1前言

    從20世紀(jì)80年代初開(kāi)始，我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)迅速而穩(wěn)步增長(zhǎng)，各類工業(yè)得到了迅速發(fā)展，但各類危險(xiǎn)場(chǎng)所的火災(zāi)以及由火災(zāi)引發(fā)的爆炸傷人事故也隨之不斷發(fā)生，已成為現(xiàn)代火災(zāi)撲救的一大難題。另外，化學(xué)危險(xiǎn)品泄漏伴隨的毒性、腐蝕性給消防人員的自身安全帶來(lái)了嚴(yán)重的威脅，在沒(méi)有對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行充分偵檢和分析的情況下，盲目地采取行動(dòng)，不僅不能取得預(yù)期的效果，而且往往會(huì)造成無(wú)辜生命的犧牲，付出慘重的代價(jià)。

    2消防人員搶險(xiǎn)救援時(shí)的弊端

    目前我國(guó)消防部隊(duì)在災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)展開(kāi)搶險(xiǎn)救援戰(zhàn)斗時(shí)，首先要派偵查人員偵查災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)，了解災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)情況后方可作出處置決策。由于采用人工偵察手段，必然存在下述問(wèn)題：

    (1)偵察小組(一般由2—3人組成)之間常用通訊繩作為聯(lián)絡(luò)手段，相互交流困難；

    (2)消防人員在有毒、有害、缺氧、濃煙、放射性等室內(nèi)外危險(xiǎn)災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行偵察，有可能造成中毒、窒息等事故；

    (3)消防人員在易坍塌建筑物、大型倉(cāng)庫(kù)堆垛等災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行偵察，有可能發(fā)生墜落或被坍塌物砸中，造成人身傷害事故；

    (4)消防人員在進(jìn)入不明情況的災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)時(shí)，無(wú)法事先確定所佩戴的個(gè)人防護(hù)裝備和偵檢設(shè)備是否安全合理；

    (5)消防人員配備的便攜式探測(cè)裝備數(shù)量有限，無(wú)法實(shí)時(shí)定量的探測(cè)災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)各種數(shù)據(jù)參數(shù)；

    (6)消防人員偵察到的現(xiàn)場(chǎng)情況，無(wú)法在第一時(shí)間向后方指揮員報(bào)告；

    (7)由于消防人員穿著防護(hù)服裝、配備防護(hù)裝備，本身負(fù)荷已較重，再要進(jìn)行如清障、開(kāi)關(guān)閥門、搶救遇難人員等工作具有一定困難；

    (8)消防人員受環(huán)境影響及個(gè)人防護(hù)裝備的限制，在災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)的滯留時(shí)間一般小于30min。

    因此，研究一種實(shí)用的能替代消防救援人員遙控進(jìn)入有毒、有害(非易燃易爆)、易坍塌建筑物、大型倉(cāng)庫(kù)堆垛、缺氧、濃煙、放射性等室內(nèi)外危險(xiǎn)災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行探測(cè)的消防救援機(jī)器人，來(lái)解決有關(guān)消防人員人身安全、時(shí)間限制、數(shù)據(jù)采集量不足和不能實(shí)時(shí)反饋等問(wèn)題，是非常緊迫和必須的。

    消防救援機(jī)器人具有可靠的偵檢和救援功能，以及良好的機(jī)動(dòng)性能，對(duì)化學(xué)、生物、放射性等危險(xiǎn)晶的生產(chǎn)、運(yùn)輸、貯存和使用場(chǎng)所的災(zāi)害預(yù)防，對(duì)有毒、有害化學(xué)物品泄漏(非易燃易爆)、易坍塌等災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)的偵察和處置、易爆物品的搬運(yùn)，障礙物的清除、遇難人員的搶救等工作起到重要的作用。將能替代消防人員進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)搶險(xiǎn)救援，對(duì)災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)的滅火、封堵、洗消、破拆等救援作業(yè)的展開(kāi)具有十分重要的作用。

