高层建筑灭火机器人喷射水枪机械臂设计及动力学分析

绪论随着我国科学技术的快速发展导致了城市之中人口的大量增长，为了解决居民的居住问题，住房开始向高层建筑物发展。虽然高层建筑能有效解决住房问题，但随之而来的是极大的火灾隐患，一栋高层建筑中，人口越多火灾发生的概率就越大，一旦发生火灾，其所带来的对群众的危害就越大，高层建筑的特点有，第一是楼层数高，离地面距离长，需要撤离到地面或其他安全场所所需的时间长；第二是每一栋中居民人数过多；第三是发生火灾时，由于电梯井等地方空气流动利于火灾火焰的快速蔓延，浓烟迅速扩散，增加了对于高楼层建筑的疏散的难度，高层建筑的安全通道，电梯井，管道，电缆坑竖井之类的井道多，如果消灭火源的过程处理不好，大火就会沿着各种管道井道向上迅速蔓延，尤其是顶级酒店，建筑物和图书馆，办公大楼等含有可燃物多的高层建筑，一旦发生火灾，火势就会猛烈、迅速的蔓延。而现有的消防设备中，常见的消防车救援高度最多只有60米左右，世界上最高的消防云梯车“擎天抢险消防平台云梯车”的有效高度也只有101米，对于高于101米的着火点需要靠消防员去救援，这就导致救援效率低下，人们安全得不到有效的保障，若要增加更高的救援高度，就需要更大的空间来保持底部稳定，在现在绝大部分城市的繁华地带中这是不现实的，而举高喷射消防车在使用过程中还存在操作准确性和效率的问题，登高类消防设备也只有消防直升机能在高层救援中使用，但是其所需成本与救援条件也是显而易见的。对于高层建筑消防的问题，现有的设备要么无能为力，要么存在各种缺点和不易于使用之处，消防救援机器人可以代替消防员去进行有效的侦查和救援，以及其具有快速支援的能力，对于那些相对于人类有害的危险物品，如生化、带放射性的危险物品的生产、搬运、保存、处理等应用以及使用场所的灾害预防，消防救援机器人在检测和保存对人体不利的化学物质或在容易塌陷等危险现场、处置危险物品、排除大型障碍物、救助遇难民众等方面发挥着重要作用。救援机器人将会代替消防员在人不易进去的地方进行抢险救援，在发生灾害的地方的灭火、封堵、去污、爆破等救援行动中发挥着十分重要的作用。消防无人机正是目前急需的设备，其发展应用前景非常的广阔。在那些人到达不了的地方或难以到达的地方消防无人机的作用非常大。对于消防无人机，可以将其分为几部分：1、无人机整体设计，2、无人机与所携带的灭火装置之间的连接部分，3、灭火装置。每个部分都非常重要，因为无人机本身功能比较单一，不具备多种作业能力，只有通过连接装置将其和特殊工作装置连接起来，才能显现出其强大的优势，所以连接装置是无人机不可或缺的重要设备。因此本文将连接装置作为研究对象，本文所选取的连接装置为机械臂。机械臂是一种精度要求极高，并且具有多输入、多输出、高度非线性、强耦合的复杂系统。因高自由度机械臂独特的操作灵活性，广泛应用于工业设备的装配、安全和防爆等领域。机械臂可以模仿人的手和手臂的某些运动功能，是一种按照固定的程序抓取和搬运物体或操作工具的自动或手动的操作装置。它可以代替人进行繁重的劳动，实现机械化和自动化的快速生产。可以在危险环境中工作，保护人身安全。广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工、原子能等工业部门。机械手到现在的发展一共可以分为三代：第一代机械手是根据预先设置好的的位置和姿势进行重复运动的机器。第二代机械臂，是具有如视觉、触觉等外部感觉功能的机械臂。第三代机械臂，除了具有外部感觉功能外，还具有规划和决策功能，从而可以适应因为环境的变化，自主进行工作。