1 消防偵察滅火機器人研發背景

　　每年因(yin)為(wei)火災(zai)、化學危險品和(he)(he)放射(she)性(xing)物質等泄露(lu)及燃燒、爆(bao)(bao)炸、坍塌事(shi)故造成很多消(xiao)防戰士(shi)犧牲，給人(ren)民生(sheng)命(ming)和(he)(he)財產帶(dai)來重大(da)損傷(shang)。目前(qian)國(guo)內外(wai)市(shi)場(chang)(chang)上的消(xiao)防偵(zhen)察(cha)滅(mie)火機器(qi)(qi)人(ren)普遍存在防護等級低(di)、運(yun)動性(xing)能和(he)(he)控制(zhi)性(xing)能弱(ruo)等問題(ti)，機器(qi)(qi)人(ren)代替人(ren)工進入高危場(chang)(chang)所作(zuo)業和(he)(he)救(jiu)(jiu)援還(huan)存在很多問題(ti)亟待解決(jue)，現(xian)有消(xiao)防偵(zhen)察(cha)和(he)(he)滅(mie)火機器(qi)(qi)人(ren)無法滿(man)足技(ji)術(shu)(shu)和(he)(he)市(shi)場(chang)(chang)需求，當前(qian)面向高危災(zai)害場(chang)(chang)所的防爆(bao)(bao)型消(xiao)防偵(zhen)察(cha)和(he)(he)滅(mie)火機器(qi)(qi)人(ren)市(shi)場(chang)(chang)需求巨大(da)。另外(wai)， 國(guo)家十三(san)五創新規(gui)劃、國(guo)家重點研(yan)發(fa)(fa)項(xiang)目指南中(zhong)均(jun)特(te)別(bie)提出研(yan)究社(she)會安(an)全支撐保障關鍵技(ji)術(shu)(shu)，重特(te)大(da)火災(zai)防治(zhi)與撲(pu)救(jiu)(jiu)技(ji)術(shu)(shu)， 開發(fa)(fa)適合易燃易爆(bao)(bao)工業區域(yu)，人(ren)員密集場(chang)(chang)所、森林、地下(xia)設施和(he)(he)交通(tong)運(yun)輸(shu)設施等特(te)殊場(chang)(chang)所的新型火災(zai)預警和(he)(he)抑制(zhi)系統(tong)。

　　2 消防偵察滅火機器人整體結構設計與組成

圖(tu) 1 消防(fang)偵察(cha)滅火機(ji)器(qi) 人(ren)機(ji)械系(xi)統結構(gou)圖(tu)

        針對上述(shu)需(xu)求，本文設(she)計(ji)了適(shi)用于高危惡劣(lie)場所的特種消(xiao)防偵察滅火機(ji)器人和對應的地面控制指(zhi)揮(hui)系統，系統結構圖如圖 1 所示。偵察滅火機(ji)器人主要(yao)包括 :

　　1. 避障傳感器

　　2.80 水炮

　　3. 噴淋頭

　　4. 升降臺

　　5. 數傳圖傳天線

　　6. 前后(hou)攝(she)像頭

　　7. 氣體(ti)傳感器(qi)

　　8. 熱成像儀

　　9. 照明燈

　　10. 報警燈

　　11. 急停按扭

　　12. 電池(chi)按扭

　　13. 充(chong)電座蓋

　　14. 鎖緊螺栓

　　15. 美觀蓋

　　16. 調(diao)節螺(luo)栓(shuan)

　　17. 拖車勾

　　18. 升(sheng)降桿(gan)注油(you)口

　　其中(zhong)，偵察組(zu)件有兩種功能(neng) :

　　(1) 當機器人作為滅火機器人在火場外圍噴水滅火時(shi)時(shi)， 通過控制升降(jiang)系(xi)統的上(shang)升和(he)下降(jiang)，可實現攝像系(xi)統的高度變換， 從而(er)觀測前方滅火情況(kuang) ;

　　(2) 當機器人作為偵察(cha)機器人進(jin)入火災現場(chang)偵察(cha)時(shi)，環境探測(ce)傳感(gan)器組(zu)和(he)(he)攝像系統可(ke)實(shi)現對(dui)災情(qing)的探測(ce)。同時(shi)通過控制(zhi)升降系統的上升和(he)(he)下降，可(ke)實(shi)現對(dui)現場(chang)不同高(gao)度的危險氣體等濃度參數進(jin)行探測(ce)，以便(bian)后(hou)續分(fen)析(xi)和(he)(he)決策(ce)。

