張樹生，裴文良，孫　寧，蔡海廷，姚春清ZHANG Shu-sheng，　PEI Wen-liang，　SUN Ning，　CAI Hai-ting，　YAO Chun-qing（中信重工開誠智能裝備有限公司，唐山 063020）

機(jī)器人技術(shù)

消防滅火偵察機(jī)器人的研制與應(yīng)用

張樹生，裴文良，孫寧，蔡海廷，姚春清
ZHANG Shu-sheng，PEI Wen-liang，SUN Ning，CAI Hai-ting，YAO Chun-qing
（中信重工開誠智能裝備有限公司，唐山 063020）

針對火災(zāi)、爆炸等事故滅火救援中消防人員遇到的生命安全問題，研制了一種實(shí)用的、可以代替消防人員進(jìn)入火災(zāi)現(xiàn)場，進(jìn)行滅火的消防滅火偵察機(jī)器人裝置，介紹了消防滅火偵察機(jī)器人的組成和功能，論述了機(jī)器人減震系統(tǒng)和雙層水幕自噴淋降溫裝置的設(shè)計(jì)方法和工作原理。最后介紹了控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)思想。實(shí)際應(yīng)用表明，該機(jī)器人功能全面、性能穩(wěn)定、實(shí)用性強(qiáng)，在消防滅火中可發(fā)揮重要作用。

消防；機(jī)器人；減震；控制系統(tǒng)

0　引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展以及大型石油化工企業(yè)、隧道、地鐵等建設(shè)的不斷增多，化學(xué)危險(xiǎn)品泄漏以及燃燒、爆炸等事故隱患增加，事故概率提高。一旦發(fā)生災(zāi)害事故，消防員面對高溫、有毒和濃煙等危害環(huán)境時(shí)，若沒有相應(yīng)的設(shè)備貿(mào)然沖進(jìn)現(xiàn)場，不僅不能完成任務(wù)，還會(huì)徒增人員傷亡，不能達(dá)到預(yù)期目的，天津?yàn)I海新區(qū)物流倉庫爆炸事故就是血的教訓(xùn)事件。解決這一問題的有效辦法就是應(yīng)用消防機(jī)器人，消防機(jī)器人搭載消防水炮等滅火設(shè)備以及攝像機(jī)、傳感器等，代替消防人員進(jìn)入危險(xiǎn)災(zāi)害事故現(xiàn)場進(jìn)行探測、搜救和滅火，能有效地解決消防人員面臨的人身安全問題，而且現(xiàn)場指揮人員也可以根據(jù)其反饋結(jié)果，及時(shí)對災(zāi)情做出判斷，加快事故現(xiàn)場救援工作［1，2］。本文從實(shí)用性角度出發(fā)，研制了一款消防滅火偵察機(jī)器人，應(yīng)用效果良好。

1　消防滅火偵察機(jī)器人系統(tǒng)組成

消防機(jī)器人采用履帶式機(jī)器人平臺(tái)，由機(jī)器人本體、消防水炮、監(jiān)控云臺(tái)及操控終端四部分構(gòu)成，硬件組成框圖如圖1所示。

圖1　消防機(jī)器人硬件系統(tǒng)組成

機(jī)器人本體是機(jī)器人的核心組成部分，機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)主要有：輪式、腿式、輪腿式和履帶式等，由于火災(zāi)現(xiàn)場地面情況復(fù)雜而且在噴水作業(yè)時(shí)機(jī)器人受到的后坐力較大，為了獲得較好的效果，選擇履帶式行走結(jié)構(gòu)。履帶采用阻燃橡膠，內(nèi)部采用多層簾布和鋼骨架結(jié)構(gòu)，使履帶具有較高的強(qiáng)度和韌度。為保證機(jī)身行走平穩(wěn)，研制了新型的彈簧懸掛減震系統(tǒng)，設(shè)計(jì)中采用了低重心穩(wěn)定布局設(shè)計(jì)。由于對機(jī)器人的負(fù)載能力要求較高，設(shè)計(jì)中使用了大功率驅(qū)動(dòng)裝置，以增加拖拽消防水帶的動(dòng)力。消防滅火偵察機(jī)器人整體效果示意圖如圖2所示。

圖2　消防機(jī)器人裝置整體結(jié)構(gòu)示意圖

該機(jī)器人裝置配有監(jiān)控云臺(tái)，可實(shí)時(shí)將現(xiàn)場圖像信息傳遞到操控終端，以便消防人員全面了解火災(zāi)事故現(xiàn)場的詳細(xì)情況，為事故救援提供可靠信息，加快滅火進(jìn)度，減少損失。

監(jiān)控云臺(tái)采用模塊化設(shè)計(jì)，可便捷地從機(jī)器人本體取下；云臺(tái)俯仰角度：-90°/+90°，回轉(zhuǎn)角度：360°，攝像機(jī)采用：1/3英寸Sony CCD，0.01Lux低照度，36倍光學(xué)變焦。

