，這個小說在 1924 年和 1927 年的時候被紛紛傳到了日本、法國和歐洲國家，還變成了一種當(dāng)時的木偶劇和一些話劇，所以這樣的一個機(jī)器人的名詞就向全世界鋪展開來，當(dāng)時人們還認(rèn)為是一個科幻小說，還沒有把它跟我們?nèi)粘５膶W(xué)習(xí)工作和生產(chǎn)結(jié)合起來。 在 20 世紀(jì) 70 年代到 20 世紀(jì) 80 年代初期，工業(yè)機(jī)器人變成產(chǎn)品以后，得到全世界的普遍應(yīng)用以后，那么很多研究機(jī)構(gòu)開始研究第二代具有感知功能的機(jī)器人， 出現(xiàn)了瑞典的 ABB 公司，德國的 KUKA 機(jī)器人公司，日本幾家公司和日本的 FUNAC 公司，都在工業(yè)機(jī)器人方面都有很大的作為，同時我們也看到機(jī)器人的應(yīng)用在不斷拓寬，它已經(jīng)從工業(yè)上的一些應(yīng)用，擴(kuò)展到了服務(wù)行業(yè)，擴(kuò)展了它的作業(yè)空間，向海洋空間和服務(wù)醫(yī)療等等行業(yè)的使用。所以從這張圖可以看出機(jī)器人發(fā)展的幾個過程。 那么總結(jié)一下，我們認(rèn)為，機(jī)器人有三個發(fā)展階段，那么也就是說，我們習(xí)慣于把機(jī)器人分成三類，一種是第一代機(jī)器人，那么也叫示教再現(xiàn)型機(jī)器人，它是通過一個計算機(jī)，來控制一個多自由度的 一個機(jī)械，通過示教存儲程序和信 息，工作時把信息讀取出來，然后發(fā)出指令，這樣的話機(jī)器人可以重復(fù)的根據(jù)人當(dāng)時示教的結(jié)果，再現(xiàn)出這種動作，比方說汽車的點(diǎn)焊機(jī)器人，它只要把這個點(diǎn)焊的過程示教完以后，它總是重復(fù)這樣一種工作，它對于外界的環(huán)境沒有感知，這個力操作力的大小，這個工件存在不存在，焊的好與壞，它并不知道，那么實(shí)際上這種從第一代機(jī)器人，也就存在它這種缺陷，因此，在 20世紀(jì) 70 年代后期，人們開始研究第二代機(jī)器人，叫帶感覺的機(jī)器人，這種帶感覺的機(jī)器人是類似人在某種功能的感覺，比如說力覺、 觸覺、滑覺、視覺、聽覺和人進(jìn)行相類比，有了各種各樣的感覺， 比方說在機(jī)器人抓一個物體的時候，它實(shí)際上力的大小能感覺出來，它能夠通過視覺，能夠去感受和識別它的形狀、大小、顏色。抓一個雞蛋，它能通過一個觸覺，知道它的力的大小和滑動的情況。 那么第三代機(jī)器人，也是我們機(jī)器人學(xué)中一個理想的所追求的最高級的階段，叫智能機(jī)器人，那么只要告訴它做什么，不用告訴它怎么去做，它就能完成運(yùn)動，感知思維和人機(jī)通訊的這種功能和機(jī)能，那么這個目前的發(fā)展還是相對的只是在局部有這種智能的概念和含義，但真正完整意義的這種智能機(jī)器人實(shí)際上并沒有存在，而只是隨著我們不斷的科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，智能的概 念越來越豐富，它內(nèi)涵越來越寬。 徐州師范大學(xué)本科畢業(yè)生論文設(shè)計 滅火機(jī)器人的設(shè)計 3 那么從三代機(jī)器人發(fā)展過程中，從另一個方面，我們對機(jī)器人從應(yīng)用的角度進(jìn)行了分類，比如說工業(yè)機(jī)器人，它包括點(diǎn)焊、弧焊、噴漆、搬運(yùn)、碼垛，在工業(yè)現(xiàn)場中工作的這種機(jī)器人，我們統(tǒng)稱為工業(yè)機(jī)器人，那么從不同的應(yīng)用中，到水下去作業(yè)的叫水下機(jī)器人，到空間作業(yè)的叫空間機(jī)器人，同時又存在農(nóng)業(yè)、林業(yè)、牧業(yè)，對醫(yī)療機(jī)器人叫醫(yī)用機(jī)器人，還包括娛樂機(jī)器人，建筑和居室上用的機(jī)器人，所以從應(yīng)用分類，它包括從行業(yè)、應(yīng)用角度，也可以進(jìn)行這樣簡單的分類 。 