基于麥克納姆輪的全方向移動消防偵查機器人概念設計

嚴陳凱　杜玉　伍智泓

關鍵詞：麥克納姆輪;消防偵查機器人;全向移動;智能化

中圖分類號：TB472 文獻標識碼：A

文章編碼：1672-7053（2022）06-0158-03

服務機器人指從事生產的設備外，能半自主或全自主完成有益于人類服務工作的機器人，智能化是服務機器人的主要發展方向[1]。消防機器人作為特種服務機器人，可在特殊環境下執行災情偵察、火源撲滅、人員搜救等任務[2]。時下我國經濟迅猛發展，城市化日益加速，城市環境和建筑結構愈發復雜，社會生產生活中的火災隱患增多，危險品泄漏、燃燒、爆炸等事故也時有發生。火災情況險象環生，消防隊員與被困人群同樣面臨生命危險，為提高救援效率和質量，消防機器人的發展已成為大勢所趨。技術驅動創新，目前消防機器人在基本功能和技術實現方面已逐步完善，其在復雜險情中的應用也體現出“以人為本”的價值精神[3]。伴隨人工智能和互聯網技術的不斷深入，消防機器人的未來發展將如何與時俱進，如何從工業設計角度提出更加精準的定位設計，是值得持續探討的話題。

1消防機器人發展現狀與未來發展方向

1.1消防機器人代替人類工作的情況日益普遍

消防機器人屬于特種機器人范疇，能夠代替消防人員進入高溫、濃煙、缺氧、有毒、狹小空間等火災現場，開展火場偵查任務，完成偵測破拆、滅火排煙、搜尋救人、滅火排煙等工作，既能保護消防人員的人身安全，又能提高事故發生后的消防救援能力和效率[4]。由于其依托日趨完善的機器人研發技術，具有愈發精準的自控制系統，搭載芯片的智能水準飛躍式提升，可以代替消防人員深入爆炸區域及火場，應對高危環境下的特殊緊急險情，近年來越來越受到各國研發人員的重視，得到迅速發展。

相較人工救援，機器人在消防領域具備得天獨厚的工作優勢，可以輔助消防官兵完成特殊環境下的救援任務，保障公共安全。從實際運用情況來看，消防機器人主要分為火場偵察機器人、滅火機器人、排煙機器人、危險物品泄漏探測機器人以及多功能消防機器人等，可以通過自適應、線控和無線遙控等方式進行操控[5]。

1.2我國消防機器人發展現狀

我國消防類特種機器人起步較晚，研發及生產落后于美、日和歐洲較多，且目前國內自主研發機器人，如“JMX-LIT50”履帶式機器人等仍有價格高、數圖傳距短、遠傳圖像不清晰、移動平臺體積大、重量沉，無法進入狹小通道等問題[6]，智能消防救援裝備的研制在我國火災救援領域仍有較大進步空間。

由于我國當前研究成果較少，成品主要依賴進口，成本較高，目前普及程度十分有限。除受技術和成本限制外，現有消防機器人操控難度較高，功能相對單一，行進受限較多，信號干擾嚴重，配合較少，未成體系，在真正的消防工作中尚難發揮實踐價值，目前在我國僅多用于預防演習和宣傳活動。

1.3未來消防機器人的研發方向

消防機器人作為一種非生命的載體，可以代替消防人員深入危險區域，完成探測偵查和滅火施救。其在保證救災人員的安全下的同時可以安全有效地對現場資料進行收集反饋，幫助消防人員在短時間內掌握火情，制定滅火救援計劃，提升救援效率，爭取寶貴時間。長遠來看，智慧化機器人的數據收集和記錄，有助于后續技術人員研究救援技術，優化救援流程，改良救援產品，實現持續良性發展。

未來消防機器人將朝著功能多樣化、設備輕量化、與信息技術相結合、與人機交互技術相結合、與人工智能相結合等方向快速發展。無論未來無論機器人技術如何發展，消防機器人的設計都必須從實際滅火救援的角度出發，滿足消防部隊的實際需要，這樣才能激發其在實際應用中的實力與潛力，逐步取代人力，在救援過程中發揮關鍵的作用。

具體來說，未來消防機器人的研發方向將會體現在以下幾個方面。未來的消防機器人將集多種功能于一身，優化現有技術，使其不只是單一功能型機器人，而可以適配多種火場險情。機器人的輕量化設計將成為趨勢，其依托材料科學的發展，一方面減少能源損耗，延長待機時間，另一方面也使其更加靈活于穿梭在狹小火場展開救援。借助5G通信技術，未來的消防機器人將依托遠程控制中心，將現代化技術、材料與消防機器人相結合，添加電子技術、傳感元件、可視化技術等，實現更為靈活的指揮與操控，提升消防救援的整體作戰能力。機器人設計中引入VR等現代技術的人機交互模式，可以為操作者提供火災現場高度真實的實況模擬，從而提前完成救援預測與研判，減少失誤。而發展人工智能，可以在人力無法企及的情況下，引導機器人自主應對非結構化陌生現場，完成地圖構建、主動識別障礙物、自主評估風險、實現路徑規劃、實現自主作戰。

