懸掛式隧道消防機器人結構設計及運動學分析

洪曉宇

摘? 要：針對隧道內發生火災時消防人員無法快速進入內部實施救援的問題，設計一種新型懸掛式隧道消防機器人，并對所設計的機器人進行了運動學仿真和關鍵部位的有限元分析。采用紅外成像技術，結合溫度傳感器以及煙霧傳感器，可實現火點自動探測及火源自動捕捉。通過無線通信技術將內部信息向外界實時傳輸，為消防人員快速制定消防策略提供了有力的依據。此外，該機器人設置有消防水炮，能及時對火點進行有效控制，防止火情進一步擴大，提高了滅火效率，可有效保護消防人員和受災群眾的生命財產安全。

關鍵詞：消防機器人；結構設計；運動學分析

中圖分類號：TP242? 文獻標識碼：A? 文章編號：2096-4706（2023）15-0162-04

Structural Design and Kinematic Analysis of Hanging Tunnel Fire Fighting Robot

HONG Xiaoyu

（Beijing Haidian District Fire Rescue Detachment， Beijing? 100080， China）

Abstract： In order to solve the problem that firefighters cannot enter the tunnel quickly when fire breaks out in the tunnel， a new type of hanging tunnel fire fighting robot is designed. Kinematics simulation and finite element analysis of key parts of the robot are carried out. Using infrared imaging technology， combined with temperature sensor and smoke sensor， it can realize automatic fire detection and automatic fire source capture， and transmit internal information to the outside world in real time through wireless communication technology， which provides strong basis for firefighters to quickly develop fire strategies. The robot is equipped with fire water cannon， which can effectively control the fire point in time， prevent the fire situation from further expanding， improve the fire extinguishing efficiency， can effectively protect the lives and property safety of firefighters and disaster victims.

Keywords： fire fighting robot; structural design; kinematic analysis

0? 引? 言

隨著社會經濟的快速發展，國內公路隧道的數量急劇增加，隧道消防已成為人們關注的熱點話題。隧道內發生火災時，由于受空間、照明等多種條件的限制，消防人員很難及時撲滅火源。火勢蔓延產生的大量濃煙將會積聚在隧道內部，甚至會導致隧道坍塌或汽車爆炸，從而引發更為嚴重的災難事故，對人民生命財產安全構成嚴重威脅[1]。

為有效解決隧道消防問題，消防行業相關人員借助先進技術提高其對突發事件的應對能力。目前，國內外研發出大量的滅火用智能消防機器人，例如，國內推出的RXR-M40D-1型消防滅火機器人、多功能消防滅火機器人以及國外研究的人形消防機器人[2，3]等，采用外部遙控等方式實現對這些產品的操控，機器人內部設置有火源探測器及可視化攝像頭等多種智能元件，消防人員可在外部安全區域進行消防作業，以保障消防人員的生命安全。但以上設備在隧道消防中存在明顯不足，因為消防機器人進入隧道后視線會因火災產生的濃煙而嚴重受阻，路面上散布的爆炸殘留物阻礙消防機器人進一步接近火源。針對這一問題，本文提出一種懸掛式隧道消防機器人，內置用于檢測火災的火源探測器，能夠快速檢測到火源位置。一旦發生火災，該消防機器人能夠迅速移動到火焰上方，代替消防員施行滅火操作，最大限度地遏制火勢蔓延，保障人民生命財產安全[4]。

1? 消防機器人工作原理

針對隧道內部發生火災的特點以及人們對隧道內部消防系統的需求，需要著重考慮以下幾方面事宜：

1）隧道內空間狹小，通風條件差，一旦發生火災，火勢很容易蔓延。

2）隧道內可燃物質（如汽車、輪胎等）較多，容易引發火災。

3）隧道內有大量的車流，疏散起來比較困難。

4）人們對隧道內部消防系統的設計具有較高的要求，既要保證消防效果，又要盡可能減少人員傷亡。

綜上，最終確定該懸掛式隧道消防系統的結構包括導軌、消防機器人、隧道火災探測及報警系統。導軌可以為機器人提供運動軌跡，使其能夠快速到達火源處進行滅火；消防機器人可在火場內尋找著火點執行滅火操作，通過裝備上安裝的相機和傳感器實時獲取火情信息，幫助指揮部及時做出正確決策；隧道火災探測及報警系統可實現對整個隧道內火情的監測，及時發現火災并啟動消防機器人進行滅火。這樣的消防系統不但能夠快速響應火情，而且還能有效降低消防員的風險，提高滅火效率，保障隧道交通安全。