　　在(zai)電氣組成上 , 消防偵察(cha)滅火機(ji)器(qi)人在(zai)電氣上包(bao)括(kuo)控(kong)制(zhi)模(mo)(mo)(mo)塊、運(yun)(yun)動(dong)驅(qu)動(dong)模(mo)(mo)(mo)塊、參數(shu)采集模(mo)(mo)(mo)塊、避(bi)障(zhang)導航(hang)模(mo)(mo)(mo)塊、通訊模(mo)(mo)(mo)塊、電源管理模(mo)(mo)(mo)塊以及(ji)(ji)故障(zhang)診斷模(mo)(mo)(mo)塊，系統結(jie)構圖如圖 2 所(suo)示。其(qi)中，手持控(kong)制(zhi)臺可實(shi)現(xian)與機(ji)器(qi)人的(de)信(xin)息交互，包(bao)括(kuo)信(xin)息的(de)顯示、無線發(fa)送和接(jie)收、操縱(zong)動(dong)作的(de)解析和控(kong)制(zhi)、數(shu)據參數(shu)存儲及(ji)(ji)報警等(deng)功能(neng)。該控(kong)制(zhi)臺主(zhu)要實(shi)現(xian)對消防偵察(cha)滅火機(ji)器(qi)人進(jin)(jin)行(xing)運(yun)(yun)動(dong)控(kong)制(zhi)，對消防水炮系統等(deng)進(jin)(jin)行(xing)三維動(dong)態調整從而實(shi)現(xian)定點滅火功能(neng)。

　　3 消防偵察滅火機器人核心關鍵技術研究

　　為使偵察(cha)滅(mie)火機(ji)器人適(shi)用于復雜的惡劣環境，機(ji)器人的技術指標如下 :

　　防爆(bao)等級 : Exd(ib) IIb+H2 T6Gb, 防水等級 :IP67,

　　整機(ji)重量 : ≤ 800kg， 載荷(he)質量 : ≥ 200kg, 水炮射程 : ≥ 80m,

　　運行速度 : ≥ 1.5m/s, 爬坡(po)角(jiao)度:≥ 30度,

　　攀爬臺階高(gao)度 : ≥ 250 mm, 跨越溝道寬度 : ≥ 300 mm, 續航能力 : ≥ 3h,

　　遙控距離(li) : ≥ 2000m。

　　針(zhen)對(dui)上(shang)述技術(shu)指(zhi)標，本文對(dui)偵察滅火(huo)機器人的防護(hu)、動力學以及輕量化技術(shu)等(deng)方面進行了研究。

　　(1) 消防偵察滅火機(ji)器人高危高濕環境下自保(bao)護防護性(xing)能技(ji)術(shu)研究(jiu)

　　消防(fang)偵(zhen)察(cha)滅火機(ji)器(qi)(qi)(qi)人(ren)采(cai)用(yong) GB3836 防(fang)爆(bao)性能(neng)的結(jie)構設計方法，外部(bu)組件與內部(bu)殼體(ti)連接處(chu)采(cai)用(yong)隔(ge)爆(bao)和(he)水(shui)密(mi)處(chu)理措施，轉軸(zhou)傳動(dong)處(chu)采(cai)用(yong)小間隙隔(ge)爆(bao)處(chu)理，外部(bu)傳感組件和(he)執行組件等采(cai)用(yong)防(fang)爆(bao)材料等加(jia)(jia)工。為了進(jin)(jin)(jin)一步提升機(ji)器(qi)(qi)(qi)人(ren)耐高溫(wen)性能(neng)，在機(ji)器(qi)(qi)(qi)人(ren)車體(ti)上(shang)加(jia)(jia)入自(zi)(zi)噴淋(lin)主動(dong)降溫(wen)系(xi)(xi)統，當機(ji)器(qi)(qi)(qi)人(ren)拖動(dong)水(shui)帶靠近和(he)進(jin)(jin)(jin)入高溫(wen)火場時，通過自(zi)(zi)噴淋(lin)降溫(wen)系(xi)(xi)統對機(ji)器(qi)(qi)(qi)人(ren)上(shang)方和(he)周圍形成(cheng)水(shui)幕，防(fang)止外部(bu)超高溫(wen)環境損(sun)傷機(ji)器(qi)(qi)(qi)人(ren)內部(bu)電氣系(xi)(xi)統，提高機(ji)器(qi)(qi)(qi)人(ren)的生存能(neng)力和(he)適用(yong)能(neng)力。另外，特種移動(dong)底盤(pan)外側的履帶內部(bu)采(cai)用(yong)鋼絲結(jie)構，以便機(ji)器(qi)(qi)(qi)人(ren)進(jin)(jin)(jin)入火場偵(zhen)察(cha)遇到險情后能(neng)確保退回自(zi)(zi)救。