    3國(guó)外消防救援機(jī)器人發(fā)展情況

    消防救援機(jī)器人的研究開(kāi)發(fā)及應(yīng)用，日本最為領(lǐng)先，其次是美國(guó)、英國(guó)和俄羅斯等發(fā)達(dá)國(guó)家。國(guó)際上對(duì)消防救援機(jī)器人的研究，在控制技術(shù)上可分為三個(gè)階段：第一代是遙控消防救援機(jī)器人，第二代是具有感覺(jué)功能的計(jì)算機(jī)輔助遙控消防救援機(jī)器人，第三代是自適應(yīng)智能化消防救援機(jī)器人。第一代和部分第二代消防救援機(jī)器人已開(kāi)始服役，但其結(jié)構(gòu)和功能在各個(gè)國(guó)家都各有特點(diǎn)和獨(dú)到之處。目前發(fā)達(dá)國(guó)家正在加快開(kāi)發(fā)不同功能的第二代實(shí)用型消防救援機(jī)器人，而第三代智能型消防救援機(jī)器人尚在探索之中，日本、美國(guó)和英國(guó)已開(kāi)始進(jìn)入預(yù)研和論證階段。

    4消防救援機(jī)器人主要結(jié)構(gòu)

    消防救援機(jī)器人主要由行走系、機(jī)械手、救援拖斗和電液控制系統(tǒng)等結(jié)構(gòu)組成。

    4.1行走系

    行走系一般分為履帶行走系和輪胎行走系兩種，本文就履帶行走系作一個(gè)簡(jiǎn)單的介紹。履帶行走系包括機(jī)架、行走裝置和懸掛三大部分。

    機(jī)架是整機(jī)的骨架，用來(lái)安裝所有的總成和部件，使整機(jī)成為一個(gè)整體。行走裝置是用來(lái)支撐機(jī)體，把發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力傳到驅(qū)動(dòng)輪上的驅(qū)動(dòng)扭矩和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)為消防救援機(jī)器人工作與行駛所需的驅(qū)動(dòng)力和前、后運(yùn)動(dòng)。懸架是機(jī)架和行走裝置之間互相傳力的連接裝置。履帶行走裝置由履帶、驅(qū)動(dòng)輪、支重輪、托輪、引導(dǎo)輪和履帶張緊裝置等組成，驅(qū)動(dòng)輪通過(guò)液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，當(dāng)驅(qū)動(dòng)輪被最終傳動(dòng)二級(jí)被動(dòng)齒輪帶動(dòng)時(shí)，其輪齒拉緊履帶，地面立即產(chǎn)生了作用在履帶上的反作用力，使整機(jī)對(duì)地面產(chǎn)生前或向后的運(yùn)動(dòng)，整機(jī)也隨之運(yùn)動(dòng)。履帶行走裝置比輪胎的接地面積大，接地比壓小。履帶所支撐的整機(jī)重量都是附著重量，而且在履帶的支撐面上大多制有履刺，可增加摩擦力，因此比輪胎式行走裝置

    的附著牽引性能和通過(guò)性能都有所提高，具有良好的越野性能。

    4.2機(jī)械手

    機(jī)械手作為消防救援機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，主要起到抓取可疑物，開(kāi)啟閥門，起吊受傷人員的作用。根據(jù)人手臂運(yùn)動(dòng)的原理以及目前機(jī)械手應(yīng)用的資料，三節(jié)臂桿6個(gè)自由度的機(jī)械手工作裝置是最有前途的。

                                                   圖2

    如圖2機(jī)械手自由度示意圖所示，機(jī)械手，自由度為本身旋轉(zhuǎn)的自由度，b自由度為臂桿1上下轉(zhuǎn)動(dòng)的自由度，c自由度指的是臂桿2以臂桿1的縱向軸線為中心轉(zhuǎn)動(dòng)的自由度，d自由度指的是臂桿3以臂桿2的縱向軸線為中心轉(zhuǎn)動(dòng)的自由度，e自由度為伸縮臂桿3的平移自由度，f為機(jī)械手爪以臂桿3縱向軸線為中心旋轉(zhuǎn)的自由度。