當隧道內突然發生火災時，隧道內部設置的火警探測器可提前感知火災情況。火警探測器發送火情提醒及火災現場相應的電腦方位信息，隧道消防機器人接收到指令后通過預定軌道移動至火焰上方等待執行滅火工作。消防機器人內置的火源探測器可感知火焰位置，調整機械臂對準火焰根部準備噴灑滅火劑。滅火噴頭噴灑滅火劑，并實時調整噴頭位置，直至火焰完全熄滅。待消防人員就位確認火情結束后通過警情系統進行重置，消防機器人返回至初始位置，滅火工作結束。懸掛式隧道消防機器人滅火流程如圖1所示。

該消防機器人主要由滑軌、懸掛底座、水平轉臺、機械臂及滅火噴頭五部分組成，各部分的運動學關系為：懸掛底座可以在滑軌上前后滑動，水平轉臺連接在懸掛底座上并能沿豎直方向轉動，機械臂連接在水平轉臺上并能沿水平方向轉動，滅火噴頭與機械臂通過球副連接，可沿連接點進行360?旋轉。

2? 懸掛式隧道消防機器人設計及有限元分析

懸掛式隧道機器人由機械結構和控制系統兩部分構成。其中，機械結構是整個機器人的核心部分，包含多個執行機構、傳動裝置和控制電路等部件，承載著整個機器人的重量及其運動目標的實現。機器人的控制系統由軟件和硬件兩部分組成，具體包括控制芯片、傳感器、驅動電機等多個模塊，用于實現機器人的自主控制和遠程操作。

2.1? 懸掛式隧道消防機器人控制系統設計

基于隧道內部火災的特點以及人們對隧道內部消防系統的設計需求，最終確定該隧道消防系統由導軌、消防機器人、隧道火災探測以及報警系統組成。

懸掛式隧道消防機器人控制系統需要實現對水平轉臺、機械臂和滅火噴頭運動控制的目的，使滅火噴頭按預定的軌跡運動，達到及時滅火的目的，同時能夠對自身狀態及周圍環境進行感知，還要控制報警裝置、照明裝置的運行以及控制網絡數據的傳輸。隧道火災探測數據采集系統由超聲波測距模塊、環境信息檢測模塊、路標檢測模塊和FRID模塊組成，系統結構框圖如圖2所示。當隧道內發生火災時，通常會產生光、熱、煙霧等揮發物，因此需要使用多種傳感器進行檢測。其中，火源探測傳感器用于檢測與識別火源；溫度傳感器用于檢測空間環境的溫度變化；濕度傳感器可測量空氣的濕度；環境光傳感器能夠感知光線的亮度和顏色；氣體傳感器可以檢測空氣中是否存在某些危險氣體。同時，FRID模塊可以實現對物品的快速識別和追蹤管理，路標檢測模塊能夠提供位置信息，從而讓整個系統更加智能化和高效化。通過這些傳感器和模塊的相互協作，能夠實現對隧道內環境參數的實時監測，從而有效預防和處理火災事件，保障人員和設施的安全。

該懸掛式隧道消防機器人對火源的識別主要通過所搭載的火源探測器實現，火源探測傳感器上有可見光、紅外光及紅外熱成像三種攝像頭[5]。在火源識別過程中，三個攝像頭同時工作獲取對應圖像并進行圖像的識別與處理，同時結合紅外熱成像圖像的溫度特征實現對火源的識別。

2.2? 懸掛式隧道消防機器人結構設計

2.2.1? 懸掛底座及轉臺設計

懸掛式隧道消防機器人的懸掛底座是安裝各個部件的平臺，是整個消防機器人懸掛在滑軌上的關鍵組成部分，需要能夠穩定支撐其他各個功能模塊并承受機器人自身的重量。為減少機器人對滑軌的壓力，整體設計要求結構穩定的同時保持裝置輕量化。因此該部分結構有承載要求，同時該結構上部要在滑軌中滑動，都要求其有足夠的剛強度，所以材料選用高強度的鋁合金。懸掛底座要與水平轉臺相連，水平轉臺需沿其豎直軸做旋轉運動，所以將底座設計成圓柱狀。懸掛底座及其轉臺的結構如圖3所示。

2.2.2? 機械臂及滅火噴頭設計

懸掛式隧道消防機器人位于隧道上方，在滅火過程中通常會受火源高溫烘烤、高溫氣流等多方面的影響，同時也承受著巨大的彎曲力。為保證消防機器人可以正常完成滅火操作，在進行結構設計時應做以全面考慮，故消防機器人手臂及滅火噴頭選用空心薄壁矩形框體和圓管，既能有效降低裝置重量，又能提高其彎曲剛度和扭轉強度。消防機器人及滅火噴頭結構示意圖如圖4所示。轉臺轉動對火源進行水平定位的同時，機械臂同步工作開始縱向轉動，對火源根部進行垂直定位，使滅火噴頭的噴口對準火源。為實現該功能，機械臂與轉臺之間通過轉動副連接，機械臂與滅火噴頭之間通過球副連接。