滅火機(jī)器人 近幾十年中，大量的高層、地下 建筑與大型的石化企業(yè)不斷涌現(xiàn)。由于這些建筑的特殊性，發(fā)生火災(zāi)時，不能快速高效的滅火。為了解決這一問題，盡快救助火災(zāi)中的受害者，最大限度的保證消防人員的安全，消防機(jī)器人研究被提到了議事日程。而機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展也為這一要求的實(shí)現(xiàn)提供了技術(shù)上的保證，使得消防機(jī)器人應(yīng)運(yùn)而生。 從二十世紀(jì)八十年代開始，世界許多國家都進(jìn)行了消防機(jī)器人的研究。美國和蘇聯(lián)最早進(jìn)行消防機(jī)器人的研究，而后日本、英國、法國等國家都紛紛開展了消防機(jī)器人的研究，目前已有多種不同類型的消防機(jī)器人用于各種火災(zāi)場合。 我國從八十年代末期開始消防機(jī)器 人的研究，公安部上海消防研究所等單位在消防機(jī)器人的研究中取得了大量的成果， 自行式消防炮 已經(jīng)投入市場， 履帶輪式消防滅火偵察機(jī)器人 也于 2021 年 6 月通過了國家驗(yàn)收。但是，我國消防機(jī)器人的研究還處在初級階段，還有許多有待研究的問題。比如，高層建筑發(fā)生 火災(zāi)時，消防人員不可能在短時間內(nèi)到達(dá)高處的火災(zāi)發(fā)生地點(diǎn)，在地下建筑中，由于環(huán)境比較潮濕，煙氣不易擴(kuò)散，消防人員不容易快速的判定火源位置；而在石化企業(yè)發(fā)生火災(zāi)時，將產(chǎn)生大量的毒氣，消防人員在滅火時極易中毒。研制能夠用于這些場合的偵察滅火機(jī)器人，協(xié)助消防人員進(jìn)行火 災(zāi)的定位和滅火，將有極大的社會意義。 基于人工智能的不斷發(fā)展，各項(xiàng)高新技術(shù)的不斷成熟，在可預(yù)見的將來，消防機(jī)器人在功能上會更具多樣特點(diǎn)，在較多危險區(qū)域可以完全代替消防員，避免消防員生命傷亡。同時也應(yīng)該看到，我國在研究消防機(jī)器人方面較國外同行已落后太多，存在技術(shù)差異和代溝，消防機(jī)器人的不斷研制、生產(chǎn)和裝備過程，應(yīng)堅(jiān)持自主研制為主，引進(jìn)為輔，提高我國消防部隊(duì)消防裝備現(xiàn)代化的水平 ,并及時裝備消防部隊(duì)，提高消防部隊(duì)打贏大仗、惡仗、硬仗和特殊戰(zhàn)役的能力，提高消防部隊(duì)在處置大型復(fù)雜火災(zāi)和應(yīng)急救援的作戰(zhàn)效能 , 提高消防 部隊(duì)的自我防護(hù)能力 ,減少消防指戰(zhàn)員的人身傷亡，更好地保衛(wèi)我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展。 本文的主要內(nèi)容 本論文設(shè)計了以 ATMEGA128 單片機(jī)作為主控制器，光敏電阻作為本系統(tǒng)的火焰?zhèn)鞲行熘輲煼洞髮W(xué)本科畢業(yè)生論文設(shè)計 滅火機(jī)器人的設(shè)計 4 器 ， 用 ST178 型光電對管進(jìn)行尋線和避障， L298 作為直流電機(jī)的驅(qū)動芯片。所做工作和確定的成果如下： 以單片機(jī) ATMEGA128 為核心擬定了系統(tǒng)組成方案，完成了系統(tǒng)的電路硬件總體設(shè)計，包括供電模塊、單片機(jī)系統(tǒng)、尋線系統(tǒng)、電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)、壁障系統(tǒng)、火焰檢測系統(tǒng)以及滅火系統(tǒng)和各個模塊間接口。 完成主要功能模塊的程序設(shè)計，分別完成對各個 功能模塊的程序進(jìn)行調(diào)試工作。 2 系統(tǒng)設(shè)計及方案比較 根據(jù)課題設(shè)計的要求和課題目標(biāo)，我制定出了系統(tǒng)的設(shè)計方案，并通過比較論證，選擇合適的器件。