應(yīng)急消防機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計

李梓鋮 王田怡 臧志

摘 要 在日常生活中，火災(zāi)對我們有著很大的威脅。火災(zāi)的特點(diǎn)是發(fā)生頻率高、突發(fā)性強(qiáng)、破壞性大。在火災(zāi)救援的過程中，空氣中會產(chǎn)生煙霧、有害氣體，這些惡劣的條件給救災(zāi)人員帶來了很多的困難。隨著科技的不斷進(jìn)步，消防機(jī)器人成為了一個新興而富有挑戰(zhàn)的科研領(lǐng)域。本文主要講述一種火災(zāi)探測機(jī)器人的功能和其控制臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計。

關(guān)鍵詞 火災(zāi) 消防 機(jī)器人 控制臺

中圖分類號：TP242 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-0745（2021）11-0005-03

隨著科技的發(fā)展和時代的進(jìn)步，機(jī)器人開始與各行各業(yè)進(jìn)行有效的結(jié)合，消防機(jī)器人也隨之而生。消防機(jī)器人的存在，大大提高了救援的效率，保護(hù)了受害者與消防員的生命安全。

1 消防機(jī)器人的現(xiàn)狀

1.1 消防機(jī)器人的背景

隨著社會經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，高樓、地鐵、石油化工企業(yè)等不斷增加，使火災(zāi)、爆炸、燃燒等相關(guān)事件的數(shù)量，救援難度，危險系數(shù)急劇增加。因此，需要對事故現(xiàn)場的環(huán)境提前進(jìn)行勘察、分析、反饋，保障消防官員的人身安全問題刻不容緩，而無生命損傷、可重復(fù)利用率高的特種機(jī)器人——消防機(jī)器人就此應(yīng)運(yùn)而生。

1.2 消防機(jī)器人的主要類型

當(dāng)今，市面上流通的消防機(jī)器人按功能可分為滅火機(jī)器人、火場偵察機(jī)器人、危險物品泄露探測機(jī)器人、破拆機(jī)器人、救人機(jī)器人、多功能消防機(jī)器人等，[1]其中火場偵察機(jī)器人作為消防行動的先行者，將為消防員提前偵察火災(zāi)現(xiàn)場，盡可能的規(guī)避危險，大大減少消防員的傷亡率，為提高消防救援的速度做出了不可磨滅的貢獻(xiàn)。

1.3 消防機(jī)器人控制臺的類型

目前市場上用于人機(jī)交互領(lǐng)域的控制器種類有無線手柄、鍵盤鼠標(biāo)、無線搖桿控制器。手柄的特點(diǎn)如下：手柄的按鍵較為集中，可以充分發(fā)揮手的靈活性;體積較小，方便攜帶，適應(yīng)性強(qiáng)，很適合單人車載機(jī)器人的控制工作;操作簡單，容易上手，熟練度高。

2 控制臺的研究過程

2.1 消防機(jī)器人研究過程

本文所設(shè)計的消防機(jī)器人具有防水防爆耐高溫的功能，主要由移動系統(tǒng)、環(huán)境檢測系統(tǒng)、電源系統(tǒng)組成。[2]

移動系統(tǒng)：為滿足消防機(jī)器人在狹窄樓道的通過能力，提高消防機(jī)器人躲避障礙物的靈活度，消防機(jī)器人采用履帶式移動底盤，在保證速度的情況下，采用緊湊型設(shè)計，提高消防機(jī)器人的路面適應(yīng)能力。

環(huán)境勘探系統(tǒng)：機(jī)器人的圖像傳輸包括前后兩個攝像頭，分別位于機(jī)器人的前后兩端，輔助小車的正常行駛。本次設(shè)計的傳感器包括紅外火焰?zhèn)鞲衅鳎饕杉t外敏感元件構(gòu)成。可以通過不同的紅外波長，反映火災(zāi)溫度。消防機(jī)器人還配置多種傳感器，機(jī)器人將收集到的各類環(huán)境數(shù)據(jù)（氧氣濃度、風(fēng)向等）與圖像實(shí)時反饋至數(shù)據(jù)分析平臺及顯示屏上。[3]

