滅火救援中消防機(jī)器人的設(shè)計(jì)選型

■ 郭濤 寧夏銀川市消防救援支隊(duì)

城市化進(jìn)程的加快，帶動(dòng)了高層建筑、地下建筑的發(fā)展，人地矛盾沖突使得城市的人口變得越發(fā)密集，一些特殊的環(huán)境會(huì)對(duì)火災(zāi)發(fā)生時(shí)的消防救援工作產(chǎn)生巨大阻礙，一旦其發(fā)生火災(zāi)事故，不僅周邊群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全無(wú)法得到保障，消防救援人員在展開救援工作的過程中，也容易出現(xiàn)安全事故。基于此，越來(lái)越多的國(guó)家開始嘗試在消防救援中使用消防機(jī)器人技術(shù)。

一、消防機(jī)器人概述

消防機(jī)器人屬于特種機(jī)器人，在滅火以及搶險(xiǎn)救援中發(fā)揮著不容忽視的作用。社會(huì)經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展背景下，火災(zāi)事故發(fā)生的概率增大，在面對(duì)高溫、濃煙、有毒等環(huán)境時(shí)，如果缺乏相應(yīng)的設(shè)備，貿(mào)然進(jìn)入火場(chǎng)，很容易出現(xiàn)人員傷亡的情況。同時(shí)，地鐵、隧道、高層建筑等的增加，使得火災(zāi)救援工作變得更加復(fù)雜。消防機(jī)器人可以代替消防救援人員進(jìn)入危險(xiǎn)災(zāi)害事故現(xiàn)場(chǎng)，實(shí)施數(shù)據(jù)信息采集和反饋，對(duì)消防救援人員可能面臨的人身安全問題進(jìn)行解決?，F(xiàn)場(chǎng)指揮人員可以依照消防機(jī)器人反饋的結(jié)果，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)災(zāi)情作出科學(xué)判斷，然后制定出有效的決策，為搶險(xiǎn)救災(zāi)指明方向[1]。

依照相應(yīng)的滅火救援技術(shù)，可以將消防機(jī)器人分為幾種不同的類型：首先，依照機(jī)器人的具體功能，消防機(jī)器人包括了滅火機(jī)器人、救援機(jī)器人、偵測(cè)機(jī)器人等；其次，依照機(jī)器人的控制方式，消防機(jī)器人包括了有線控制機(jī)器人、無(wú)線控制機(jī)器人以及人工智能自適應(yīng)機(jī)器人等；然后，依照機(jī)器人在作業(yè)中采用的探測(cè)技術(shù)，消防機(jī)器人包括了視覺探測(cè)機(jī)器人、觸覺探測(cè)機(jī)器人、紅外探測(cè)機(jī)器人等；最后，依照機(jī)器人的智能化程度，消防機(jī)器人包括了程序化機(jī)器人、計(jì)算機(jī)輔助控制機(jī)器人以及智能化機(jī)器人等。

二、消防機(jī)器人的使用環(huán)境

消防機(jī)器人本身屬于高科技產(chǎn)物，造價(jià)昂貴，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，日常保養(yǎng)維護(hù)和實(shí)戰(zhàn)應(yīng)用需要投入大量的物力和財(cái)力，也正因?yàn)槿绱?，消防機(jī)器人需要被應(yīng)用在特定的環(huán)境中：

（一）高層建筑

高層或者超高層建筑火災(zāi)的撲救一直都是一大難題，一方面，建筑內(nèi)部空間巨大，可燃物眾多，加上煙囪效應(yīng)的存在，火勢(shì)會(huì)在極短的時(shí)間內(nèi)快速蔓延；另一方面，高層建筑的高度大，功能復(fù)雜，形式多樣，人員疏散難度大。將消防機(jī)器人應(yīng)用到高層建筑火災(zāi)救援中，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)火情的準(zhǔn)確偵測(cè)，查明著火點(diǎn)的位置和火災(zāi)類型，開展排煙、搜救以及滅火等功能，這樣既可以提高消防救援工作的效率，也可以避免消防救援人員的傷亡[2]。

（二）地下空間

地下密閉空間是消防機(jī)器人使用的主要環(huán)境之一，地下建筑本身具有密閉性，對(duì)外通道少，一旦發(fā)生火災(zāi)，產(chǎn)生的熱煙氣容易聚集，火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)會(huì)遍布濃煙，能見度低，消防人員在進(jìn)行救援的過程中，容易出現(xiàn)窒息或者中毒風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，封閉空間無(wú)法有效散熱，在溫度不斷升高的情況下，容易引發(fā)坍塌等事故，進(jìn)一步增大救援難度。在使用消防機(jī)器人進(jìn)行救援的情況下，能夠規(guī)避消防救援人員傷亡事故，也可以很好地對(duì)現(xiàn)場(chǎng)火勢(shì)進(jìn)行控制，有著比較理想的火災(zāi)救援效果。