    機(jī)械手爪需要模擬人手的特征，在抓握的過(guò)程中知道獲得應(yīng)有的抓握力。所以考慮在手爪的指或者內(nèi)部安裝觸覺(jué)傳感器。手爪產(chǎn)生的抓握力在垂直方向上產(chǎn)生摩擦力，摩擦力阻止被抓取物由于重力的下落，當(dāng)手爪與被抓取物之間產(chǎn)生滑動(dòng)，觸覺(jué)傳感器傳送信號(hào)使控制系統(tǒng)增加抓握力，直到滑動(dòng)停止，同時(shí)手爪還有彌補(bǔ)滑動(dòng)位移的措施。

    救援機(jī)器人需要將受傷人員舉起送到救援拖斗上，機(jī)械手設(shè)計(jì)最小的抓舉力一般為90kg，采用液壓控制技術(shù)，機(jī)械手運(yùn)動(dòng)精度通過(guò)液壓伺服系統(tǒng)來(lái)控制。

    4.3救援拖斗

    救援拖斗在消防救援機(jī)器人中是不可缺少的一部分，它類似于火場(chǎng)救援時(shí)使用的擔(dān)架，在火場(chǎng)中，消防救援機(jī)器人利用機(jī)械手將受傷人員轉(zhuǎn)移到救援拖斗上，通過(guò)電液控制將拖斗移動(dòng)到機(jī)器人機(jī)體內(nèi)，然后消防救援機(jī)器人返回后方以便受傷人員得到及時(shí)的救助。同時(shí)救援拖斗在微小空間內(nèi)還集成了供氣系統(tǒng)，為受傷人員提供新鮮的空氣。在救援拖斗的設(shè)計(jì)中，應(yīng)該考慮以下方面：

    (1)根據(jù)擔(dān)架資料，一般的擔(dān)架展開(kāi)后外型尺寸(長(zhǎng)*寬*高)為2200mm*550mm*l50mm，考慮

    到機(jī)器人為違程遙控工作以及受傷人員需移動(dòng)到機(jī)器人機(jī)體內(nèi)，因此救援拖斗的尺寸應(yīng)該適當(dāng)?shù)姆糯螅仨毐ＷC受傷人員在機(jī)體內(nèi)的寬度和高度，救援拖斗設(shè)計(jì)時(shí)，拖斗尺寸一般為(長(zhǎng)*寬*高）2200mm*700mm*300mm左右；

    (2)考慮行走過(guò)程中救援拖斗的平穩(wěn)性，消防救援機(jī)器人在行進(jìn)過(guò)程中上下顛簸和機(jī)器人啟動(dòng)剎車、加速減速產(chǎn)生的震動(dòng)作用于被受傷人員，給受傷人員特別是骨折病人或外傷病人造成痛苦，并帶來(lái)種種不安全因素，拖斗必須有一定的減震裝置，來(lái)減少救援機(jī)器人行走時(shí)的震動(dòng)；

    (3)救援拖斗的防滑性能，救援拖斗在空間呈一定角度放置，沒(méi)有安裝綁帶裝置，考慮到有些受傷人員處于昏迷狀態(tài)，無(wú)法控制自己身體的滑移，必須有一定的防滑性能，以確保轉(zhuǎn)送安全。

    4.4電液控制系統(tǒng)

    消防救援機(jī)器人的電液控制系統(tǒng)是由操作人員手持無(wú)線發(fā)射器發(fā)出控制信號(hào)給電控系統(tǒng)，電控系統(tǒng)接收到指令后對(duì)液壓元器件進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)消防救援機(jī)器人的各項(xiàng)功能。

    (1)無(wú)線遙控及原理

    消防救援機(jī)器人控制系統(tǒng)采用非交流電動(dòng)力和先進(jìn)的無(wú)線控制技術(shù)，功能強(qiáng)大、體積小巧的可編程序控制技術(shù)組成，主要有無(wú)線遙控、電控箱等設(shè)備。控制系統(tǒng)由無(wú)線控制發(fā)射器、無(wú)線控制接收器、可編程控制器PLC、測(cè)速傳感器、測(cè)溫傳感器、油門位移傳感器及執(zhí)行機(jī)構(gòu)等設(shè)備組成。圖3控制系統(tǒng)框圖如下：