沙特学者Aihaza2009年提出并且研发了一种新型的用于房屋内的消防机器人。这种消防机器人可以攀爬房屋内的楼梯，并且在多种环境中正常运行。日本无人机制造商PRODRONE在2009年发表一种具有机械双臂的大型无人机。设计的机械双臂一同对被抓取目标物体实施夹抓，无人机飞行器具有小巧的尺寸，并且可以在封闭和狭小的环境下进行巡航，完成测绘与勘探。2016年M.Fumagalli等人介绍了一种无人机机械手的机电一体化设计，这种机械手是并联结构，适用于一般的小型无人机系统，该机械手可以在空中进行交互操作（图1）。图1与墙壁接触的无人机随着我国这几十年来科技水平的快速提高，无人机与机械臂技术得到飞速发展，优越的技术条件为用于消防的无人机深入研究创造了坚实的基础。近年来，我国无人机与机械臂的研制工作在各大高校和科研院所的努力下，取得了丰硕的成果，2006年西北工业大学孙树栋等人发表高层建筑消防机器人的机构研究与分析，他们设计的机器人的机械臂可以安装广角摄像头和温度传感器来进行实时检测发生火源的位置、火场中的温度和遇难人员的方位，采用机械级联的方式使机械臂在工作状态下的长度达到非工作状态下长度的3倍（图2）。2016年哈尔滨工业大学设计了一款高速自主抓取物体的带臂无人机，这种无人机可以基于视觉伺服控制飞行中的机械臂进行抓取。2018年内蒙古包头市公安局巡特警高军等人研究无人机排爆机械臂，从而保证排爆人员安全，机械臂的控制技术采用先进的体感数据手套，对机械臂进行精确控制，机械臂抓取及释放的操作更加直观，同时配有3个舵机，可轻易完成抓取物体、释放物体、无人机的起飞与降落这些动作。2019年桂林电子科技大学设计了一款带机械臂的空中机器人（图3带机械臂的无人机与图4机械臂），这种带机械臂的无人机可以安装或抓取物体，可以在紧急医疗服务、火灾等方面起到重要的作用。图2高层建筑消防机器人原理图图3带机械臂的无人机图4机械臂实物图片本文拟采用无人机装配机械臂来进行灭火操作，灭火机器人的结构如图所示：图5无人机灭火机器人系统图(1-控制模块;2-信号接收模块;3-水管连接阀;4-水管;5-水枪)将水管连接到无人机上，操作无人机控制水流进行灭火，还可连接电缆来提高无人机续航时间，或者通过有源信号进行无人机的操作。即是当无人机到达指定地点后，通过机械臂控制喷水枪的移动，从而到达多方面灭火，本设计就是设计控制喷枪的机械臂。本文工作主要包括以下三个方面：(1)设计了四自由度机械臂的机械结构，完成了对机械臂驱动设备的选型和校核。(2)运用solidworks对机械臂进行建模。(3)运用MATLAB/simulink软件对机械臂进行动力学仿真和计算。本文对于高层建筑灭火机器人喷射水枪机械臂的研究主要分为结构设计、动力学分析与仿真几个方面，全文分为四章。机械臂结构设计包括方案设计与零部件结构设计，然后进行动力学分析，分析完成后运用MATLAB/simulink进行动力学仿真。第一章对高层建筑灭火机器人喷射水枪机械臂的研究背景和意义作了概述。对本文所述的机械臂的研究方向与内容作了概述，包括研究的内容和其方法等。第二章对高层建筑灭火机器人喷射水枪机械臂的机械结构进行设计，首先分析了机械臂的运动原理，然后初步的选取了机械臂动力装置，并且分析机械臂运动范围与各关节结构；最后完成了整个机械臂的三维建模，且对选取的电机进行校核。第三章主要研究了机械臂的动力学。先论叙几种常见的机械臂的动力学建模方法，然后在常见的几种动力学建模的分析之中，本文选用拉格朗日方程方法对机械臂进行动力学建模，求得机械臂各关节的动能与势能并得到了动力学方程。