（三）地鐵隧道

城市化進(jìn)程不斷加快的背景下，從緩解地面交通壓力，方便市民出行的角度，地鐵隧道工程的數(shù)量呈現(xiàn)出了快速增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)，而在地鐵及隧道工程中，需要設(shè)置大量的照明系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)，一旦發(fā)生火災(zāi)事故，電力系統(tǒng)會(huì)受到牽連，照明系統(tǒng)的崩潰使得消防救援人員面對(duì)黑暗的環(huán)境，很難實(shí)現(xiàn)有效的滅火和救援工作。消防機(jī)器人的使用，可以借助紅外探測(cè)技術(shù)、溫度感應(yīng)技術(shù)等，準(zhǔn)確定位火源和等待救援的人員，不需要照明就能夠自如行動(dòng)，可以顯著提升消防救援的效率[3]。

三、消防機(jī)器人在滅火救援中的設(shè)計(jì)選型

以某小型消防救援機(jī)器人為例，從軟件和硬件兩個(gè)方面，對(duì)其設(shè)計(jì)進(jìn)行簡(jiǎn)單討論。

（一）軟件設(shè)計(jì)

在消防機(jī)器人軟件設(shè)計(jì)中，一般是采用序列控制的方式進(jìn)行編程，但是這種情況下，程序必須按照一定的順序運(yùn)行，任何時(shí)候都只能響應(yīng)一個(gè)任務(wù)。對(duì)此，可以采用上位機(jī)程序控制軟件，其本身采用的是類結(jié)構(gòu)的控制模塊表達(dá)，方便對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行綜合管控，突出了模塊的完整性，可以為功能調(diào)試以及程序修改提供便利。同時(shí)，軟件具備了視圖和數(shù)據(jù)庫(kù)功能，方便用戶進(jìn)行文檔及接口編制，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)于消防機(jī)器人的有效控制，確保機(jī)器人的可靠運(yùn)轉(zhuǎn)。

（二）硬件設(shè)計(jì)

在針對(duì)消防機(jī)器人硬件進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，需要先對(duì)其預(yù)期功能進(jìn)行明確，該機(jī)器人主要用于斜坡行走以及室外環(huán)境下的快速營(yíng)救。結(jié)合相關(guān)研究資料，初步確定了三種不同的硬件方案：第一種方案是利用階梯桿臂，通過起落的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)救人，配合履帶式結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)斜坡區(qū)域的穩(wěn)定行走；第二種是借助旋轉(zhuǎn)臂桿的上下控制來(lái)救人，斜坡行走同樣選擇履帶式結(jié)構(gòu)，在機(jī)器人前端添加大型三角輪來(lái)拉動(dòng)；第三種方式是借助折疊型臂桿實(shí)現(xiàn)起落救人，斜坡行走依然是采用履帶式結(jié)構(gòu)，在尾翼位置加上了可以彎曲的大輪使其在平緩區(qū)域能夠有更快的移動(dòng)速度[4]。

對(duì)比三種方案，最終選擇第三種作為硬件設(shè)計(jì)方案，因?yàn)槠湎啾容^前兩種的適應(yīng)能力更強(qiáng)，穩(wěn)定性也更好。在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，對(duì)于折疊桿臂的起落問題，經(jīng)過多種方式的對(duì)比分析，最終選擇使用蝸輪蝸桿，以電機(jī)帶動(dòng)其升降，桿臂之間的連接采用蝸輪蝸桿，可以向著不同的方向靈活轉(zhuǎn)動(dòng)，起到最佳的救人效果。另外，在平地和斜坡上，機(jī)器人采用了不同的行走方式，通過在左右輪各設(shè)置一個(gè)電機(jī)的方式，配合網(wǎng)絡(luò)中心的遠(yuǎn)程控制，可以實(shí)現(xiàn)左右輪運(yùn)行速度的靈活變化。

在電機(jī)轉(zhuǎn)軸與輪子之間，設(shè)置了橫向軸承，能夠避免軸承打滑的情況。消防機(jī)器人設(shè)計(jì)的核心目的，是火場(chǎng)救援，對(duì)于人員的營(yíng)救主要是通過設(shè)置在桿臂上的鏈條結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，鏈條結(jié)構(gòu)本身能夠自由延伸，設(shè)置有相應(yīng)的自動(dòng)化結(jié)構(gòu)，在救人時(shí)，安全艙門自動(dòng)化打開，將鏈條伸向目標(biāo)，人員可以跳到安全艙門上，進(jìn)入安全倉(cāng)后，艙門關(guān)閉，再點(diǎn)擊內(nèi)部設(shè)置的控制按鈕，機(jī)器人會(huì)運(yùn)行到安全位置，然后將人員放出。機(jī)器人后推輪設(shè)置有折疊功能，可以方便其在平面與斜坡間的自由轉(zhuǎn)換[5]。

四、結(jié)語(yǔ)

總而言之，以科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)揮為支撐，消防機(jī)器人在滅火救援中得到了較為廣泛的應(yīng)用，也取得了理想的成效。應(yīng)該明確，消防機(jī)器人作為高新技術(shù)，對(duì)于設(shè)備的精密度要求極高，想要確保其在滅火救援中的有效應(yīng)用，需要加強(qiáng)實(shí)戰(zhàn)階段的技術(shù)研究，同時(shí)要求消防工作人員熟悉消防機(jī)器人技術(shù)的應(yīng)用方法，推動(dòng)消防機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展。