防爆消防特种机器人研发及应用

裴文良，陆文涛，郭映言，蔡海廷，陈金山

（中信重工开诚智能装备有限公司，唐山 063020）

防爆消防特种机器人研发及应用

裴文良，陆文涛，郭映言，蔡海廷，陈金山

（中信重工开诚智能装备有限公司，唐山 063020）

针对易燃、易爆、有毒等高危火灾现场的灭火救援，研制了一种新型的、具有防爆功能的消防灭火机器人装置，详细介绍了防爆消防特种机器人的组成结构和实现方法，阐述了其功能特点。实际应用表明，该机器人功能全面、性能稳定、实用性强，可在消防灭火中发挥重要作用。

防爆；消防；机器人；无线通信

0 引言

机器人自上世纪60年代初问世以来，经历半个多世纪的发展，已经取得长足进步，机器人产业已成为“制造业皇冠顶端的明珠”，其研发、制造、应用是衡量一个国家科技创新和高端制造业水平的重要标志。目前，世界上许多国家都在投入大量人力物力开展机器人的研究，其中包括消防机器人。1986年日本东京消防厅在灭火中首次采用了“彩虹5号”机器人，目前日本是消防机器人应用最多的国家；美国主要是以救援、灭火等智能多功能人形机器人为主，欧洲消防机器人主要是非仿人形机器人，在森林火源侦察、破拆等方面都实现了智能化应用。国内消防机器人主要以履带式消防车为主，早在1995年我国就研制出第一台消防灭火机器人，随后相应的消防机器人纷纷出台[1,2]。由于火灾、爆炸等事故现场往往存在易燃易爆、有毒气体等高危物品，要求消防机器人不但具有灭火功能，还要具备防爆功能。目前国内可用于防爆场合的消防机器人还不多见。因此，研发成本低、功能强、经济实用的防爆消防特种机器人具有重要意义。在已有特种机器人平台基础上，研发了一款新型的防爆消防特种机器人，可用于易燃易爆、高温、有毒作业等事故现场的特殊环境，是一款实用化的、专门针对火灾、爆炸等抢险救援的防爆消防特种机器人装置。

1 防爆消防特种机器人结构设计

防爆消防特种机器人采用履带式机器人平台[3]，由防爆机器人本体、消防水炮、防爆升降装置及远程控制箱四部分构成，硬件组成框图如图1所示。

1.1 防爆机器人本体

防爆机器人本体是机器人的核心组成部分，该防爆机器人本体为整个系统的安装基体，所有需隔爆的元件均安装在机器人防爆壳体内。防爆壳体仅在两侧减速机输出轴设计有通孔，其余安装孔均为盲孔，减速机出轴采用小间隙隔爆处理，使用防爆材料拼焊而成。壳体外线缆通过成熟防爆线嘴进入接线腔，再进入防爆壳体内，接线腔同时承担防爆壳体盖板功能。防爆壳体采用隔腔设计，将电机减速机等发热元件与电气控制元件分开，防止发热影响电气性能，隔墙板起到壳体加强作用。

机器人行走机构主要有:轮式、腿式、轮腿式和履带式等[4]，由于火灾现场地面情况复杂而且在喷水作业时机器人受到的后坐力较大，为了获得较好的效果，选择履带式行走结构。履带采用阻燃橡胶，内部采用多层帘布和钢骨架结构，使履带具有较高的强度和韧度。为保证机身行走平稳，研制了新型的独立悬挂减震系统。

由于对机器人的负载能力要求较高，设计中使用了大功率驱动装置，以增加拖拽消防水带的动力。防爆消防特种机器人整体结构示意图如图2所示。

图2 防爆消防特种机器人整体结构

1.2 消防水炮

消防水炮是灭火的核心设备，可根据需要选用不同类型的消防水炮，本机器人目前携带水炮的参数为：材质：炮体-304不锈钢，炮头-铝合金硬质氧化；工作压力：推荐12-15bar；最大流量：120L/s；最大射程：150m；旋转角度：水平-30°～+30°，垂直0°～+85°，可设定；旋转速度：水平24°/s, 垂直10°/s。喷水、泡沫自由切换。

1.3 防爆升降装置

当机器人进入事故现场，采集现场信息时，尤其是有毒气体，不同高度的气体浓度不一样，为了准确采集不同高度的气体信息，研制了一种用于消防机器人的防爆升降装置，该装置由防爆壳体组件、电动升降杆组件、线缆托链组件和数据采集箱等组成，如图3所示。

