1 消防偵察滅火機(jī)器人研發(fā)背景

　　每年因?yàn)榛馂?zāi)、化學(xué)危險(xiǎn)品和放射性物質(zhì)等泄露及燃燒、爆炸、坍塌事故造成很多消防戰(zhàn)士犧牲，給人民生命和財(cái)產(chǎn)帶來(lái)重大損傷。目前國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)上的消防偵察滅火機(jī)器人普遍存在防護(hù)等級(jí)低、運(yùn)動(dòng)性能和控制性能弱等問(wèn)題，機(jī)器人代替人工進(jìn)入高危場(chǎng)所作業(yè)和救援還存在很多問(wèn)題亟待解決，現(xiàn)有消防偵察和滅火機(jī)器人無(wú)法滿足技術(shù)和市場(chǎng)需求，當(dāng)前面向高危災(zāi)害場(chǎng)所的防爆型消防偵察和滅火機(jī)器人市場(chǎng)需求巨大。另外， 國(guó)家十三五創(chuàng)新規(guī)劃、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目指南中均特別提出研究社會(huì)安全支撐保障關(guān)鍵技術(shù)，重特大火災(zāi)防治與撲救技術(shù)， 開發(fā)適合易燃易爆工業(yè)區(qū)域，人員密集場(chǎng)所、森林、地下設(shè)施和交通運(yùn)輸設(shè)施等特殊場(chǎng)所的新型火災(zāi)預(yù)警和抑制系統(tǒng)。

　　2 消防偵察滅火機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與組成

圖 1 消防偵察滅火機(jī)器 人機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

        針對(duì)上述需求，本文設(shè)計(jì)了適用于高危惡劣場(chǎng)所的特種消防偵察滅火機(jī)器人和對(duì)應(yīng)的地面控制指揮系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖 1 所示。偵察滅火機(jī)器人主要包括 :

　　1. 避障傳感器

　　2.80 水炮

　　3. 噴淋頭

　　4. 升降臺(tái)

　　5. 數(shù)傳圖傳天線

　　6. 前后攝像頭

　　7. 氣體傳感器

　　8. 熱成像儀

　　9. 照明燈

　　10. 報(bào)警燈

　　11. 急停按扭

　　12. 電池按扭

　　13. 充電座蓋

　　14. 鎖緊螺栓

　　15. 美觀蓋

　　16. 調(diào)節(jié)螺栓

　　17. 拖車勾

　　18. 升降桿注油口

　　其中，偵察組件有兩種功能 :

　　(1) 當(dāng)機(jī)器人作為滅火機(jī)器人在火場(chǎng)外圍噴水滅火時(shí)時(shí)， 通過(guò)控制升降系統(tǒng)的上升和下降，可實(shí)現(xiàn)攝像系統(tǒng)的高度變換， 從而觀測(cè)前方滅火情況 ;

　　(2) 當(dāng)機(jī)器人作為偵察機(jī)器人進(jìn)入火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)偵察時(shí)，環(huán)境探測(cè)傳感器組和攝像系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)災(zāi)情的探測(cè)。同時(shí)通過(guò)控制升降系統(tǒng)的上升和下降，可實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)不同高度的危險(xiǎn)氣體等濃度參數(shù)進(jìn)行探測(cè)，以便后續(xù)分析和決策。

　　在電氣組成上 , 消防偵察滅火機(jī)器人在電氣上包括控制模塊、運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)模塊、參數(shù)采集模塊、避障導(dǎo)航模塊、通訊模塊、電源管理模塊以及故障診斷模塊，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖 2 所示。其中，手持控制臺(tái)可實(shí)現(xiàn)與機(jī)器人的信息交互，包括信息的顯示、無(wú)線發(fā)送和接收、操縱動(dòng)作的解析和控制、數(shù)據(jù)參數(shù)存儲(chǔ)及報(bào)警等功能。該控制臺(tái)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)消防偵察滅火機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制，對(duì)消防水炮系統(tǒng)等進(jìn)行三維動(dòng)態(tài)調(diào)整從而實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)滅火功能。

　　3 消防偵察滅火機(jī)器人核心關(guān)鍵技術(shù)研究

　　為使偵察滅火機(jī)器人適用于復(fù)雜的惡劣環(huán)境，機(jī)器人的技術(shù)指標(biāo)如下 :

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

　　整機(jī)重量 : ≤ 800kg， 載荷質(zhì)量 : ≥ 200kg, 水炮射程 : ≥ 80m,

　　運(yùn)行速度 : ≥ 1.5m/s, 爬坡角度:≥ 30度,

　　攀爬臺(tái)階高度 : ≥ 250 mm, 跨越溝道寬度 : ≥ 300 mm, 續(xù)航能力 : ≥ 3h,

　　遙控距離 : ≥ 2000m。

　　針對(duì)上述技術(shù)指標(biāo)，本文對(duì)偵察滅火機(jī)器人的防護(hù)、動(dòng)力學(xué)以及輕量化技術(shù)等方面進(jìn)行了研究。

　　(1) 消防偵察滅火機(jī)器人高危高濕環(huán)境下自保護(hù)防護(hù)性能技術(shù)研究

　　消防偵察滅火機(jī)器人采用 GB3836 防爆性能的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，外部組件與內(nèi)部殼體連接處采用隔爆和水密處理措施，轉(zhuǎn)軸傳動(dòng)處采用小間隙隔爆處理，外部傳感組件和執(zhí)行組件等采用防爆材料等加工。為了進(jìn)一步提升機(jī)器人耐高溫性能，在機(jī)器人車體上加入自噴淋主動(dòng)降溫系統(tǒng)，當(dāng)機(jī)器人拖動(dòng)水帶靠近和進(jìn)入高溫火場(chǎng)時(shí)，通過(guò)自噴淋降溫系統(tǒng)對(duì)機(jī)器人上方和周圍形成水幕，防止外部超高溫環(huán)境損傷機(jī)器人內(nèi)部電氣系統(tǒng)，提高機(jī)器人的生存能力和適用能力。另外，特種移動(dòng)底盤外側(cè)的履帶內(nèi)部采用鋼絲結(jié)構(gòu)，以便機(jī)器人進(jìn)入火場(chǎng)偵察遇到險(xiǎn)情后能確保退回自救。

