防爆消防特種機(jī)器人研發(fā)及應(yīng)用

裴文良，陸文濤，郭映言，蔡海廷，陳金山

（中信重工開誠智能裝備有限公司，唐山 063020）

防爆消防特種機(jī)器人研發(fā)及應(yīng)用

裴文良，陸文濤，郭映言，蔡海廷，陳金山

（中信重工開誠智能裝備有限公司，唐山 063020）

針對易燃、易爆、有毒等高危火災(zāi)現(xiàn)場的滅火救援，研制了一種新型的、具有防爆功能的消防滅火機(jī)器人裝置，詳細(xì)介紹了防爆消防特種機(jī)器人的組成結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)方法，闡述了其功能特點(diǎn)。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)，可在消防滅火中發(fā)揮重要作用。

防爆；消防；機(jī)器人；無線通信

0 引言

機(jī)器人自上世紀(jì)60年代初問世以來，經(jīng)歷半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，已經(jīng)取得長足進(jìn)步，機(jī)器人產(chǎn)業(yè)已成為“制造業(yè)皇冠頂端的明珠”，其研發(fā)、制造、應(yīng)用是衡量一個(gè)國家科技創(chuàng)新和高端制造業(yè)水平的重要標(biāo)志。目前，世界上許多國家都在投入大量人力物力開展機(jī)器人的研究，其中包括消防機(jī)器人。1986年日本東京消防廳在滅火中首次采用了“彩虹5號”機(jī)器人，目前日本是消防機(jī)器人應(yīng)用最多的國家；美國主要是以救援、滅火等智能多功能人形機(jī)器人為主，歐洲消防機(jī)器人主要是非仿人形機(jī)器人，在森林火源偵察、破拆等方面都實(shí)現(xiàn)了智能化應(yīng)用。國內(nèi)消防機(jī)器人主要以履帶式消防車為主，早在1995年我國就研制出第一臺(tái)消防滅火機(jī)器人，隨后相應(yīng)的消防機(jī)器人紛紛出臺(tái)[1,2]。由于火災(zāi)、爆炸等事故現(xiàn)場往往存在易燃易爆、有毒氣體等高危物品，要求消防機(jī)器人不但具有滅火功能，還要具備防爆功能。目前國內(nèi)可用于防爆場合的消防機(jī)器人還不多見。因此，研發(fā)成本低、功能強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的防爆消防特種機(jī)器人具有重要意義。在已有特種機(jī)器人平臺(tái)基礎(chǔ)上，研發(fā)了一款新型的防爆消防特種機(jī)器人，可用于易燃易爆、高溫、有毒作業(yè)等事故現(xiàn)場的特殊環(huán)境，是一款實(shí)用化的、專門針對火災(zāi)、爆炸等搶險(xiǎn)救援的防爆消防特種機(jī)器人裝置。

1 防爆消防特種機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

防爆消防特種機(jī)器人采用履帶式機(jī)器人平臺(tái)[3]，由防爆機(jī)器人本體、消防水炮、防爆升降裝置及遠(yuǎn)程控制箱四部分構(gòu)成，硬件組成框圖如圖1所示。

圖1 防爆消防特種機(jī)器人硬件組成

1.1 防爆機(jī)器人本體

防爆機(jī)器人本體是機(jī)器人的核心組成部分，該防爆機(jī)器人本體為整個(gè)系統(tǒng)的安裝基體，所有需隔爆的元件均安裝在機(jī)器人防爆殼體內(nèi)。防爆殼體僅在兩側(cè)減速機(jī)輸出軸設(shè)計(jì)有通孔，其余安裝孔均為盲孔，減速機(jī)出軸采用小間隙隔爆處理，使用防爆材料拼焊而成。殼體外線纜通過成熟防爆線嘴進(jìn)入接線腔，再進(jìn)入防爆殼體內(nèi)，接線腔同時(shí)承擔(dān)防爆殼體蓋板功能。防爆殼體采用隔腔設(shè)計(jì)，將電機(jī)減速機(jī)等發(fā)熱元件與電氣控制元件分開，防止發(fā)熱影響電氣性能，隔墻板起到殼體加強(qiáng)作用。

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[4]，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)，研制了新型的獨(dú)立懸掛減震系統(tǒng)。

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。防爆消防特種機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 防爆消防特種機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)

1.2 消防水炮

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)器人目前攜帶水炮的參數(shù)為：材質(zhì)：炮體：304不銹鋼，炮頭：鋁合金硬質(zhì)氧化；工作壓力：推薦12～15bar；最大流量：120L/s；最大射程：150m；旋轉(zhuǎn)角度：水平-30°～+30°，垂直0°～+85°，可設(shè)定；旋轉(zhuǎn)速度：水平24°/s, 垂直10°/s。噴水、泡沫自由切換。

1.3 防爆升降裝置

當(dāng)機(jī)器人進(jìn)入事故現(xiàn)場，采集現(xiàn)場信息時(shí)，尤其是有毒氣體，不同高度的氣體濃度不一樣，為了準(zhǔn)確采集不同高度的氣體信息，研制了一種用于消防機(jī)器人的防爆升降裝置，該裝置由防爆殼體組件、電動(dòng)升降桿組件、線纜托鏈組件和數(shù)據(jù)采集箱等組成，如圖3所示。