2.3? 轉臺減速機構設計及有限元分析

在懸掛底座與轉臺之間有可水平旋轉的減速機構，消防機器人到達預定位置后，轉臺開始水平旋轉，對火源位置進行水平定位。考慮到轉臺有傳動穩定性及旋轉速度的要求，該減速機構采用齒輪傳動方式實現減速。根據機器人的工作要求和選用的電機型號，以及減速器的傳動比要求，設計齒輪的大小和數量。根據懸掛式隧道消防機器人各個部件的重量、約束力等要求，對齒輪減速機構進行靜強度分析。使用三維數字化建模軟件建立轉臺減速機構齒輪模型，設置格式為*.step并導入有限元分析軟件。對導入的CAD模型劃分有限元網格，將網格類型設置為四面體網格，設齒輪嚙合時齒輪間的摩擦系數為0.15。齒輪材料為結構鋼，其彈性模量為2.1E11Pa，泊松比為0.3；齒輪組傳遞扭矩為2 N·m。對所建立的有限元模型進行靜力學分析，仿真結果如圖5所示。

由圖4可知，該模型的最大位移為0.21 mm，最大位移發生在小齒輪的邊緣位置，在齒輪嚙合的其他位置結構變形量很小，基本符合實際情形，滿足剛度條件，能夠穩定運轉。該模型等效應力最大為11 MPa，發生在齒輪嚙合接觸位置，滿足強度要求。其他大部分區域的等效應力都比較小，符合實際情形，在上述載荷工況條件下，該模型能夠穩定運行。

3? 懸掛式隧道消防機器人動力學分析

將所建立的懸掛式隧道消防機器人三維CAD模型導入多體動力學軟件MSC.Adams，定義各部件間的約束副，并施加相應的驅動力，進而建立機器人的運動學仿真模型，對該結構進行運動學分析。如圖6所示，通過固定副對滑軌進行固定，在懸掛底座與滑軌之間設置移動副，懸掛底座可以在滑軌上左右滑動。在懸掛底座與水平轉臺之間設置轉動副，轉臺可以在水平方向上進行360?旋轉。在轉臺與機械臂之間設置轉動副，轉動方向為縱向。在機械臂與滅火噴頭之間設置球副，實現全方位轉動。驅動電機通過MSC.Adams中的驅動Joint Motion來定義，控制系統通過軟件中的controls toolkit來定義。

在驅動Joint Motion中添加驅動函數，機器人在驅動和控制系統作用下實現既定工作目標。機器人運動學仿真分析結果如圖7所示。

由圖7可知機器人能夠滿足預定功能，機械臂及滅火噴頭能夠實現全方位轉動，結合轉臺水平橫向轉動，滅火噴頭基本可實現火點全覆蓋。

4? 結? 論

本文設計的懸掛式隧道消防機器人是一種能夠在隧道內進行滅火和信息傳遞的智能機器人。通過對消防機器人的滅火流程進行研究和分析，設計了該消防機器人的機械結構及控制系統，并根據所設計的機器人模型進行了運動學仿真及關鍵結構的有限元仿真。結果表明，該懸掛式消防機器人可以滿足滅火需求，其水平旋轉減速機構齒輪能夠承受所需的載荷，結構設計合理。這些結果證實了設計方案的正確性和可行性，同時也為機器人的進一步優化和改進提供了指導和參考。在物聯網技術的加持下，該懸掛式消防機器人還具備實時傳遞信息的能力，能夠將隧道內部的情況和相應數據傳遞到外部。這意味著消防人員可以更快速、更準確地掌握火情，制定更有效的消防策略和應急措施，遏制火勢蔓延，不僅可以彌補消防人員數量不足或無法到達現場等不利因素的影響，而且還能通過自身的高效性和智能化特點提高消防工作的效率和安全性，最大限度地保障人民群眾生命財產安全。

參考文獻：

[1] 付婷.懸掛式軌道滅火機器人噴頭機械結構設計及優化 [D].沈陽：沈陽理工大學，2022.

[2] 方江平.消防滅火機器人研究進展 [J].今日消防，2020，5（3）：19-22.

[3] 陳慶暖.消防滅火機器人及其應用 [J].消防科學與技術，2018，37（5）：644-646.

[4] 侯天陽.基于物聯網技術的滅火機器人控制與監測系統的研發 [D].沈陽：沈陽理工大學，2022.

[5] 李瑞，劉琦，袁文正，等.新型智能消防滅火機器人設計及實現 [J].南京理工大學學報，2022，46（5）：553-560.