最后运用MATLAB/simulink进行动力学仿真，绘制出各关节力矩、角速度、角加速度与时间的关系曲线。最后为总结。对本文的所研究的机械臂进行总结。1机械臂结构设计1.1机械结构的设计思路针对用于无人机上进行携带喷射水枪并控制喷射水枪运动的设计任务，要实现消防设施在一定范围内能到达任意方向的角度调节，本文所研究的机械臂至少需要两个自由度。考虑到两个自由度过于简单，可能会有运动方面的死角或者干涉，所以在结构上选择四个自由度进行设计。因此该机械臂在结构上基本需要具备承载机构和旋转机构。作为喷射水枪的主要承载部分，无人机机械臂要在承受最大负载的情况下满足刚度和强度要求，并且尽可能地降低重量。在机械臂研究时，要考虑到功能的实现和对机械臂运动的要求，并且由结构和材料两方面来进行研究。材料方面，保证所用材质要满足机械臂运动的强度和刚度要求，又要求要减轻重量，降低机械臂自身重量所带来的功率消耗。除了材料选型方面的方法外，设计过程中以零件结构紧凑为原则，从而使得无人机机械臂降低自身重量和体积，保证机械臂各个关节尺寸设计合理，能够实现控制喷射水枪在一定范围内进行角度的连续调节；由于串联关节型机械臂可以模拟人上臂的大部分动作，并且可以保证较大范围工作空间，在工作时不发生干涉，具有较小的结构，所占空间体积较其他类型的机械臂较小的优点。因此，本文设计的消防机械臂采用四自由度串联关节设计，其对应机构简图如图1-1所示图1-1四自由度机械臂结构图依据设计思路我们可以给出机械臂的基本形式是一种包括多种旋转的四自由度串联连杆结构。无人机机械臂的整机结构包括主体结构和附属结构，即机械臂的功能可以根据附属结构的不同而有所拓展。主体结构具有通用性，附属结构可以根据不同的工况进行更换，以满足不同的作业要求。在此以最恶劣的工况为设计和分析背景，即机械臂的附属结构部分应该包括水带、水枪和接口几部分，在无人机将其带到高空之后直接通过机械臂对水枪角度的控制进行高层消防灭火任务。1.2驱动设备选型暂时选用DS3230数字舵机，DS3230数字舵机能提供3.14Nm大小的扭矩，拥有发送一次控制信号就能锁住角度不变，控制精度高。此数字舵机的转角范围为0度至180度，参数见表1-2。表1-2DS3230舵机数据数字舵机实物如图1-3所示。图1-3舵机实物图DS3230数字舵机有三根线，因产品的区别三根线的颜色可能有区别，但是其原理都是一样的。现就本论文的型号做简单的介绍。数字舵机引出线颜色为黑色接电源的负极，引出线颜色是红色的接电源的正极，一般处于三根线的中间部分；剩下一根颜色为白色的是信号线，即是接收PWM信号。控制方波脉冲信号PWM，通过接收通道进入信号调制芯片，获得直流偏置电压。之后对直流偏置电压与数字舵机内的电位器电压做差，最后将电压差输出。另外正电压差使数字舵机正转，而负电压差使数字舵机反转，且当偏置电压与电位器电压相等时，数字舵机停转。1.3机械臂结构设计传统的机械设计需要用手绘来绘制大量的图纸，如果有不合运的地方还需要重新绘制，既浪费时间又浪费资源。随着计算机技术的快速发展，可在计算机上进行画图以及仿真。软件反馈的信息能够为下一步的改进提供方向，这样既节省了成本又提高了设计效率。计算机辅助设计软件（CAD）已经成为机械设计、数据分析等的重要工具，它能快速的计算出机械结构零件模型的物理数据，其工作速度及效率是人工计算所不能及的。世界上第一个基于Windows开发的三维CAD系统是SolidWorks软件。