防爆消防特種機器人研發(fā)及應用

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）

防爆消防特種機器人研發(fā)及應用

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?；馂默F(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器人裝置，詳細介紹了防爆消防特種機器人的組成結(jié)構(gòu)和實現(xiàn)方法，闡述了其功能特點。實際應用表明，該機器人功能全面、性能穩(wěn)定、實用性強，可在消防滅火中發(fā)揮重要作用。

防爆；消防；機器人；無線通信

0 引言

機器人自上世紀60年代初問世以來，經(jīng)歷半個多世紀的發(fā)展，已經(jīng)取得長足進步，機器人產(chǎn)業(yè)已成為“制造業(yè)皇冠頂端的明珠”，其研發(fā)、制造、應用是衡量一個國家科技創(chuàng)新和高端制造業(yè)水平的重要標志。目前，世界上許多國家都在投入大量人力物力開展機器人的研究，其中包括消防機器人。1986年日本東京消防廳在滅火中首次采用了“彩虹5號”機器人，目前日本是消防機器人應用最多的國家；美國主要是以救援、滅火等智能多功能人形機器人為主，歐洲消防機器人主要是非仿人形機器人，在森林火源偵察、破拆等方面都實現(xiàn)了智能化應用。國內(nèi)消防機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消防滅火機器人，隨后相應的消防機器人紛紛出臺[1,2]。由于火災、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器人還不多見。因此，研發(fā)成本低、功能強、經(jīng)濟實用的防爆消防特種機器人具有重要意義。在已有特種機器人平臺基礎上，研發(fā)了一款新型的防爆消防特種機器人，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，是一款實用化的、專門針對火災、爆炸等搶險救援的防爆消防特種機器人裝置。

1 防爆消防特種機器人結(jié)構(gòu)設計

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

1.1 防爆機器人本體

防爆機器人本體是機器人的核心組成部分，該防爆機器人本體為整個系統(tǒng)的安裝基體，所有需隔爆的元件均安裝在機器人防爆殼體內(nèi)。防爆殼體僅在兩側(cè)減速機輸出軸設計有通孔，其余安裝孔均為盲孔，減速機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入接線腔，再進入防爆殼體內(nèi)，接線腔同時承擔防爆殼體蓋板功能。防爆殼體采用隔腔設計，將電機減速機等發(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作用。

機器人行走機構(gòu)主要有:輪式、腿式、輪腿式和履帶式等[4]，由于火災現(xiàn)場地面情況復雜而且在噴水作業(yè)時機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度和韌度。為保證機身行走平穩(wěn)，研制了新型的獨立懸掛減震系統(tǒng)。

由于對機器人的負載能力要求較高，設計中使用了大功率驅(qū)動裝置，以增加拖拽消防水帶的動力。防爆消防特種機器人整體結(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備，可根據(jù)需要選用不同類型的消防水炮，本機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

當機器人進入事故現(xiàn)場，采集現(xiàn)場信息時，尤其是有毒氣體，不同高度的氣體濃度不一樣，為了準確采集不同高度的氣體信息，研制了一種用于消防機器人的防爆升降裝置，該裝置由防爆殼體組件、電動升降桿組件、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產(chǎn)生的壓力，又能使爆炸時噴出的火焰不會引燃外部氣體，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，形成一個平面隔爆面。打開殼蓋后，可以對電動升降桿組件進行安裝、調(diào)試。電動升降桿組件由電機、傳動齒輪、螺桿、升降桿和限位開關(guān)等組成。電機通過三級齒輪傳動降速后傳遞給螺桿轉(zhuǎn)動，螺桿推動安裝在螺桿上的螺母做上升或下降運動。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、托鏈護罩、托鏈固定板等組成。電氣設備的線纜通過托鏈約束在一起，與托鏈共同形成一個倒S形柔性隨動線路，隨著上升和下降，線纜在托鏈槽及托鏈護罩內(nèi)做隨動運動。數(shù)據(jù)采集箱內(nèi)安裝有防爆攝像機、多氣體數(shù)據(jù)采集器、拾音器和電源指示燈等。

1.4 遠程控制箱

遠程控制箱是消防機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，負責數(shù)據(jù)和控制指令的處理。操控人員通過控制面板向機器人發(fā)出指令，可遠程控制機器人的行走、信息采集以及消防水炮的操作。根據(jù)現(xiàn)場情況，可控制機器人本體移動和回轉(zhuǎn)接近目標火源，操控消防水炮的回轉(zhuǎn)和俯仰進行滅火，調(diào)整水炮頭伸縮實現(xiàn)柱狀水和散射水的噴水形狀變化。利用升降桿調(diào)整攝像機的高度和俯仰角度，實時觀測火場周邊環(huán)境。機器人遠程控制箱通過高清無線圖傳系統(tǒng)，實現(xiàn)視距、非視距遠程實時視頻監(jiān)控。同時，機器人本體可將火場采集的各項參數(shù)、信號傳送給控制終端，以幫助操作人員進行科學合理的操作判斷。

圖4 遠程控制箱

防爆消防特種機器人控制系統(tǒng)框圖如圖5所示。

2 防爆消防特種機器人功能

研發(fā)的防爆消防特種機器人具備如下功能特點：

1）采用履帶式載體機構(gòu)設計，負載能力大，越障能力強，適應復雜環(huán)境；

圖5 防爆消防特種機器人控制系統(tǒng)框圖

2）機器人本體采用防爆、防水設計，尤其適用于石化、燃氣等易爆環(huán)境；

3）低重心穩(wěn)定布局設計，獨立懸掛減震系統(tǒng)；

4）移動速度快，機動性強，速度可調(diào)，可爭取寶貴的救援時間；

5）采用最先進的無線通訊技術(shù)，通訊距離遠、抗干擾性強；

6）模塊化設計，擴展方便，可以搭載各種探測設備滿足不同現(xiàn)場需要；

7）高清無線圖傳系統(tǒng)，實現(xiàn)視距、非視距遠程實時視頻監(jiān)控；

8）雙水帶供水，具有防水帶打結(jié)設計、噴水、泡沫自由切換；

9）具備自動升降平臺，環(huán)境探測傳感器和攝像頭可自動升降；

10）高能量密度鋰電池供電，可充可換；

11）后坐力自動抑制。

3 應用效果

本防爆消防特種機器人已在全國多地參加了消防滅火實戰(zhàn)演練和實際滅火任務，不僅在多個消防支隊完成列裝，參與到日常消防演練和后勤工作當中，而且還臨危受命，參加了物流公司倉儲中心失火等火場的搶險救援，替代消防官兵進入火災現(xiàn)場偵察、搜救、滅火，最大限度地降低了生命財產(chǎn)損失。應用表明該消防機器人在實際滅火和滅火演練中發(fā)揮了重要作用，實用性強，不但保證了消防人員的人身安全，提高了滅火效率，同時也提高了消防技術(shù)水平，帶來了顯著的經(jīng)濟社會效益。

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

[2] 黨海昌.消防機器人在我國滅火救援中的應用現(xiàn)狀和前景分析,消防技術(shù)與產(chǎn)品信息[J].2016(3):69-71.

[3] 張樹生,裴文良,孫寧,等.消防滅火偵察機器人的研制與應用,制造業(yè)自動化[J].2016 38(6):55-58.

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

Research and application of explosion-proof fi re- fi ghting robots

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

TP242

：A

：1009-0134(2017)08-0064-04

2017-05-27

裴文良（1975 -），男，河北唐山人，高級工程師，研究方向為礦山機械設備、自動化電子設備及產(chǎn)品設計、研發(fā)。