1 消防偵察滅火機器人研發(fā)背景

　　每年因為火災(zāi)、化學危險品和放射性物質(zhì)等泄露及燃燒、爆炸、坍塌事故造成很多消防戰(zhàn)士犧牲，給人民生命和財產(chǎn)帶來重大損傷。目前國內(nèi)外市場上的消防偵察滅火機器人普遍存在防護等級低、運動性能和控制性能弱等問題，機器人代替人工進入高危場所作業(yè)和救援還存在很多問題亟待解決，現(xiàn)有消防偵察和滅火機器人無法滿足技術(shù)和市場需求，當前面向高危災(zāi)害場所的防爆型消防偵察和滅火機器人市場需求巨大。另外， 國家十三五創(chuàng)新規(guī)劃、國家重點研發(fā)項目指南中均特別提出研究社會安全支撐保障關(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，人員密集場所、森林、地下設(shè)施和交通運輸設(shè)施等特殊場所的新型火災(zāi)預(yù)警和抑制系統(tǒng)。

　　2 消防偵察滅火機器人整體結(jié)構(gòu)設(shè)計與組成

圖 1 消防偵察滅火機器 人機械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

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

　　1. 避障傳感器

　　2.80 水炮

　　3. 噴淋頭

　　4. 升降臺

　　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) 當機器人作為滅火機器人在火場外圍噴水滅火時時， 通過控制升降系統(tǒng)的上升和下降，可實現(xiàn)攝像系統(tǒng)的高度變換， 從而觀測前方滅火情況 ;

　　(2) 當機器人作為偵察機器人進入火災(zāi)現(xiàn)場偵察時，環(huán)境探測傳感器組和攝像系統(tǒng)可實現(xiàn)對災(zāi)情的探測。同時通過控制升降系統(tǒng)的上升和下降，可實現(xiàn)對現(xiàn)場不同高度的危險氣體等濃度參數(shù)進行探測，以便后續(xù)分析和決策。

　　在電氣組成上 , 消防偵察滅火機器人在電氣上包括控制模塊、運動驅(qū)動模塊、參數(shù)采集模塊、避障導航模塊、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，手持控制臺可實現(xiàn)與機器人的信息交互，包括信息的顯示、無線發(fā)送和接收、操縱動作的解析和控制、數(shù)據(jù)參數(shù)存儲及報警等功能。該控制臺主要實現(xiàn)對消防偵察滅火機器人進行運動控制，對消防水炮系統(tǒng)等進行三維動態(tài)調(diào)整從而實現(xiàn)定點滅火功能。

　　3 消防偵察滅火機器人核心關(guān)鍵技術(shù)研究

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

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

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

　　運行速度 : ≥ 1.5m/s, 爬坡角度:≥ 30度,

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

　　遙控距離 : ≥ 2000m。

　　針對上述技術(shù)指標，本文對偵察滅火機器人的防護、動力學以及輕量化技術(shù)等方面進行了研究。

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

　　消防偵察滅火機器人采用 GB3836 防爆性能的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，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。為了進一步提升機器人耐高溫性能，在機器人車體上加入自噴淋主動降溫系統(tǒng)，當機器人拖動水帶靠近和進入高溫火場時，通過自噴淋降溫系統(tǒng)對機器人上方和周圍形成水幕，防止外部超高溫環(huán)境損傷機器人內(nèi)部電氣系統(tǒng)，提高機器人的生存能力和適用能力。另外，特種移動底盤外側(cè)的履帶內(nèi)部采用鋼絲結(jié)構(gòu)，以便機器人進入火場偵察遇到險情后能確保退回自救。

　　(2) 機器人大負載下動力學優(yōu)化的輕量化和高性能運動技術(shù)研究

　　機器人在拖動充滿水的水帶運動時，會受到后方水帶變化的拖拽力而運動性能下降甚至失穩(wěn)，另外機器人通過不同地形時，懸掛系統(tǒng)和驅(qū)動系統(tǒng)也會受到外部擾動作用，為提高機器人帶負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器人的動力學模型 , 對消防偵察滅火機器人的各類組件開展理論、受力仿真等研究，為消防偵察滅火機器人在復(fù)雜地面環(huán)境下實現(xiàn)高性能爬坡越障提供機械組件力學的理論和設(shè)計依據(jù)。同時針對機器人在后方拖動負載時的自身穩(wěn)定難題，對消防偵察滅火機器人的各類運動模式( 如直行、轉(zhuǎn)彎等) 開展了機體輕量化仿真研究 , 研究了機器人驅(qū)動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，為消防偵察滅火機器人在復(fù)雜地面環(huán)境下實現(xiàn)高性能爬坡越障提供作用力及相關(guān)性理論依據(jù)。

另外在上述機器人平臺基礎(chǔ)上，配合還研究了機器人驅(qū)動器的控制算法，采用自抗擾的閉環(huán)控制算法，將外部由于復(fù)雜地形變化導致的驅(qū)動器負載變化所引起的速度或位置擾動視為外部擾動進行實時補償控制，提高了消防偵察滅火機器人在拖動負載時驅(qū)動的抗干擾性、高效性和運動精準性，使消防偵察滅火機器人不僅適用于復(fù)雜的非結(jié)構(gòu)地面環(huán)境，更適合需要對機器人位置或速度進行精準控制的場合。

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

 4 消防偵寮滅火機器人樣機試驗

       偵察滅火機器人設(shè)計主要經(jīng)過系統(tǒng)設(shè)計、各模塊研制和調(diào)試、算法研究, 后經(jīng)系統(tǒng)聯(lián)調(diào)形成機器人試驗樣機。樣機完成后， 首先進行了運動性能和功能測試，包括對機器人本體和手持控制臺的通訊功能測試，對機器人的自噴淋降溫功能驗證，對機器人抗擾動性能驗證等，然后進行了場地性能試驗，最后經(jīng)過實際場景綜合試驗。目前，機器人工作狀態(tài)和性能指標良好， 已部署于泰安、威海和煙臺等消防中隊、支隊，以及煙臺萬華化學品廠等地。機器人的實物和消防演習現(xiàn)場如圖 3 所示。

圖 3 消防偵察滅火機器人實物圖和消防演習場景

　　5 結(jié)束語

　　針對當前易燃易爆高危火災(zāi)現(xiàn)場，設(shè)計了 - 種高性能消防偵察滅火機器人，實現(xiàn)了對現(xiàn)場快速偵察和超遠程三維定點滅火功能。為實現(xiàn)特種機器人關(guān)鍵技術(shù)指標，對機器人防護技術(shù)、輕量化技術(shù)進行了研究。消防演習和實地火災(zāi)撲救驗證了所研發(fā)系統(tǒng)的性能，機器人代表了未來防爆特種消防偵察滅火機器人的發(fā)展方向，具有重要的科學價值和意義，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產(chǎn)損失，有效保障民生安全和維護社會穩(wěn)定。