图3 防爆升降装置

防爆壳体组件具备耐爆和隔爆两种性能，既能够承受内部爆炸性气体混合物爆炸时产生的压力，又能使爆炸时喷出的火焰不会引燃外部气体，从而保证爆炸性气体现场的安全。组件中的主壳体与壳盖通过螺栓联接在一起，形成一个平面隔爆面。打开壳盖后，可以对电动升降杆组件进行安装、调试。电动升降杆组件由电机、传动齿轮、螺杆、升降杆和限位开关等组成。电机通过三级齿轮传动降速后传递给螺杆转动，螺杆推动安装在螺杆上的螺母做上升或下降运动。在壳体的上、下限位处安装有限位开关。线缆托链组件由托链、托链槽、托链护罩、托链固定板等组成。电气设备的线缆通过托链约束在一起，与托链共同形成一个倒S形柔性随动线路，随着上升和下降，线缆在托链槽及托链护罩内做随动运动。数据采集箱内安装有防爆摄像机、多气体数据采集器、拾音器和电源指示灯等。

1.4 远程控制箱

远程控制箱是消防机器人的指挥中心和控制核心，控制箱主要由：数据处理器、无线终端、显示器和操作面板组成，如图4所示。数据处理器为控制终端的核心，负责数据和控制指令的处理。操控人员通过控制面板向机器人发出指令，可远程控制机器人的行走、信息采集以及消防水炮的操作。根据现场情况，可控制机器人本体移动和回转接近目标火源，操控消防水炮的回转和俯仰进行灭火，调整水炮头伸缩实现柱状水和散射水的喷水形状变化。利用升降杆调整摄像机的高度和俯仰角度，实时观测火场周边环境。机器人远程控制箱通过高清无线图传系统，实现视距、非视距远程实时视频监控。同时，机器人本体可将火场采集的各项参数、信号传送给控制终端，以帮助操作人员进行科学合理的操作判断。

图4 远程控制箱

防爆消防特种机器人控制系统框图如图5所示。

2 防爆消防特种机器人功能

研发的防爆消防特种机器人具备如下功能特点：

1）采用履带式载体机构设计，负载能力大，越障能力强，适应复杂环境；

图5 防爆消防特种机器人控制系统框图

2）机器人本体采用防爆、防水设计，尤其适用于石化、燃气等易爆环境；

3）低重心稳定布局设计，独立悬挂减震系统；

4）移动速度快，机动性强，速度可调，可争取宝贵的救援时间；

5）采用最先进的无线通讯技术，通讯距离远、抗干扰性强；

6）模块化设计，扩展方便，可以搭载各种探测设备满足不同现场需要；

7）高清无线图传系统，实现视距、非视距远程实时视频监控；

8）双水带供水，具有防水带打结设计、喷水、泡沫自由切换；

9）具备自动升降平台，环境探测传感器和摄像头可自动升降；

10）高能量密度锂电池供电，可充可换；

11）后坐力自动抑制。

3 应用效果

本防爆消防特种机器人已在全国多地参加了消防灭火实战演练和实际灭火任务，不仅在多个消防支队完成列装，参与到日常消防演练和后勤工作当中，而且还临危受命，参加了物流公司仓储中心失火等火场的抢险救援，替代消防官兵进入火灾现场侦察、搜救、灭火，最大限度地降低了生命财产损失。应用表明该消防机器人在实际灭火和灭火演练中发挥了重要作用，实用性强，不但保证了消防人员的人身安全，提高了灭火效率，同时也提高了消防技术水平，带来了显著的经济社会效益。

[1] 李红伟,黄春茹.消防机器人的发展及应用研究,科技资讯[J].2012,02:21-22.

[2] 党海昌.消防机器人在我国灭火救援中的应用现状和前景分析,消防技术与产品信息[J].2016(3):69-71.

[3] 张树生,裴文良,孙宁,等.消防灭火侦察机器人的研制与应用,制造业自动化[J].2016 38(6):55-58.

[4] 薛晓东.灭火救援实战中消防机器人技术的研究.科技创新与应用[J].2016(33):297-297

Research and application of explosion-proof fi re- fi ghting robots

PEI Wen-liang, LU Wen-tao, GUO Ying-yan, CAI Hai-ting, CHEN Jin-shan

TP242

：A

：1009-0134(2017)08-0064-04

2017-05-27

裴文良（1975 -），男，河北唐山人，高级工程师，研究方向为矿山机械设备、自动化电子设备及产品设计、研发。