SolidWorks在两年内成为CAD/CAM行业中最赚钱的公司。良好的财务状况和用户的支持，使得SolidWorks每年都有数十项甚至数百项的技术创新，并获得了许多荣誉。1995年至1999年，该系统在全球计算机平台CAD系统评价中获得第一名；自1995年以来共获得17项国际奖项，其中仅1999年以来，美国权威CAD专业杂志《CADENCE》连续4年获得SolidWorks最佳编辑奖，以表彰SolidWorks的创新、活力和简洁。到目前为止，SolidWorks遵循的三个原则——易用性、稳定性和创新性已经得到了充分的实施和验证。利用它，设计师大大缩短了设计时间，产品迅速有效地投放市场。这是一个强大的、组件繁多并且操作简单方便的软件工具。SolidWorks遵循易用、简单和创新的三大原则受到广大专家学者们的青睐。应用该软件用户不仅可以快速掌握对模型的建立，还可以方便的选择模型材料，根据软件所提供的材料属性计算出模型的体积和质量等参数。1.3.1主要零部件结构设计本文所设计机械臂由安装盘、关节、连杆以及执行末端组成，连接部分由M4螺栓进行连接，基座的一端通过螺栓安装在无人机的底部，另一端与数字舵机通过螺栓连接，形成关节；关节与关节之间通过连杆连接；主要零部件设计都遵循制造简单，方便拆卸，便于维修等设计原则。机械臂的基座与无人机系统相连，末端与喷射水枪相连，舵机通过舵机外壳与关节相连，第一个与基座相连的部分设计一个承重台，从而达到整体结构设计的稳定性。设计的机械臂其整体结构三维效果图如下图图1-4机械臂三维图机械臂整体图二维图如图1-5所示图1-5机械臂总装图主要零部件的三维设计如下图所示图1-6舵机外壳图1-7舵机外壳二维图图1-8连杆1图1-9舵机外壳二维图图1-10连杆2图1-11连接件1二维图图1-12连接件2二维图图1-13舵机外壳2二维图机械臂总长度约为250mm。1.3.2选用材料有色金属、复合材料及非金属材料为机加工零件常用选料，机械臂选用材料，需兼顾零件加工要求，使用要求和经济成本等各个因素。整体选用Q235材料，查得Q235普通碳素结构钢密度为。1.3.3驱动设备选择校核驱动设备是机械臂的动力源，是整个机械臂的设计过程中重要环节，合理的选择驱动设备，既能保持机械臂动力足，转矩和力矩满足工作要求，又能节省能源，由于A点有承重装置所以不再考虑中，由图1-1可知ABCD四个点的舵机中，B点的舵机所需扭矩最大，当BC与CD轴呈直线时，且AB轴与BC轴之间角度为90度时，B点扭矩处于最大值，即如图1-14所示，AB与BC角度取时的B点力矩可以由力矩公式估算求出，其中BC与CD的体积之和v由solidworks测量得图1-14（1-1）由公式（1-1）得出结果所需力矩小于DS3230舵机的扭矩的一半，舵机可以正常使用，完全满足要求。2机械臂动力学建模2.1机械臂动力学介绍机械臂是一种由多个连杆组成的多自由度的运动机构，驱动装置安装在各个自由度中，机械臂动力学不仅与其本身的结构有关，还与机械臂运动学有关。机械臂动力学分为机械臂正解和机械臂逆解两个方面的问题：（1）逆问题：已知一个轨迹点的角位移、角速度、角加速度，求出期望的关节力矩矢量。（2）正问题：计算在施加一组关节力矩的情况下机构如何运动。也就是：已知一个力矩矢量，计算出机械臂的运动角位移、角速度、角加速度。研究机械臂动力学的方法主要有两种:（1）牛顿-欧拉方程法：牛顿-欧拉法主要考虑惯性力、主力和约束力的平衡，柔性杆应考虑弹性力。