多功能履帶式無人地面救援消殺車模型的設計

摘 要：目前市面上常見的救援設備有消防車、救援無人機、消毒彌霧機等，或人機不分離、或續航載荷受限、或功能單一，危險系數高，因此救援安全隱患大，人員傷亡比例高。面對日趨嚴峻和復雜的救援任務，如何實現人機分離、高效救援，功能完備、有效預警和偵測等顯得尤為重要。通過對多功能履帶式救援消殺車框架、機械結構、電氣系統以及負載的設計研究進行詳細論述和功能測試，測試結果表明，本設計有效解決了救援過程中人機不分離、功能單一、受環境局限等難題，該地面救援消殺車既能應用于救援，也可用于農業生產，社會效益和經濟效益較大。

關鍵詞：履帶式；多功能；滑軌；智慧救援；無線傳輸；人機分離

中圖分類號：TP39；TH6 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）04-0-02

DOI：10.16667/j.issn.2095-1302.2024.04.036

0 引 言

當前，一線救援人員面臨著日益復雜的滅火救援和社會救援形勢，在各類災后搶險的過程中，傳統救援工具的局限性日益凸顯。傳統的消防車都是在通用汽車底盤、電動車或摩托三輪車的基礎上加裝消防器材，攜帶消防水源和救援器材等進行改進，往往只能在特定的工作場景中執行救援任務，人機不分離、不具備多功能化和智能化特征。救援無人機實現了人機分離，但是續航能力和載荷能力受限[1]。

根據我國目前小型消防應急救援車的發展現狀，綜合分析新時期的用戶需求和技術水平的提升狀況，小型消防應急救援車向高機動、多功能和高效化方向發展是未來趨勢。因此，多功能無人地面救援車具有一定的研究價值和社會意義，能夠為實現在最短時間內安全救出傷員提供必要的技術手段。另外，在礦山、燃氣、電力、化工等領域的搶險過程中，需要救援設備代替救援人員進入現場實施救援，無人地面救援車正是一種能夠在很大程度上保證人員安全的重要救援裝備[2]。

1 總體設計

1.1 設計框架

通過調研，總結出擬解決的關鍵問題包括：常規底盤設計不能夠適應復雜路況的問題；常規控制系統不能夠解決人車分離的問題；常規設計不能夠滿足多種任務切換的問題[3]。

為了解決以上問題，綜合設計了小型多功能無人地面救援消殺車的電氣系統和機械系統，包括：履帶式行走單元，以適應災后復雜惡劣行走環境；無線圖像傳輸系統，可以從不同角度、不同距離進行現場環境偵查，為救援提供可靠現場信息；多功能模塊化負載，可實現方便快捷切換，滿足不同需求的救援任務和消殺場景需求[4-5]。

設計思路和路線如下：

（1）根據救援車實現功能的任務要求，畫出系統原理框圖，并進行進一步優化，爭取做到在滿足設計要求的前提下，降低技術難度與成本，使產品更節能、環保。

（2）根據最優方案進行分步機械結構部件的圖紙繪制與加工，調試優化再加工，做到精度高、誤差小，功能實現流暢。

（3）根據最優方案選擇電氣器件及電子元件，合理選取器材型號及參數，達到系統的良好匹配，進行電路控制器的設計制作。

（4）系統的裝配與調試。完成傳感器、機械部件的相對位置裝配，將人機界面與控制器正確連接，并進行可靠編程，實現檢測、可視化控制等功能。

（5）系統調整：根據實驗實訓調試結果調整傳感器靈敏度等。

1.2 機械設計

模型機械系統的設計主要包括履帶行走單元裝置、水平回轉舵機、云臺俯仰舵機和滑軌。救援車使用履帶行走裝置，可以增強救援車的適用性，適應更復雜的路面環境，如泥濘地面、雪地等；救援車還可以完成原地掉頭等動作。水平回轉舵機固定在車體上，輸出軸通過舵盤連接在回轉平臺上。云臺俯仰舵機通過支架固定在回轉臺上，外殼在舵機底部。負載部分和車體之間的連接采用滑軌實現，方便外置負載快速切換[6]。

履帶式小車底座主體的兩側設置有履帶輪，履帶式小車底座主體的頂端表面設置有防護機構，防護機構包括固定板，固定板表面有連接柱，且連接柱遠離固定板的一端插設有安裝塊，安裝塊底端表面有連接塊，且連接塊遠離的表面焊接有緩沖彈簧，緩沖彈簧的內部插設有導向柱，導向柱兩端固定連接防護框，防護框內部通過軸承安裝轉動輥，連接柱的側面設置有組裝機構[7]。車體示意圖如圖1所示。

1.3 電氣設計

為實現更穩定、更精確的遠程動作控制，采用飛行器模型的無線電遙控裝置，其主要利用2.4 GHz短距離無線傳輸技術。發送系統為標準航模遙控器，接收系統為輸出

1 000～2 000 μs占空比信號的接收機；動力系統由電源、電機、電調等模塊構成[8]。

本車采用一顆370三級行星減速電機為履帶提供動力，電機的調速采用一片13A雙路雙向有刷電調，舵機云臺采用兩個MG995舵機，扭矩為13 kg/cm，控制部分采用標準航模遙控器，接收機輸出1 000～2 000 μs占空比信號，市面上大多數電調/舵機都可以使用。本車還安裝有繼電器，可以用作較大工作電流的外部負載控制，供電系統采用一個