　　(2) 機器人大(da)負載下動(dong)(dong)力學優化的(de)輕量(liang)化和高性能運動(dong)(dong)技術研究

　　機(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)器(qi)人(ren)在拖(tuo)動(dong)(dong)充滿水(shui)的(de)水(shui)帶(dai)運動(dong)(dong)時，會(hui)受到(dao)后(hou)方水(shui)帶(dai)變化的(de)拖(tuo)拽力(li)而運動(dong)(dong)性(xing)能下降甚至失穩(wen)，另(ling)外機(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)器(qi)人(ren)通過不同(tong)(tong)地(di)(di)(di)形時，懸掛(gua)系統和(he)(he)驅(qu)動(dong)(dong)系統也會(hui)受到(dao)外部(bu)擾(rao)動(dong)(dong)作(zuo)用(yong)(yong)，為(wei)提(ti)高機(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)器(qi)人(ren)帶(dai)負(fu)載(zai)能力(li)和(he)(he)爬坡(po)(po)越障(zhang)性(xing)能，建(jian)立了復(fu)(fu)雜地(di)(di)(di)面(mian)環(huan)境(jing)下防爆消防偵(zhen)察(cha)(cha)滅火機(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)器(qi)人(ren)的(de)動(dong)(dong)力(li)學模(mo)型 , 對(dui)(dui)消防偵(zhen)察(cha)(cha)滅火機(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)器(qi)人(ren)的(de)各類(lei)組(zu)(zu)件(jian)開(kai)展理(li)論、受力(li)仿真等研(yan)(yan)究，為(wei)消防偵(zhen)察(cha)(cha)滅火機(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)器(qi)人(ren)在復(fu)(fu)雜地(di)(di)(di)面(mian)環(huan)境(jing)下實現(xian)高性(xing)能爬坡(po)(po)越障(zhang)提(ti)供機(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)械組(zu)(zu)件(jian)力(li)學的(de)理(li)論和(he)(he)設(she)計(ji)依據(ju)。同(tong)(tong)時針對(dui)(dui)機(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)器(qi)人(ren)在后(hou)方拖(tuo)動(dong)(dong)負(fu)載(zai)時的(de)自身穩(wen)定(ding)難題，對(dui)(dui)消防偵(zhen)察(cha)(cha)滅火機(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)器(qi)人(ren)的(de)各類(lei)運動(dong)(dong)模(mo)式(shi)( 如直行(xing)、轉彎等) 開(kai)展了機(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)體(ti)輕量化仿真研(yan)(yan)究 , 研(yan)(yan)究了機(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)器(qi)人(ren)驅(qu)動(dong)(dong)組(zu)(zu)件(jian)與(yu)外部(bu)行(xing)走部(bu)件(jian)及外部(bu)行(xing)走組(zu)(zu)件(jian)與(yu)地(di)(di)(di)面(mian)交互作(zuo)用(yong)(yong)等之間(jian)的(de)匹配性(xing)和(he)(he)作(zuo)用(yong)(yong)力(li)，為(wei)消防偵(zhen)察(cha)(cha)滅火機(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)器(qi)人(ren)在復(fu)(fu)雜地(di)(di)(di)面(mian)環(huan)境(jing)下實現(xian)高性(xing)能爬坡(po)(po)越障(zhang)提(ti)供作(zuo)用(yong)(yong)力(li)及相關性(xing)理(li)論依據(ju)。

另外(wai)在(zai)上述機(ji)器(qi)(qi)(qi)人平臺基礎上，配合(he)還研究了(le)機(ji)器(qi)(qi)(qi)人驅動(dong)(dong)(dong)器(qi)(qi)(qi)的控(kong)制(zhi)(zhi)算(suan)法，采用(yong)自(zi)抗擾(rao)(rao)(rao)的閉環控(kong)制(zhi)(zhi)算(suan)法，將外(wai)部由于(yu)復雜(za)地形變化導致的驅動(dong)(dong)(dong)器(qi)(qi)(qi)負載(zai)變化所(suo)引起(qi)的速度或位置擾(rao)(rao)(rao)動(dong)(dong)(dong)視為外(wai)部擾(rao)(rao)(rao)動(dong)(dong)(dong)進行實時(shi)補償控(kong)制(zhi)(zhi)，提高(gao)了(le)消防偵察滅(mie)火(huo)機(ji)器(qi)(qi)(qi)人在(zai)拖動(dong)(dong)(dong)負載(zai)時(shi)驅動(dong)(dong)(dong)的抗干擾(rao)(rao)(rao)性(xing)、高(gao)效性(xing)和運動(dong)(dong)(dong)精(jing)準性(xing)，使消防偵察滅(mie)火(huo)機(ji)器(qi)(qi)(qi)人不(bu)僅適用(yong)于(yu)復雜(za)的非結構地面環境，更適合(he)需要對機(ji)器(qi)(qi)(qi)人位置或速度進行精(jing)準控(kong)制(zhi)(zhi)的場(chang)合(he)。