牛顿-欧拉公式利用质心动量矩定理写出了隔离体的动力学方程。相邻物体间的内力项出现在动力学方程中。它的物理意义清楚地表达了整个系统的力的关系，并且具有良好的开放性。从力学的角度，直接去对机械臂做力学分析，将机器人的连杆看成刚体，其质心加速度、总质量、角速度、角加速度、惯性张量与作用力矩满足如下关系：牛顿第二定律(力平衡方程)，欧拉方程(力矩平衡方程)。（2）拉格朗日方程方法：拉格朗日方程是用系统的动能对广义坐标和广义速度的偏导数表示的动力学方程。应用拉格朗日方程时，求出能量函数，以能量方式建模，可以避免方程中出现内力项。拉格朗日方程在完整系统中应用广泛且方便，对于非完整系统可采用拉格朗日乘子。拉格朗日方程是基于能量项(动能K、位能P)对系统变量及时间的微分而建立的，它不涉及约束力，而是直接建立主动力与运动的关系，在机器人系统动力学特性的分析上有明显的优势。本文将采用拉格朗日法对该机械臂进行动力学分析。2.2机械臂动力学分析2.2.1拉格朗日动力学法拉格朗日函数被定义为系统的动能和位能之差，即（2-1）根据拉格朗日函数式2-1写出的机械臂动力学方程,即拉格朗日动力学方程如下:（2-2）式中，式中，i表示连杆数目，表示坐标，为速度，为作用在第i个坐标上的力或力矩。（1）连杆系统动能对于多关节机械臂，其所具有的动能是其所有的连杆的动能之和，机械臂的动能是关节变量和关节速度的标量函数，记为。机械臂的动能可以写为：(2-3)D(q)是阶的操作臂惯性矩阵。操作臂的动能是其惯性矩阵的二次型。由于动能为正，因而D(q)是正定的矩阵。（2）势能连杆i具有势能为:(2-4)式中，是31的重力加速度向量，是连杆i质心的位置矢量。机械臂所具有的势能为各连杆势能之和:(2-5)势能也为q的标量函数，记为。（3）拉格朗日动力学方程利用式2-1可以得出动力学方程为(2-6)式中，是n1的关节驱动力矩矢量。由于势能不含，因而动力学方程变为：(2-7)2.2.2机械臂动力学建模采用拉格朗日方程为本文机械臂动力学建模如下图2-1。由于C点仅为末端执行器的转动，对整体动力学建模结果无影响，因此在这可以进行忽略。所以原来的模型就简化为下图2-1所示的三连杆机构。将机械臂视为匀质物体，连杆的质心位于连杆的中心，两连杆体积分别为26.5cm与12.3cm，所以两连杆质量分别为=208g，=216g，长度分别为=85mm，=100mm。图2-1三连杆简化模型由刚体的转动动能公式(2-8)(2-8)可得连杆AB的绕Z轴的转动θ动能由刚体的转动动能公式(2-9)(2-9)由于连杆AB的旋转中心与质心不在一起，根据动能定理，可得式子(2-9)中所以(2-10)计算连杆AB绕Y轴转动θ所产生的动能，首先需算出连杆AB绕Y轴转动的运动速度，由这可以得到连杆AB的位置方程为(2-11)对上式求导，得连杆AB末端点速度为(2-12)所以连杆AB末端点速度的平方为(2-13)所以连杆AB绕Y轴转动θ所产生的动能为同理，为了计算连杆BC绕B点转动θ所产生的动能，首先需算出连杆BC末端点的运动速度，为此可得出连杆2的位置方程为(2-14)对上式求导，得连杆BC末端点速度为(2-15)所以连杆BC末端点速度的平方为(2-16)所以连杆BC绕B点转动θ所产生的动能为(2-17)所以整个系统总动能为(2-18)连杆AB势能为(2-19)连杆BC势能为(2-20)所以整个系统的总势能为(2-21)所以拉格朗日函数为(2-22)对于转角θ，有(2-23)所以，相对于转角θ的动力学方程为(2-24)对于转角θ，有(2-25)所以，相对于转角θ的动力学方程为(2-26)对于转角θ，有(2-27)所以，相对于转角θ的动力学方程为(2-28)将式（2-24）Q1、式（2-26）Q2、式（2-28）Q3写成矩阵形式为(2-29)式（2-29）中，上式（2-29）即为该四自由度关节机械臂的动力学方程。