圖3 防爆升降裝置

防爆殼體組件具備耐爆和隔爆兩種性能，既能夠承受內(nèi)部爆炸性氣體混合物爆炸時(shí)產(chǎn)生的壓力，又能使爆炸時(shí)噴出的火焰不會(huì)引燃外部氣體，從而保證爆炸性氣體現(xiàn)場的安全。組件中的主殼體與殼蓋通過螺栓聯(lián)接在一起，形成一個(gè)平面隔爆面。打開殼蓋后，可以對電動(dòng)升降桿組件進(jìn)行安裝、調(diào)試。電動(dòng)升降桿組件由電機(jī)、傳動(dòng)齒輪、螺桿、升降桿和限位開關(guān)等組成。電機(jī)通過三級齒輪傳動(dòng)降速后傳遞給螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)，螺桿推動(dòng)安裝在螺桿上的螺母做上升或下降運(yùn)動(dòng)。在殼體的上、下限位處安裝有限位開關(guān)。線纜托鏈組件由托鏈、托鏈槽、托鏈護(hù)罩、托鏈固定板等組成。電氣設(shè)備的線纜通過托鏈約束在一起，與托鏈共同形成一個(gè)倒S形柔性隨動(dòng)線路，隨著上升和下降，線纜在托鏈槽及托鏈護(hù)罩內(nèi)做隨動(dòng)運(yùn)動(dòng)。數(shù)據(jù)采集箱內(nèi)安裝有防爆攝像機(jī)、多氣體數(shù)據(jù)采集器、拾音器和電源指示燈等。

1.4 遠(yuǎn)程控制箱

遠(yuǎn)程控制箱是消防機(jī)器人的指揮中心和控制核心，控制箱主要由：數(shù)據(jù)處理器、無線終端、顯示器和操作面板組成，如圖4所示。數(shù)據(jù)處理器為控制終端的核心，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)和控制指令的處理。操控人員通過控制面板向機(jī)器人發(fā)出指令，可遠(yuǎn)程控制機(jī)器人的行走、信息采集以及消防水炮的操作。根據(jù)現(xiàn)場情況，可控制機(jī)器人本體移動(dòng)和回轉(zhuǎn)接近目標(biāo)火源，操控消防水炮的回轉(zhuǎn)和俯仰進(jìn)行滅火，調(diào)整水炮頭伸縮實(shí)現(xiàn)柱狀水和散射水的噴水形狀變化。利用升降桿調(diào)整攝像機(jī)的高度和俯仰角度，實(shí)時(shí)觀測火場周邊環(huán)境。機(jī)器人遠(yuǎn)程控制箱通過高清無線圖傳系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)視距、非視距遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控。同時(shí)，機(jī)器人本體可將火場采集的各項(xiàng)參數(shù)、信號傳送給控制終端，以幫助操作人員進(jìn)行科學(xué)合理的操作判斷。

圖4 遠(yuǎn)程控制箱

防爆消防特種機(jī)器人控制系統(tǒng)框圖如圖5所示。

2 防爆消防特種機(jī)器人功能

研發(fā)的防爆消防特種機(jī)器人具備如下功能特點(diǎn)：

1）采用履帶式載體機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，負(fù)載能力大，越障能力強(qiáng)，適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境；

2）機(jī)器人本體采用防爆、防水設(shè)計(jì)，尤其適用于石化、燃?xì)獾纫妆h(huán)境；

圖5 防爆消防特種機(jī)器人控制系統(tǒng)框圖

3）低重心穩(wěn)定布局設(shè)計(jì)，獨(dú)立懸掛減震系統(tǒng)；

4）移動(dòng)速度快，機(jī)動(dòng)性強(qiáng)，速度可調(diào)，可爭取寶貴的救援時(shí)間；

5）采用最先進(jìn)的無線通訊技術(shù)，通訊距離遠(yuǎn)、抗干擾性強(qiáng)；

6）模塊化設(shè)計(jì)，擴(kuò)展方便，可以搭載各種探測設(shè)備滿足不同現(xiàn)場需要；

7）高清無線圖傳系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)視距、非視距遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控；

8）雙水帶供水，具有防水帶打結(jié)設(shè)計(jì)、噴水、泡沫自由切換；

9）具備自動(dòng)升降平臺(tái)，環(huán)境探測傳感器和攝像頭可自動(dòng)升降；

10）高能量密度鋰電池供電，可充可換；

11）后坐力自動(dòng)抑制。

3 結(jié)束語

本防爆消防特種機(jī)器人已在全國多地參加了消防滅火實(shí)戰(zhàn)演練和實(shí)際滅火任務(wù)，不僅在多個(gè)消防支隊(duì)完成列裝，參與到日常消防演練和后勤工作當(dāng)中，而且還臨危受命，參加了物流公司倉儲(chǔ)中心失火等火場的搶險(xiǎn)救援，替代消防官兵進(jìn)入火災(zāi)現(xiàn)場偵察、搜救、滅火，最大限度地降低了生命財(cái)產(chǎn)損失。應(yīng)用表明該消防機(jī)器人在實(shí)際滅火和滅火演練中發(fā)揮了重要作用，實(shí)用性強(qiáng)，不但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] 黨海昌.消防機(jī)器人在我國滅火救援中的應(yīng)用現(xiàn)狀和前景分析[J].消防技術(shù)與產(chǎn)品信息.2016(3):69-71.

[3] 張樹生,裴文良,孫寧,等.消防滅火偵察機(jī)器人的研制與應(yīng)用[J].制造業(yè)自動(dòng)化.201638(6):55-58.

[4] 薛曉東.滅火救援實(shí)戰(zhàn)中消防機(jī)器人技術(shù)的研究[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用.2016(33):297-297.

Research and application of explosion-proof fire-fighting robots

PEI Wen-liang, LU Wen-tao, GUO Ying-yan, CAI Hai-ting, CHEN Jin-shan

TP242

：A

1009-0134(2017)07-0073-03

2017-05-27

裴文良（1975 -），男，河北唐山人，高級工程師，本科，研究方向?yàn)榈V山機(jī)械設(shè)備、自動(dòng)化電子設(shè)備及產(chǎn)品設(shè)計(jì)、研發(fā)。