　　圖 2 消防偵察滅(mie)火機器 人電氣系統結構圖　

 4 消防偵寮滅火機器人樣機試驗

       偵察滅火機(ji)(ji)(ji)器(qi)人(ren)設計主要經過系(xi)統設計、各模(mo)塊研制和(he)調試(shi)(shi)(shi)、算(suan)法研究, 后(hou)(hou)經系(xi)統聯調形成機(ji)(ji)(ji)器(qi)人(ren)試(shi)(shi)(shi)驗(yan)樣機(ji)(ji)(ji)。樣機(ji)(ji)(ji)完(wan)成后(hou)(hou)， 首先進行了運動(dong)性(xing)能和(he)功(gong)(gong)能測試(shi)(shi)(shi)，包(bao)括對機(ji)(ji)(ji)器(qi)人(ren)本(ben)體和(he)手(shou)持控制臺的通(tong)訊功(gong)(gong)能測試(shi)(shi)(shi)，對機(ji)(ji)(ji)器(qi)人(ren)的自噴淋降溫功(gong)(gong)能驗(yan)證，對機(ji)(ji)(ji)器(qi)人(ren)抗擾動(dong)性(xing)能驗(yan)證等，然后(hou)(hou)進行了場(chang)地(di)性(xing)能試(shi)(shi)(shi)驗(yan)，最后(hou)(hou)經過實(shi)際場(chang)景綜合(he)試(shi)(shi)(shi)驗(yan)。目前(qian)，機(ji)(ji)(ji)器(qi)人(ren)工(gong)作狀態和(he)性(xing)能指標良好， 已部署于(yu)泰安、威海和(he)煙臺等消防(fang)中隊、支隊，以及煙臺萬華化學品(pin)廠等地(di)。機(ji)(ji)(ji)器(qi)人(ren)的實(shi)物和(he)消防(fang)演(yan)習現(xian)場(chang)如圖 3 所(suo)示。

圖(tu) 3 消防(fang)偵察滅火機器人實物(wu)圖(tu)和(he)消防(fang)演習(xi)場(chang)景

　　5 結束語

　　針對(dui)當(dang)前易(yi)燃(ran)易(yi)爆高危火(huo)(huo)災(zai)現(xian)場，設計了(le)(le) - 種(zhong)高性能消防(fang)偵(zhen)察(cha)滅火(huo)(huo)機(ji)器(qi)人，實(shi)現(xian)了(le)(le)對(dui)現(xian)場快速(su)偵(zhen)察(cha)和超遠程三(san)維定點滅火(huo)(huo)功能。為實(shi)現(xian)特(te)(te)種(zhong)機(ji)器(qi)人關鍵技術(shu)指標，對(dui)機(ji)器(qi)人防(fang)護技術(shu)、輕量化(hua)技術(shu)進行了(le)(le)研究(jiu)。消防(fang)演習和實(shi)地火(huo)(huo)災(zai)撲救(jiu)驗(yan)證了(le)(le)所研發系統的(de)性能，機(ji)器(qi)人代表了(le)(le)未來(lai)防(fang)爆特(te)(te)種(zhong)消防(fang)偵(zhen)察(cha)滅火(huo)(huo)機(ji)器(qi)人的(de)發展(zhan)方向，具有重(zhong)要(yao)的(de)科學價(jia)值和意義，并且為重(zhong)大(da)自然災(zai)害應(ying)急(ji)和公共安全保(bao)證提(ti)(ti)供了(le)(le)有效(xiao)技術(shu)和裝備支撐，大(da)大(da)提(ti)(ti)高偵(zhen)察(cha)救(jiu)援效(xiao)率并極大(da)地降低人身財產損(sun)失，有效(xiao)保(bao)障民生安全和維護社會穩定。