8.4 V降壓模塊，一個5 V降壓模塊以及一個3.3 V降壓模塊，分別為外部負載、舵機、接收機、圖傳以及攝像頭供電。主電源采用一塊3S（11.1 V）2 200 mA·h電池，動力系統采用電池供電。模型動力系統組成如圖2所示。

1.4 負載設計

為滿足傳統的清障救援任務、滅火任務、防疫消殺等任務需求，設計了多種負載，負載之間通過滑軌切換[9]。滑軌示意圖如圖3所示。

1.4.1 機械臂

機械臂主要包括大臂、小臂以及抓手，其中機械臂的動力主要以90°金屬齒舵機提供。大臂下端直接連接到車身舵機云臺的滑軌上，大臂的回轉運動以及俯仰運動由舵機云臺提供動力。小臂后端連接在大臂的上端，小臂前端連接抓手部分。小臂的控制采用平行四邊形機構，結合舵機完成抬升和下降動作。抓手可以進行上抬、下降、左右滾轉，具有抓取功能，抓手上抬、下降結構與小臂控制類似，將180°舵機連接在上抬、下降結構后方，舵機輸出軸連接抓手以實現左右各90°的滾轉控制。通過平行四邊形機構和齒輪的傳動控制抓手的松開和抓取動作[10]。

1.4.2 滅火彈發射系統

發射系統中的滑軌設置了兩組，兩組滑軌之間還設置有舵機云臺，舵機云臺的兩端皆安裝有滑輪，且滑輪延伸至滑軌內部，舵機云臺的上端一側設有限位機構和安裝塊。安裝塊的上端設有轉動塊，轉動塊上端設有安裝座，安裝座上端設有發射器，發射器上端設有激光瞄準器，發射器內部設置有滅火彈。通過設置有限位機構，可以對舵機云臺的位置進行調節，從而調節發射器的位置，使滅火彈的發射更加精準。同時，對舵機云臺調節后的位置進行限定，避免舵機云臺在發射滅火彈后的后坐力影響滅火彈的準確性，進一步提高了滅火彈發射的準確性，使滅火彈的使用效果更好。

1.4.3 噴灑系統

噴灑系統包括藥箱、蓄料槽和水槽。藥箱的頂端分別安裝有蓄料槽與水槽，蓄料槽的底端內部插設有限位塊，且限位塊的底端連接定量機構。定量機構包括第一轉動桿，第一轉動桿的中心位置處固定套設有轉輪，轉輪左側表面嚙合有拉桿，拉桿正面與背面對稱連接有滑桿，滑桿底端表面對稱固定連接有彈簧。藥箱內部中心位置通過軸承安裝第二轉動桿，第二轉動桿的表面固定套設葉輪，藥箱左側內部固定安裝第二擋板，右側內部安裝第一擋板。

2 模型測試結果

在比較和實證基礎上開展設計研制工作，在研究過程中運用文獻研究、設備系統分析、企業調研、經驗總結等，借助實現手段，對無線電系統、機械臂系統等工作原理做深入分析。結合分析基礎，分別設計并利用3D打印對履帶式機械外殼、機械臂、噴灑系統、滅火彈發射系統進行加工。組裝試制階段，將無線電遙控系統應用到系統中，并改進不合理的部分。通過對機械構造和電氣功能進行反復測試，最終設計研制出了多功能救援消殺車樣機，并對整機進行充分測試，測試結果顯示可以實現諸多功能。

（1）人機分離，安全保障

多功能履帶式無人地面救援車采用無線電遙控裝置和無線圖像傳輸系統，具備很好的自主控制、圖像傳輸能力，能夠有效實現人機分離。

（2）負載切換，功能齊全

多功能履帶式無人地面救援車現階段提供3種負載，能夠通過滑軌輕松切換。

（3）履帶行走，機動靈活

多功能履帶式無人地面救援車外觀核心為履帶式行走單元，較傳統輪式行走單元而言，封閉的鏈條配合主動輪、從動輪的高度和距離，更能適應雪地、溝壑等戶外救援環境。

3 結 語

本文對救援消殺車的總體設計進行了描述，測試結果顯示，該設計的行走性能、負載切換模塊性能和負載性均可較好實現。調查顯示，全國范圍內安全監管、安全服務、安全技術應用人才和設備缺口大，面對日益復雜的滅火救援和社會救助任務，在應對各類地震救援、抗洪搶險等方面，多功能救援消殺車有著廣闊的應用前景。

參考文獻

[1]劉培桐，詹志遠，曾齊高，等.基于電池供電的便攜式救援車的設計—以第44屆世界技能大賽制造團隊挑戰賽產品為例[J].機電工程技術，2023，52（2）：216-224.

[2]彭強，李林澤.地震救援車[J].機械設計，2023，40（1）：164.

[3]廖海龍，馬濤，馮淑湘，等.基于阿里云和樹莓派的無人勘探救援車設計與實現[J].物聯網技術，2022，12（1）：81-84.

[4]李嵇揚，冉滔，滕金城，等.地震救援車/產品設計[J].裝飾，2021，64（5）：145.

[5]門書洋，李欣睿.搶險救援車造型設計[J].機械設計，2020，37

（11）：145.

[6]王恒，李迎武，張國仙.多功能搶險救援車回轉系統設計及試驗研究[J].液壓氣動與密封，2020，40（11）：10-13.

[7]張勇，孫占瑞，董魯波.狹小地域消防應急救援車研發[J].工程機械，2020，51（6）：28-32.

[8]朱斐然.救援車輛的造型設計與功能探究[J].設計，2020，33（7）：132-134.

[9]張建明，欒學濤，沈友祥，等.多功能消防救援車[J].科技創新導

報，2020，17（1）：65.

[10]楊清翔，秦文光.多功能破障救援車結構及控制系統設計[J].煤炭技術，2019，38（12）：176-178.

收稿日期：2023-03-28 修回日期：2023-04-28