消防機(jī)器人工作流程：（1）由操作人員在安全區(qū)域內(nèi)打開機(jī)器人電源，通過操作臺傳達(dá)運(yùn)輸指令，加速進(jìn)入消防現(xiàn)場;（2）抵達(dá)消防現(xiàn)場后，減速慢行，將火災(zāi)圖像實(shí)時傳遞至顯示屏上;（3）消防機(jī)器人通過探測各類數(shù)據(jù)，傳至分析平臺，由分析平臺預(yù)測未來火勢走向，再傳至顯示屏上（如圖 1所示）。同時，分析平臺還會利用這些

數(shù)據(jù)分析機(jī)器人的最佳救援途徑，確保救援效率（如圖2所示）;（4）當(dāng)機(jī)器人發(fā)現(xiàn)疑似人形物體時，將自動標(biāo)記，并使操作臺發(fā)生震動，改變救援路線;（5）機(jī)器人到達(dá)被困者處，由操作員進(jìn)行對話，對于有自主行動能力的被困者，機(jī)器人將指引正確的路徑，幫助逃生;對于有意識但無行動能力的被困者，操作人員將通過通訊裝置安撫情緒，同時通知消防員趕到;對于無意識的被困者，操作人員通過通訊裝置通知消防員立即救助。

2.2 控制臺的研究過程

2.2.1 控制臺的材料說明

控制臺外殼采用具有一定的韌性，抗腐蝕性能好，加工產(chǎn)品表面光潔的ABS樹脂時，手持部分用小圓點(diǎn)增加摩擦力;內(nèi)部按鈕需要高頻率使用，因此采用不易折斷且具有較高的彈性、耐熱性好、拉伸強(qiáng)度高的硫化橡膠;外部按鈕采用PC塑料，沖擊強(qiáng)度高，尺寸穩(wěn)定性和耐磨性較好。背面采用磨砂噴涂，在確保手感的同時還能有效防滑。而符合人體工程學(xué)的螺紋指槽位，在確保舒適的同時，在一定程度上也能緩解操作者疲勞。在救援過程中如果發(fā)生電源不足的情況，可通過頂部的type-c接口，進(jìn)行充電使用。

2.2.2 控制臺的鍵位功能分析

功能分析如下：

左搖桿：控制消防機(jī)器人的移動。

右搖桿：控制攝像頭的移動。

十字鍵：切換不同的視角傳至主界面。

電源顯示鍵：當(dāng)手柄處于開啟狀態(tài)時，指示燈就會發(fā)光，電源充足時發(fā)綠光，電量不足一半時發(fā)黃光，電量不足百分之二十時發(fā)閃爍紅光，提醒充電。

左前按鈕：負(fù)責(zé)與被困人員通話，第一次按下時，消防機(jī)器人將重復(fù)播放“有人嗎”，第二次按下時，將建立與被困人員的對話聯(lián)系;第三次按下時，語音將關(guān)閉。

右前按鈕：加速鍵，按下時消防機(jī)器人將持續(xù)加速，松開按鈕將維持最后速度前行。

左扳機(jī)：確認(rèn)鍵，與十字鍵配合使用，只有按下左扳機(jī)屏幕才會發(fā)生相對應(yīng)的變化。

右扳機(jī)：減速鍵，按下時消防機(jī)器人將持續(xù)減速，松開按鈕后將維持最后的速度前行。

綠鍵：放大鍵，界面放大，按一下在最原始基礎(chǔ)上放大30%。

紅鍵：縮小鍵，界面縮小，按一下在最原始基礎(chǔ)上縮小30%。

藍(lán)鍵：對話鍵，第一次按下時，將建立與消防員的對話，指引消防員至被困者附近;第二次按下時，語音將關(guān)閉。

2.3 控制臺按鍵的研究分析

將電源顯示按鈕放中間可以讓操作者在一開始就對手柄的電量做一個初步的判斷。

對于大多數(shù)人而言，右手是習(xí)慣用手，右手會顯得更加靈活，所以將想要長時間操作的移動功能放到右邊，同時搖桿本身就不會讓操作者的手指做出高強(qiáng)度的運(yùn)動，給人體帶來的肌肉疲勞度小，對人體工學(xué)的要求低，對于操作者而言，移動用右搖桿控制，會更加的輕松，也可以更靈活的控制機(jī)器人的移動。