采用 ATMEGA128 單片機(jī)作為主控制器，用 ST178 型光電對管進(jìn)行避障， TTS 型熱釋電非接觸式溫度傳感器 作為本系統(tǒng)的火焰?zhèn)鞲衅鳎?L298 作為直流電機(jī)的驅(qū)動芯片的設(shè)計方案。 整體方案設(shè)計 課題要求設(shè)計一個簡易滅火機(jī)器人模型，能到指定區(qū)域進(jìn)行滅火工作（以蠟燭模擬火源，分布在 機(jī)器人 行走的場地中）。 機(jī)器人 必須通過內(nèi)部設(shè)備采集現(xiàn)場環(huán)境情況進(jìn)行分析并做出相應(yīng)的動作，以達(dá) 到 機(jī)器人 智能滅火的目的。 根據(jù)題目要求，本系統(tǒng)主要由控制器模塊、電源模塊、直流電機(jī)及其驅(qū)動模塊、 避障 傳感器模塊、避障模塊、火焰?zhèn)鞲衅?、滅火系統(tǒng)及其驅(qū)動模塊等模塊構(gòu)成，本系統(tǒng)的方框圖如圖 21 所示。 圖 21 系統(tǒng)方框圖 為較好的實(shí)現(xiàn)各模塊的功能，我分別設(shè)計了幾種方案并分別進(jìn)行了論證。 硬件實(shí)現(xiàn)方案 MCU 的選擇 徐州師范大學(xué)本科畢業(yè)生論文設(shè)計 滅火機(jī)器人的設(shè)計 5 近年來，單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)發(fā)展迅速，為智能裝置的開發(fā)設(shè)計帶來了很大的便利。 但在開發(fā)設(shè)計中選擇合適的 MCU帶來了很大的困難。 方案 1：采用可編程邏輯 器件 CPLD 作為控制器。 CPLD 可以實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的邏輯功能、規(guī)模大、密度高、體積小、穩(wěn)定性高、 I/O 資源豐富、易于進(jìn)行功能擴(kuò)展。采用并行的輸入輸出方式，提高了系統(tǒng)的處理速度，適合作為大規(guī)?？刂葡到y(tǒng)的控制核心。但本系統(tǒng)不需要復(fù)雜的邏輯 功能，對數(shù)據(jù)的處理速度的要求也 不是非常高 。且從使用及經(jīng)濟(jì)的角度考慮我放棄了此方案。 方案 2：采用凌陽公司的 16 位單片機(jī)，它是 16 位控制器，具有體積小、驅(qū)動能力高、集成度高、易擴(kuò)展、可靠性高、功耗低、結(jié)構(gòu)簡單、中斷處理能力強(qiáng)等特點(diǎn)。處理速度高，尤其適用于語音處理和識別等領(lǐng)域。但是當(dāng)凌陽單片機(jī)應(yīng)用語音處理和辨識時，由于其占用的 CPU資源較多而使得凌陽單片機(jī)同時處理其它任務(wù)的速度和能力降低。 本系統(tǒng)主要是進(jìn)行 避障 和火焰?zhèn)鞲衅鞯臋z測以及電機(jī)的控制，兼有 聲音報警 。如果單純的使用凌陽單片機(jī)，在語音播報的同時 機(jī)器人 的控制 容易出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況。從系統(tǒng)的穩(wěn)定性和編程的簡潔性考慮，我放棄了單純使用凌陽單片機(jī)而考慮其它的方案。 方案 3：采用 Atmel 公司的 AT89S52 單片機(jī)作為主控制器。 AT89S52 是一個低功耗，高性能的 51 內(nèi)核的 CMOS 8 位單片機(jī)，片內(nèi)含 8k 空間的可反復(fù)擦些 1000 次的 Flash只讀存儲器，具有 256 bytes 的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲器（ RAM）， 32 個 IO 口， 2 個 16 位可編程定時計數(shù)器。且該系列的 51 單片機(jī)可以不用燒寫器而直接用串口或并口就可以向單片機(jī)中下載程序。 但是考慮到本系統(tǒng) 要進(jìn)行 避障 和火焰?zhèn)鞲衅鞯臋z測以 及電機(jī)的控制 、聲音報警，若使用