3机械臂动力学建模结果分析3.1仿真软件介绍Matlab数学软件是MathWorks公司开发的，是由MathWorks公司发布的一款用于科学计算、编程及可视化为主题的高科技计算环境。它被常用于算法研究、数据分析预算。它是一种计算语言与交互环境，有以下几种MATLAB和simulink。其中MATLAB属于矩阵和实验室的，即为矩阵工厂。它拥有庞大的功能，例如数值解析、矩阵运算、科学计算数据可视化和非线性建模与仿真，为科学的研究提供了一种比较全面的解决方案,然后将这些内容放到易于使用的窗口环境中，解决了工程设计与计算的科学领域数值的必须的，

另外，测序设计语言(C语言、FORTRAN语言等)的编辑模式代表着国际科学计算软件的先进水平，排除了传统的非交互式进程。Matlab、Mathematica和maple被称为三大数学软件。数理科学技术的应用软件中的最高数值计算软件。Matlab可以执行矩阵运算，绘制函数和数据，实现算法，创建用户界面，连接其他编程语言的程序。主要用于工程计算、控制设计、信号处理和通信、图像处理、信号检测、财务建模设计以及分析和其他领域。MATLAB的基本数据单元矩阵，其命令式与数学和工程的一般形式非常相似。MATLAB比C、FORTRAN等语言更容易解决问题，同时也吸收了MATLAB软件的优点。MATLAB成为了一个强大的数学软件。在新版本中还增加了C、FORTRAN、c++和Java的支持。这已经发展成为最广泛的科学和工程计算机软件之一。世界上很多大学都在训练下一代工程师。综合了矩阵运算，图像显示，数值分析，模拟。广泛用于控制系统的设计和分析、图像处理、信号处理和通信、建模和分析以及许多其他领域。作为一种新的计算机语言，MATLAB的语言式与工程计算中使用的数学式相似。它优化了普通计算机语言的编程方法。不仅计算速度快，程序的执行效率也高。另外，MATLAB通过图形界面显示相关参数和数据、高效排列和矩阵计算功能以及其他优点。Simulink是MATLAB的重要组成部分之一。它是一个动态的系统建模、仿真和集成分析，提供了一个集成的环境。在这种环境下，不需要编写大量的程序，只需简单直观的鼠标操作就可以了，它具有适应性广、结构和过程清晰、仿真效果好、贴近现实、效率高、优势强等优点。由于上述优点，Simulink在复杂的模拟设计、控制理论和数字信号处理等方面得到了很大的改进。仿真软件。Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具。一个基于MATLAB的布局设计环境。实现了系统的动态变化Simulink是一种单一的、应用广泛的建模和模拟线性系统、非线性系统、数字控制和数字信号处理。并能完成多次采样。系统，这意味着系统的不同部分有不同的采样率。创建过程只能通过更改和转换鼠标操作来完成。它为用户提供了一种快速、快速的方式来直接查看系统的模拟。结果。Simulink是一个多领域的仿真和基于模型的动态和嵌入式系统设计工具。Simulink扩展了Simulink多域建模能力，适用于各种时变系统，包括通信、控制、信号处理、视频处理和图像处理系统。Simulink和MATLAB是紧密集成的。