2麥克納姆輪在消防機器人中的應用優勢

麥克納姆輪是一種可全方位移動的全向輪，是瑞典麥克納姆公司的專利。麥克納姆輪由輪轂和圍繞輪轂的輥子組成，麥輪輥子軸線和輪轂軸線夾角成45°，在輪轂的輪緣上斜向分布著許多小輪子，即輥子，故輪子可以橫向滑移。輥子是一種沒有動力的小滾子，小滾子的母線很特殊，當輪子繞著固定的輪心軸轉動時，各個小滾子的包絡線為圓柱面，所以該輪能夠連續地向前滾動，由4個這種輪加以組合，可以使機構實現全方位移動功能[7]。

由于麥克納姆輪結構緊湊、運動靈活，能夠實現機器人前行、橫移、斜行、旋轉及其組合運動方式，并適應多種地形，非常適合在空間有限、作業通道狹窄的火場環境中行進。若將麥克納姆輪進行履帶化設計，可以使其在擁有良好靈活性的同時擁有更好的通過性，適應更為復雜的地表情況。如能搭載雙叉臂獨立懸架結構的避震系統，更可增加機器人的穩定性與可靠性，擁有更好的越障與運輸重載能力。

3基于麥克納姆輪的消防機器人模塊設計分析

3.1麥克納姆輪與消防模塊設計分析

基于麥克納姆輪結構的消防機器人可具備適應性強、移動便捷的特征，機器人可以良好地適應復雜的工作環境，可搭載多種感應元件與偵查攝像頭，識別和測量周圍物體，實現現場偵測與人員搜尋。機器人亦可配備機械臂、全方位水槍等裝備模塊，根據現場情況開展障礙破除和緊急撲救。模塊化設計有助于拆卸、維修、原料填充和設備升級，可使機器人適應性更強，靈活度更高，且延長使用壽命，提升工作效率。未來基于互聯網技術和人工智能的發展，在成本允許的情況下，還可將研發重點轉移到自動化和智能化達成上，為設備添加視覺避障、生命檢測、火情評估等功能，使其可以根據工作任務和周圍環境的情況，結合已有的機械設備和工作能力，確定自己的工作步驟和工作方式，實現在沒有操作人員的情況下自主救援，贏得時間，挽救生命和財產。

3.2消防機器人部分模塊概念設計分析

除移動行進機構外，針對消防機器人的工作性質和工作環境，基于現有的技術水平和元件發展，以下從中央控制、機械臂、感應系統、減震裝置等幾個模塊對其進行概念設計分析。

3.2.1中央控制模塊概念設計分析

控制系統是機器人的核心，其集中管理和控制行進中的機器人，以實現既定的性能指標。考慮到消防機器人是在火災環境這樣的高溫條件下工作，其主體控制模塊應選擇耐高溫的機構搭載。目前市面上多種單片機機構已可以實現高溫條件下的穩定工作，加之防火耐高溫材料的發展，未來的消防機器人控制系統勢必確保惡劣火場環境下其自身設備的正常運轉。

3.2.2機械臂模塊概念設計分析

消防機器人的機械臂是保證滅火供水穩定的關鍵，機械臂的設計應朝著抗壓、強結構、耐腐蝕、靈活便攜等方向努力，保證其在供料過程中可以穩定支撐燃料管工作，可以精準噴射滅火材料。機械臂的結構形態應盡可能體現一體化設計，優化內部電機、轉軸及電路系統，提升抗環境干擾能力，實現模組化，方便維修和更換。

3.2.3感應系統模塊概念設計分析

感應系統是機器人檢測火場情況，提供即時反饋，保障操作者人員實施交互作業的媒介。目前電子市場已能找到較多模塊傳感器組合體，可實現檢測溫濕度、煙霧程度和火焰光線，亦可檢測到由各種燃燒生成物、中間物、高溫氣體、碳氫物質以及無機物質為主體的高溫固體微粒，這些模塊組件的使用將會為后期設計提供基礎。感應系統應盡可能搭載智能化和精準化檢測模塊，除提供現場環境監測外，還可提供現場語音交互和逃生路線指引。從設計心理學的角度出發，感應系統可幫助消防機器人第一時間掌握火場受害者情形，輔助聲光系統則有利于安撫驚慌失措的人群情緒，扮演“救命稻草”角色，提供科學安全的疏散指導方案。

3.2.4減震模塊概念設計分析

機器人的減震裝置設計，應確保機器人適應坍塌等惡劣地形，在工作運動過程中避免機身傾覆和劇烈晃動。目前市面上的高彈性減震器已經具備體積小、重量輕、易安裝、適配行強的特點，基本可以保證車身在不同探測場合的行進穩定性。介于消防機器人的特殊服務環境，為保護其主體部分不受損壞，造型設計中可增設專用保險杠，在發生碰撞時進一步減少核心元件的損害程度。