消防水炮是滅火的核心設(shè)備，可根據(jù)需要選用不同類型的消防水炮，本機(jī)器人攜帶水炮的炮體采用304不銹鋼，可實(shí)現(xiàn)柱狀水和散射水的噴水形狀的切換，最大流量：80L/s；最大射程：80m。

操控終端如圖2（b）所示，由數(shù)據(jù)處理器、無線終端、顯示器和控制面板組成。數(shù)據(jù)處理器為控制終端的核心，負(fù)責(zé)接收機(jī)器人發(fā)回的圖像視頻和現(xiàn)場聲音、溫度等數(shù)據(jù)信息。操控人員通過控制面板向機(jī)器人本體發(fā)出指令，可直接控制機(jī)器人的行走、信息采集以及消防水炮的操作［3］。該機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)前后移動(dòng)和回轉(zhuǎn)、消防水炮俯仰和回轉(zhuǎn)、水炮頭伸縮、監(jiān)控云臺(tái)俯仰和回轉(zhuǎn)等7個(gè)自由度的操作，操控終端通過無線信號(hào)控制完成整個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)的各個(gè)功能。

消防滅火偵察機(jī)器人控制系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3　消防滅火偵察機(jī)器人控制系統(tǒng)框圖

2　消防機(jī)器人減震機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

消防機(jī)器人面對的環(huán)境一般較為復(fù)雜，除應(yīng)滿足爬坡角度、行走速度、越障高度、越壕寬度和涉水深度等一系列越障性能求外，還應(yīng)具有較好的穩(wěn)定性能，本設(shè)計(jì)選擇了履帶式結(jié)構(gòu)形式，并設(shè)計(jì)了新型的三段式獨(dú)立懸掛減震系統(tǒng)，如圖4所示。

圖4　獨(dú)立懸掛減震系統(tǒng)示意圖

該減震系統(tǒng)設(shè)計(jì)成三段式（前段、中間段、后段）獨(dú)立彈簧懸掛減震系統(tǒng)，由驅(qū)動(dòng)輪、導(dǎo)向輪、承重輪、支重輪、減震彈簧、減速機(jī)輸出軸、剛性連接架等組成。該減震系統(tǒng)采用驅(qū)動(dòng)輪后置，支撐板可繞著減速機(jī)輸出軸回轉(zhuǎn)，減速機(jī)輸出軸與驅(qū)動(dòng)輪之間鏈傳動(dòng)；左上角設(shè)置上導(dǎo)向輪，確保履帶輪廓超過機(jī)器人箱體，在前行過程中履帶先接觸障礙物保護(hù)箱體不受撞擊，上導(dǎo)向輪和下導(dǎo)向輪通過一個(gè)剛性連接架保持相對位置，該剛性支架與箱體固定點(diǎn)處鉸接，中間結(jié)點(diǎn)與固定在箱體上的懸架用減震彈簧連接，在前行遭遇障礙物的情況下，剛性連接架帶動(dòng)兩個(gè)導(dǎo)向輪繞著箱體固定鉸接點(diǎn)回轉(zhuǎn)壓縮彈簧，起到減震作用；與履帶接觸位置布置四個(gè)承重輪，承重輪支架形成X型，中間用減震彈簧連接，承重輪成對布置在X架兩端，單側(cè)兩個(gè)承重輪可繞X架端部鉸接點(diǎn)繞動(dòng)，前后上下受到?jīng)_擊可緩沖；驅(qū)動(dòng)輪與下導(dǎo)向輪行走時(shí)不與地面接觸，下導(dǎo)向輪與支重輪之間設(shè)置有接近角，驅(qū)動(dòng)輪與支重輪之間設(shè)置有分離角。因此，既可保證支重輪部分履帶與地面的充分接觸，又可降低履帶與地面的滾動(dòng)摩擦系數(shù)，使行走順暢。

3　雙層水幕自噴淋降溫裝置設(shè)計(jì)

消防滅火機(jī)器人進(jìn)入火災(zāi)現(xiàn)場實(shí)施滅火時(shí)，由于火災(zāi)現(xiàn)場環(huán)境溫度很高，給消防滅火機(jī)器人的工作帶來不利影響，甚至造成電子器件無法工作。為解決消防滅火機(jī)器人遇到的高溫問題，自主研發(fā)了一種消防滅火機(jī)器人雙層水幕自噴淋降溫裝置。

該裝置由頂蓋部分、主軸部分、中間導(dǎo)流部分和底座部分組成，雙層水幕自噴淋降溫裝置通過一個(gè)電磁閥安裝于消防機(jī)器人水炮主管路上，當(dāng)消防機(jī)器人自身溫度升高時(shí)，遙控開啟電磁閥進(jìn)行自噴淋降溫。