　　(2) 機(jī)器人大負(fù)載下動(dòng)力學(xué)優(yōu)化的輕量化和高性能運(yùn)動(dòng)技術(shù)研究

　　機(jī)器人在拖動(dòng)充滿水的水帶運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)受到后方水帶變化的拖拽力而運(yùn)動(dòng)性能下降甚至失穩(wěn)，另外機(jī)器人通過(guò)不同地形時(shí)，懸掛系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)也會(huì)受到外部擾動(dòng)作用，為提高機(jī)器人帶負(fù)載能力和爬坡越障性能，建立了復(fù)雜地面環(huán)境下防爆消防偵察滅火機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)模型 , 對(duì)消防偵察滅火機(jī)器人的各類組件開展理論、受力仿真等研究，為消防偵察滅火機(jī)器人在復(fù)雜地面環(huán)境下實(shí)現(xiàn)高性能爬坡越障提供機(jī)械組件力學(xué)的理論和設(shè)計(jì)依據(jù)。同時(shí)針對(duì)機(jī)器人在后方拖動(dòng)負(fù)載時(shí)的自身穩(wěn)定難題，對(duì)消防偵察滅火機(jī)器人的各類運(yùn)動(dòng)模式( 如直行、轉(zhuǎn)彎等) 開展了機(jī)體輕量化仿真研究 , 研究了機(jī)器人驅(qū)動(dòng)組件與外部行走部件及外部行走組件與地面交互作用等之間的匹配性和作用力，為消防偵察滅火機(jī)器人在復(fù)雜地面環(huán)境下實(shí)現(xiàn)高性能爬坡越障提供作用力及相關(guān)性理論依據(jù)。

另外在上述機(jī)器人平臺(tái)基礎(chǔ)上，配合還研究了機(jī)器人驅(qū)動(dòng)器的控制算法，采用自抗擾的閉環(huán)控制算法，將外部由于復(fù)雜地形變化導(dǎo)致的驅(qū)動(dòng)器負(fù)載變化所引起的速度或位置擾動(dòng)視為外部擾動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償控制，提高了消防偵察滅火機(jī)器人在拖動(dòng)負(fù)載時(shí)驅(qū)動(dòng)的抗干擾性、高效性和運(yùn)動(dòng)精準(zhǔn)性，使消防偵察滅火機(jī)器人不僅適用于復(fù)雜的非結(jié)構(gòu)地面環(huán)境，更適合需要對(duì)機(jī)器人位置或速度進(jìn)行精準(zhǔn)控制的場(chǎng)合。

　　圖 2 消防偵察滅火機(jī)器 人電氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖　

 4 消防偵寮滅火機(jī)器人樣機(jī)試驗(yàn)

       偵察滅火機(jī)器人設(shè)計(jì)主要經(jīng)過(guò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、各模塊研制和調(diào)試、算法研究, 后經(jīng)系統(tǒng)聯(lián)調(diào)形成機(jī)器人試驗(yàn)樣機(jī)。樣機(jī)完成后， 首先進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)性能和功能測(cè)試，包括對(duì)機(jī)器人本體和手持控制臺(tái)的通訊功能測(cè)試，對(duì)機(jī)器人的自噴淋降溫功能驗(yàn)證，對(duì)機(jī)器人抗擾動(dòng)性能驗(yàn)證等，然后進(jìn)行了場(chǎng)地性能試驗(yàn)，最后經(jīng)過(guò)實(shí)際場(chǎng)景綜合試驗(yàn)。目前，機(jī)器人工作狀態(tài)和性能指標(biāo)良好， 已部署于泰安、威海和煙臺(tái)等消防中隊(duì)、支隊(duì)，以及煙臺(tái)萬(wàn)華化學(xué)品廠等地。機(jī)器人的實(shí)物和消防演習(xí)現(xiàn)場(chǎng)如圖 3 所示。

圖 3 消防偵察滅火機(jī)器人實(shí)物圖和消防演習(xí)場(chǎng)景

　　5 結(jié)束語(yǔ)

　　針對(duì)當(dāng)前易燃易爆高?；馂?zāi)現(xiàn)場(chǎng)，設(shè)計(jì)了 - 種高性能消防偵察滅火機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)了對(duì)現(xiàn)場(chǎng)快速偵察和超遠(yuǎn)程三維定點(diǎn)滅火功能。為實(shí)現(xiàn)特種機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，對(duì)機(jī)器人防護(hù)技術(shù)、輕量化技術(shù)進(jìn)行了研究。消防演習(xí)和實(shí)地火災(zāi)撲救驗(yàn)證了所研發(fā)系統(tǒng)的性能，機(jī)器人代表了未來(lái)防爆特種消防偵察滅火機(jī)器人的發(fā)展方向，具有重要的科學(xué)價(jià)值和意義，并且為重大自然災(zāi)害應(yīng)急和公共安全保證提供了有效技術(shù)和裝備支撐，大大提高偵察救援效率并極大地降低人身財(cái)產(chǎn)損失，有效保障民生安全和維護(hù)社會(huì)穩(wěn)定。