4全方向移動消防偵查機器人概念設計

基于上述分析，文章提出了基于麥克納姆輪機構的全方向移動消防偵查機器人概念設計方案：方案機器人以偵查功能為主，其對于不同環境的適應性強，可利用麥克納姆輪結構和減震系統實現全地形自主通過;機器人搭載前置攝像頭和搜索模塊，可識別火情和生命痕跡;配備機械臂和供料管，可引導后方高壓水槍實施救援。方案展示如圖1所示。

方案中，消防機器人各功能模塊設定如下：

控制系統模塊選擇抗高溫的單片機作為主體核心，通過控制各個感應裝置的信息傳達狀態確保消防機器人能高效工作。各傳感器能準確感應受災狀況并及時反饋給中央控制系統，結合智慧化操作系統，可自主或半自主地給出及時高效的最佳應對選擇。

機械臂模塊采用連桿機構，制造容易，傳遞載荷大，并可以實現急回運動。機械臂前端采用齒輪嚙合傳動，能夠有效地保證傳動的精確度和足夠的力矩。在機器人遇到障礙物難以通過或救助人員受到重物積壓時，機械手臂可以精準抓取重物完成工作目標，清除障礙提高救援速度。機械臂兩側配置高壓消防水槍，水通過水泵吸入經壓縮后流經水管，最后經水槍射出，水槍通過控制出水嘴的流量來控制水的分散大小，實施滅火。機器人的主水槍選用消防專用的多用途水槍，既可以噴射直流射流，又可噴射霧狀射流，并可以噴射干冰、干粉等滅火噴霧，幾種模式可以互相交換組合使用，機動性好，對火場適應性好。

彈簧減震模塊設置于機器人后輪部分，使得其在遇到障礙物或臺階時，可以有效提升穩定性、增強避震效果，以提升其在復雜地形環境下的越障能力。因機器人的底盤位置較低，底盤架采用連桿機構連接前后輪，保證機器人運動靈活，實現全方位移動通過性。

綜合來看，理想狀態下的消防機器人可匹配智慧化交互模式，實現遠程操控和自主行動。其主要操控方式為操作員通過VR眼鏡實施觀察，利用操作臺實施控制：麥克納姆輪可使機器人進行全方向靈活移動，前LED大燈照明前方道路，便于觀察及行進;多傳感器實時對火場情況進行測繪，將火場情況、數據信息通過5G傳輸到控制中心;機器人亦可自主搜尋待救人員，研判火場溫度、火焰強度及煙塵情況，可自主選擇行進方向并主動避障;如遇障礙物需要暴力破除，可使用上方機械臂配合攝像頭觀測完成快速拆除;如需救火，其搭載的高壓水槍可在指揮臺控制下完成精準噴射。部分滅火作業場景模擬如圖2所示。

在尺寸設定方面，消防機器人整體長900mm，寬720mm，高900mm—1200mm可伸縮調節。配備的可替換機械臂能夠實現水平方向360°旋轉垂直方向120°轉動，確保消防機器人四周火情能及時控制，工作范圍全面。偵查模塊位于主體前上方，可實現360°全方位轉動與上下50mm范圍移動，具備良好的觀測視野，確保工作人員在后臺對探查范圍及時做出反應，如圖3所示。機器人可搭載φ150mm直徑高壓水槍，匹配多種滅火材料以適應不同火場環境。機器人底盤自重約800kg，設計載重為350kg。

材質選擇上，因消防機器人一般會在石化場所、煤氣泄漏現場或其他火災狀況惡劣的高危環境中工作，需要保障其具備一定防爆能力，該消防機器人的主體材料選用304不銹鋼、合金鋼板、鍍鋅管等，防爆強度高且耐腐蝕性強。表面采用噴塑處理，為紅加黑磨砂質感，符合消防裝備的整體色調。麥克納姆輪機構采用內嵌凱夫拉纖維材質的優質橡膠，具有良好的柔韌性，更加靈活機動。

產品語意表達方面，此機器人設計以中國紅為主色調，黑色作為底色，取名為“碧血丹心”，體現其為消防事業奮斗到底的進取精神。色彩表達中，黑色代表質地堅硬，穩固可靠，并體現高科技感。而紅色醒目張揚，飽含熱情，匹配傳統消防認知，融入人文考量，賦予該機器人明確的功能定位。機器人整體色彩鮮明大氣，彰顯出現代感和設計感。

5結語

火災的發生對社會危害巨大，火災救援亦是對消防系統設備配置、人員素質、政策意識等的重大考驗，是對遇險人員和消防官兵人身安全的重大威脅。時下城市建筑結構日益復雜，滅火救援難度增大，隨著機器人技術的完善和普及，智能化消防設備發展已成為趨勢，將會愈加擁有其實用價值。文章是對智慧化消防設備的設計探討，旨在探索科技化背景下消防機器人的研發走向和功能特征，力求運用科技成果保障社會財產和人身安全。文中所給出的設計方案還屬于概念化探索階段，僅提供一個可行的設計思路，長期的規劃和研發還有很多具體內容有待進一步研討。