                                                               圖3

    圖3中虛線框?yàn)殡娍叵淇刂乒δ芸驁D，無(wú)線發(fā)射器由控制人員手持。無(wú)線發(fā)射器能發(fā)出控制消防救援機(jī)器人所具備功能的全部動(dòng)作信號(hào)而且控制半徑不大于150m，可使操作者在消防救援機(jī)器人后150m遠(yuǎn)處遙控操作，電控箱中的可編程控制器能接收無(wú)線接收器發(fā)出的全部控制信號(hào)并根據(jù)不同的信號(hào)執(zhí)行相應(yīng)指令，并實(shí)時(shí)監(jiān)控消防救援機(jī)器人的工況，使執(zhí)行機(jī)構(gòu)正確的作出相應(yīng)動(dòng)作。

    (2)液壓控制技術(shù)

    消防救援機(jī)器人液壓系統(tǒng)一般采用雙泵系統(tǒng)。雙泵液壓系統(tǒng)實(shí)際上是兩個(gè)單泵系統(tǒng)的組合。每臺(tái)泵各自供給回路中的執(zhí)行元件。泵的功率是由各自回路所需的功率而定的，這樣可以保證復(fù)合動(dòng)作。當(dāng)系統(tǒng)中只需要進(jìn)行動(dòng)作而又要充分利用發(fā)動(dòng)機(jī)功率時(shí)，可采用合流供油方式，即將兩臺(tái)液壓泵的流量同時(shí)供給一個(gè)執(zhí)行元件，這樣可使執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)速度提高一倍，該種雙泵液壓系統(tǒng)在機(jī)器人中已被廣泛應(yīng)用。

    (3)功率利用和功率分配

    消防救援機(jī)器人的各執(zhí)行機(jī)構(gòu)能力是錯(cuò)綜復(fù)雜的，柴油機(jī)后面還有液壓泵，液壓泵對(duì)柴油機(jī)功率的利用與傳遞，將對(duì)消防救援機(jī)器人的各項(xiàng)能力起決定性的作用，不能單純由柴油機(jī)功率來(lái)決定。在執(zhí)行工況時(shí)，液壓系統(tǒng)還有發(fā)熱、壓力能以及功能等各種形式的能量損失，功率利用要盡量減少這些損失，并充分利用與傳遞發(fā)動(dòng)機(jī)的有效功率。在功率利用方面，雙泵變量系統(tǒng)要優(yōu)于雙泵定量系統(tǒng)，總功率變量系統(tǒng)要優(yōu)于分功率變量系統(tǒng)。此外，采用合流也是提高功率利用的一個(gè)途徑。執(zhí)行機(jī)構(gòu)分組的合理與否，對(duì)改善功率利用也是一個(gè)重要方面，因?yàn)閳?zhí)行元件的分組，將牽涉到雙泵之間的功率分配，根據(jù)救援機(jī)器人在機(jī)械手工作中要求機(jī)械手爪與小臂同時(shí)動(dòng)作，在小臂提升與回轉(zhuǎn)過(guò)程中又要求動(dòng)臂缸和回轉(zhuǎn)馬達(dá)同時(shí)動(dòng)作的工作要求，采用兩個(gè)功率相同的液壓泵，分別向兩個(gè)回路供油的系統(tǒng)。

    5結(jié)束語(yǔ)

    消防救援機(jī)器人采用履帶行走系，接地面積大、接地比壓小，能在惡劣環(huán)境條件下進(jìn)行有效的工作，能實(shí)現(xiàn)原地轉(zhuǎn)彎和良好的越野性能。消防救援機(jī)器人控制系統(tǒng)采用交流電動(dòng)力和先進(jìn)的無(wú)線控制技術(shù)。整機(jī)液壓驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速，具有過(guò)負(fù)荷保護(hù)能力，提高了消防救援器人的使用效果。 （來(lái)源：《消防技術(shù)與產(chǎn)品信息》  消防天下）