主軸部分采用三片式穩(wěn)流裝置固定在主體上，既可以穩(wěn)定主軸，又起到防止水流旋轉(zhuǎn)的作用，從而達(dá)到降低系統(tǒng)壓力損失的作用。其中一級(jí)水幕為固定角度噴灑，二級(jí)水幕為霧化旋轉(zhuǎn)齒輪噴灑，且噴灑角度可調(diào)。壓力水源由進(jìn)水口進(jìn)入雙層水幕自噴淋降溫裝置，首先經(jīng)過一級(jí)水幕噴水出口，此口為常開固定不可調(diào)式，通過環(huán)裝斜角出水口來實(shí)現(xiàn)水幕功能。壓力水源到達(dá)二級(jí)水幕噴水出口時(shí)，由于水的流速會(huì)撞擊旋轉(zhuǎn)齒，此時(shí)旋轉(zhuǎn)齒圍繞軸心旋轉(zhuǎn)，達(dá)到進(jìn)一步細(xì)化水顆粒的作用。如需調(diào)節(jié)二級(jí)噴霧的角度，只需旋轉(zhuǎn)流量調(diào)節(jié)手輪，由于內(nèi)部導(dǎo)軌的作用，調(diào)節(jié)噴嘴會(huì)向上提起，減小了調(diào)節(jié)噴嘴和旋轉(zhuǎn)齒之間的距離，從而實(shí)現(xiàn)噴霧角度的變化。本裝置安裝方式為快插可拆卸式，拆卸時(shí)只需按下噴灑頭拆卸圈，取出雙層水幕自噴淋降溫裝置，彈簧會(huì)自動(dòng)復(fù)位拆卸裝置。

4　消防滅火偵察機(jī)器人軟件設(shè)計(jì)

消防機(jī)器人系統(tǒng)軟件開發(fā)的硬件環(huán)境：基于TI 的AM3352（Cortex-A8）處理器。軟件環(huán)境：采用WEC2013操作系統(tǒng)及Visual Studio 2013程序集成開發(fā)環(huán)境，編程語言采用C/C++。

按照系統(tǒng)功能，消防機(jī)器人系統(tǒng)軟件根據(jù)功能可將程序劃分為四部分，分別為：機(jī)器人移動(dòng)控制、監(jiān)控云臺(tái)控制、消防水炮控制和圖像及信息采集部分。主程序流程圖如圖5所示。

消防機(jī)器人軟件主要完成以下控制功能：機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的姿態(tài)和速度的遠(yuǎn)程控制；控制監(jiān)控云臺(tái)攝像頭的仰俯、旋轉(zhuǎn)角度和速度；消防水炮的俯仰、旋轉(zhuǎn)、噴射方式的遠(yuǎn)程控制；采集、接收火災(zāi)現(xiàn)場的視頻圖像、溫度等信息并在顯示器上顯示；人機(jī)界面的交互功能，接收/發(fā)送指令［4］。

5　結(jié)束語

圖5　主程序流程圖

本裝置已在多家消防大隊(duì)?wèi)?yīng)用，在實(shí)際滅火、滅火搶險(xiǎn)及救援演練中發(fā)揮了重要作用，實(shí)際應(yīng)用表明該機(jī)器人功能強(qiáng)、工作可靠、性能穩(wěn)定，對火災(zāi)現(xiàn)場狀況以及周圍環(huán)境信息采集及時(shí)、準(zhǔn)確，采集視頻圖像清晰；機(jī)器人行走敏捷，操控方便，噴水射程高、方式可調(diào)，工作時(shí)間長。不但降低了消防人員滅火的危險(xiǎn)，而且對災(zāi)害現(xiàn)場情況掌握準(zhǔn)確，便于及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，采取有效措施，提高了消防救援的工作效率。同時(shí)，該機(jī)器人裝置具有遙控距離遠(yuǎn)、越障能力強(qiáng)、充電方便，操作簡單、便于維護(hù)的特點(diǎn)。能較好的完成消防滅火任務(wù)，保證了消防人員的人身安全，提高了滅火效率，同時(shí)也提高了消防技術(shù)水平，帶來了顯著的經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益。

［1］ 李紅偉，黃春茹.消防機(jī)器人的發(fā)展及應(yīng)用研究［J］.科技資訊，2012，02:21-22.

［2］ 寧再望.消防機(jī)器人在滅火救援中德設(shè)計(jì)分析［J］.數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2012，05:135-135.

［3］ 徐正飛，楊汝清，許春權(quán).消防機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)，2002，02:29-31.

［4］ 劉紅星.消防偵察機(jī)器人的設(shè)計(jì)研究［D］.上海交通大學(xué)，2006.

Development and application of fire fighting reconnaissance robot

TP242

A

1009-0134（2016）06-0055-03

2016-03-22

張樹生（1973 -），男，河北唐山人，高級(jí)工程師，本科，研究方向?yàn)樘胤N機(jī)器人技術(shù)及其研發(fā)制造。