可以直接访问大量MATLAB开发，仿真分析与可视化，批量处理脚本的创建和自定义构建模具环境，信号参数的定义和测试数据。Simulink建模仿真步骤如下：1、画出系统框图，将需仿真的系统根据功能划分为多个部分，然后选用模块搭建各个部分。2、根据要仿真的要求，在SIMULINK窗口上构建仿真模型。3、若需求的模型比较复杂，可将同一功能模块封装成一个子系统。4、设置各问模块的参数和仿真有关的各种参数。5、保存模型，启动simulink仿真，观察结果。6、重复调试并修改模型，直到结果符合要求为止。3.2MATLAB/simulink动力学仿真3.2.1仿真流程分析四自由度关节机械臂运动的典型情况是在机械臂工作空间范围内让机械臂末端执行器从一个位置沿空间一直线运动到另一指定位置，在此过程中测量各关节的转角、角速度、角加速度、力矩等参数。即是已知机械臂的起点和终点及机械臂运动速度，求机械臂各个关节的转角、角速度、角加速度、力矩之间的变化关系。由角加速度是角速度对时间的求导，角速度是关节转角对时间的求导可得，已知各个关节的角度与末端所在位置x、y、z的关系为式（3-1）（3-1）即可以由式（3-1）计算出相应关节的角度，从而可以得出相应关节的角速度、角加速度。在运动过程中已知机械臂末端移动速度为υ，起始点与终止点分别为（x，y，z）和（x，y，z）可以得出机械臂运动的时间T（3-2）所以机械臂的实时时间t的位置为（3-3）由式（2-29）、（3-1）、（3-2）、（3-3）即可得出机械臂各个关节的转角、角速度、角加速度、力矩之间的变化关系。3.2.2MATLAB程序与simulink模块组件设计由式（2-29）可以得出MATLAB程序图3-1图3-1动力学方程程序设计的simulink模块为图3-2图3-2simulink模块3.2.3机械臂动力学仿真让末端执行器分别以80mm/s和50mm/s的速度沿直线从点（0.060104076400857，0，0.160104076400857）运动到点（0.107051270189222，0.061806079660839，0.129102540378444）即是为（0,45°，-45°）运动到（30°,60°，-30°），分别绘制出在末端操作器两种不同速度下，关节力矩、角速度、角加速度的曲线图，如下图所示图3-3末端以80mm/s速度，各关节角速度曲线图3-4末端以80mm/s速度，各关节角加速度曲线图3-5末端以80mm/s速度，各关节力矩曲线图3-6末端以50mm/s速度，各关节角速度曲线图3-7末端以50mm/s速度，各关节角加速度曲线图3-8末端以50mm/s速度，各关节力矩曲线通过图中分析可以得到以下结论：（1）连杆AB角速度随时间变小，连杆BC角速度随时间变大，这说明在运动中，连杆AB运动速度越来越慢，连杆BC运动速度变快。（2）对同一关节，末端运动速度越大，其角速度越大。（3）角速度的斜率反映出角加速度的变化规律。（4）各个关节力矩都小于驱动设备输出力矩，从而说明了驱动设备的选型正确。