加速、減速過程中需要一直按鍵，因?yàn)橛沂质种副茸笫质种父辛猓詫u桿放右邊，使操作者只需用到左大腦，起到緩解疲勞的作用。

左手大拇指的快捷移動區(qū)域是左上方和右方，所以把移動攝像頭的功能與切換屏幕的功能放在右搖桿對稱點(diǎn)的左上方與右方。移動攝像頭的要求比較靈活，所以采用搖桿結(jié)構(gòu)，相比切換屏幕而言移動攝像頭的頻率較高，所以放在左上方。

由于放大縮小的功能只有在切換屏幕的時候才能用到，放在右邊可以充分利用左右大腦，更加方便。

在使用對話按鈕的時候，都是在發(fā)現(xiàn)人的時候下，這時候機(jī)器人需要大幅度的移動和小部分的視角移動。如果對話按鈕放右邊，會影響機(jī)器人的靈活移動。

確認(rèn)鍵的使用頻率小，為了符合對稱美，將確認(rèn)鍵放到了左邊。

2.4 控制臺的尺寸分析

參考《中國成年人人體尺寸（GB/T 10000-1988）》中手的規(guī)格，綜合來說，我們設(shè)計手柄的規(guī)格為165*115*70（單位為毫米）。

右搖桿是由右手的大拇指來控制的，它的面積要大于拇指指甲蓋的面積，我們設(shè)計它的直徑為14毫米，搖桿底盤的直徑比按鈕的直徑要大，設(shè)為24毫米。右手的操作較為頻繁，拇指擺動的幅度較大，所以將這個按鈕放在偏右下方的位置。按鈕的圓心到手柄右下角的距離為大拇指的長度再加30毫米，約為78毫米，與水平方向呈40度角，它的厚度為10毫米。

左搖桿是由左手的大拇指來控制的，它與右搖桿的大小、厚度一樣。按鈕的圓心到手柄左下角的距離為78毫米，與垂直方向呈20度角。

十字中心鍵的長度和寬度一樣，為20毫米。這個按鈕的中心與右搖桿的圓心關(guān)于手柄對稱，按鈕的中心到手柄左下角的距離也為78毫米，與水平方向呈40度角，厚度為3毫米。

手柄正中央的按鈕的直徑為22毫米，它的圓心到底邊的距離為72毫米。

右上角三個小圓鍵的直徑為10毫米，它們的圓心連接到一起可以組成一個等邊三角形，這個等邊三角形的中心到手柄右下角的距離約為85毫米，與水平方向呈60度角。它的厚度為3毫米。

手柄前面的四個按鈕分成了兩排，關(guān)于手柄的中心對稱。按鈕的中心到手柄前面中軸線的距離為30毫米，厚度均為3毫米。第一排的按鈕是由兩個食指來控制的，按鈕的寬度近似食指的寬度為12毫米，長度為40毫米。第二排的按鈕是由兩個中指來控制的，寬度為30毫米，長度為12毫米，這兩排按鈕的間距約為10毫米。

3結(jié)語

救援人員在進(jìn)行救災(zāi)的過程中會遇到很多的困難，也會面臨著付出生命的代價。消防機(jī)器人在一定程度上可以協(xié)助救援人員進(jìn)行救災(zāi)，提高救災(zāi)效率，降低他們的風(fēng)險。隨著科技的不斷進(jìn)步，消防機(jī)器人在救災(zāi)的領(lǐng)域也會不斷地創(chuàng)新、突破。

參考文獻(xiàn)：

[1] 胡傳平.面向新世紀(jì)的我國消防機(jī)器人展望[J].消防科學(xué)與技術(shù)，1999（04）：57-58，4.

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[3] 張偉，阮鵬程，徐岳，張茂春，于檸源，王海磊.變電站消防機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計[J].消防科學(xué)與技術(shù)，2020，39（09）：1301-1303.