研究或成果与社会、环境、文化、经济、环保等关系本文所研究的内容是针对目前我国对于高层建筑消防方面的不足进行补充，在目前，我国主流配备的高层建筑救援的举高消防车的工作范围在50~60m左右，远远够不着超高层建筑，而且消防车去消防员很难快速、顺利进入火灾现场，对于高层建筑，消防员的体能有限，而举高消防车为确保底座操作稳定，对于工作现场的作业场地要求较高。而高层建筑灭火机器人基本不受场地限制或建筑高度的限制，可沿高层建筑的墙面快速升空，然后快速的到达火灾楼层，任意高度悬停，大大节约了消防救援抢险时间，而机械臂可以提高喷射水枪的操控精度，从而到达精确灭火的目的。而与灭火机器人对于的喷射型消防车，由于火场中的温度极高，所以会产生强热对流，而燃烧产生的烟雾和救援现场风力等不可控因素的存在常常导致喷射类消防车在对于高层建筑起火时的灭火精度大大降低，在一定程度上影响了消防人员灭火救援的速度与危险性，而高层建筑灭火机器人可以快速、精确地瞄准火灾区域达到救援灭火的目的。本文设计的高层建筑灭火机器人喷射水枪机械臂属于高层建筑灭火机器人的一部分，可以减少人们操控机器人本体移动次数，增加灭火精准度，从而提高灭火效率，保证更多的人员及财产安全，减少经济损失与环境污染。结论结合实际生活及工作中遇到的实际问题，比如火灾中心位置温度高、需要对火灾深处的火焰进行扑灭、偏僻地区或复杂地区处消防员难以到达等实际困难等情况时，地面相关人员无法及时、有效的制定出相关策略。在这些特殊的情况下，可以利用高层建筑灭火机器人特有的空中优势，将它作为载体搭载机械臂等其他灭火装置一同参与救援，可以起到事半功倍的效果。比如灭火无人机尽量靠近火灾现场向救援人员传出第一手现场资料，为制定合理有效的救援方案提供有力依据；再比如又例如火灾深处有人被困等突发严重情况，在消防员无法快速的到达地点下，可有效缩短救援时间，保证救援的高效性。在火灾的实际情况下，经过大量的阅读国内外无人机机械臂相关文献后，对无人机机械臂有了一定的了解，在一定量理论研究和文献参阅的基础上，本文针对一种高层建筑灭火机器人喷射水枪机械臂设计进行研究。由于近些年来大城市的火灾状况越来越严峻，而与之相对应的保护人民与财产安全的消防技术发展却远不如人民对它的需求，所以研究一种高效的、快速的消防救援方式迫在眉睫，而消防无人机在消防救援中显然是一个好的发展方向，本文所设计的高层建筑灭火无人机是对消防无人机有利的辅助消防灭火设备，文章主要完成了高层建筑灭火机器人机械臂的结构设计、动力学分析以及动力学仿真工作，具体如下：（1）设计了结构合理且满足期望尺寸和负载要求的机械臂结构。根据高层建筑灭火无人机的现状与该论文所期望的产品效果，设定了一些基本的参数要求。然后对电机的初步选用到整体机械臂机械结构的确立，进而设计了机械臂的主要相关零部件，完成了三维虚拟模型的建立与装配。依据机械臂最大受力位姿状态对机械臂电机进行了初步的手动校核计算，并且利用Solidworks进行了机械臂虚拟模型的零件设计及装配体设计，最终表明所设计的机械臂虚拟模型零件可以正确的装配且无干涉发生。（2）介绍了机械臂动力学的基本建模原理，并且使用拉格朗日方法推导出机械臂的动力学方程，然后选用MATLAB/simulink为机械臂进行动力学分析，绘制出在运动过程中关节力矩、角速度、角加速度随时间变化的曲线图，使机械臂的运动更加合理。本论文中的高层建筑灭火机器人喷射水枪机械臂的设计与动力学仿真，一个从无到有的过程着实是一个复杂且困难的过程。虽然克服了种种困难最终完成了机械臂的结构设计与动力学分析与仿真工作，但是从目前来看，本文所做的一些工作还停留在较浅的阶段，机械臂的机械结构还有很大的改进空间，可以继续对其进行优化设计。致谢大学生活就要结束了，在这四年的大学生活中，非常感谢教导我的各科老师，是你们的悉心教导教会了我们各种知识，并且要求我们勤奋学习，诚实做人，踏实做事，以宽容之心面对生活，并且指引着我们沿着正确道路的方向前进。在这篇论文的撰写过