作品描述 1 項(xiàng)目背景 倉(cāng)庫(kù)是物資集中儲(chǔ)存?zhèn)}儲(chǔ)機(jī)器人銷(xiāo)售電話的場(chǎng)所，包括由國(guó)家、集體和個(gè)體經(jīng)營(yíng)儲(chǔ)存物品倉(cāng)儲(chǔ)機(jī)器人銷(xiāo)售電話的各類(lèi)倉(cāng)庫(kù)、堆棧、貨場(chǎng)，一旦發(fā)生火災(zāi)，經(jīng)濟(jì)損失巨大，社會(huì)各方面影響惡劣，后果嚴(yán)重。如2015年8月12日天津塘沽特大爆炸事故的發(fā)生，其教訓(xùn)非常慘痛。倉(cāng)庫(kù)火災(zāi)之所以能造成如此大的經(jīng)濟(jì)損失及人員傷亡，其根本原因是倉(cāng)庫(kù)火災(zāi)具有以下幾點(diǎn)特殊性： (1) 火災(zāi)初期階段陰燃時(shí)間長(zhǎng)，不易被發(fā)現(xiàn)，具有燒大火的條件倉(cāng)儲(chǔ)機(jī)器人銷(xiāo)售電話； (2) 撲救難度大，作戰(zhàn)時(shí)間長(zhǎng)，消防用水量大，燃燒面積大，經(jīng)濟(jì)損失大； (3) 危險(xiǎn)物品對(duì)倉(cāng)庫(kù)火災(zāi)危害大，容易產(chǎn)生二次傷害，施救難度高，極易造成事故； (4) 在大型倉(cāng)庫(kù)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，消防隊(duì)員無(wú)法及時(shí)獲取火場(chǎng)信息，采用高壓水槍等措施進(jìn)行滅火，沒(méi)有針對(duì)性，并很難進(jìn)入倉(cāng)庫(kù)中滅火，如果強(qiáng)行打開(kāi)門(mén)窗進(jìn)行救援，則會(huì)加快空氣流動(dòng)，加劇火情，而且即使消防隊(duì)員進(jìn)入到倉(cāng)庫(kù)中，也無(wú)法及時(shí)找到火源位置。 綜合分析以上特點(diǎn)得出：在倉(cāng)庫(kù)火災(zāi)預(yù)防以及施救方面，單靠人的力量還具有一定的局限性。因此，我們電子系統(tǒng)研究所員工通過(guò)查閱大量資料和實(shí)際市場(chǎng)調(diào)研，提出倉(cāng)庫(kù)自動(dòng)消防機(jī)器人平臺(tái)的設(shè)計(jì)方案，該平臺(tái)的主要作用在于幫助人們實(shí)現(xiàn)對(duì)火災(zāi)的預(yù)防以及對(duì)已發(fā)生火災(zāi)進(jìn)行緊急施救工作。 2 項(xiàng)目實(shí)施方案 2.1 整體方案的設(shè)計(jì) 倉(cāng)庫(kù)自動(dòng)消防機(jī)器人是典型的機(jī)電一體化裝置，它是機(jī)械、電子、控制、檢測(cè)、通信和計(jì)算機(jī)的有機(jī)融合。機(jī)器人的制作是一個(gè)跨學(xué)科、多技術(shù)、智力和動(dòng)手能力高度統(tǒng)一的系統(tǒng)工程，涉及到機(jī)械設(shè)計(jì)、檢測(cè)傳感技術(shù)、機(jī)電一體化技術(shù)、單片機(jī)技術(shù)、機(jī)器人學(xué)等學(xué)術(shù)領(lǐng)域。因此在設(shè)計(jì)過(guò)程中需要用到機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計(jì)、材料工程、傳感檢測(cè)、單片機(jī)控制等方面的知識(shí)。 研究過(guò)程中按照由整體到局部，機(jī)械系統(tǒng)與控制系統(tǒng)相互結(jié)合的方法。在機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，采用多種方案相互對(duì)比的方法，比較各種方案的優(yōu)缺點(diǎn)，然后進(jìn)行選擇，再進(jìn)行機(jī)械的設(shè)計(jì)。 由于倉(cāng)庫(kù)火災(zāi)的現(xiàn)場(chǎng)條件十分復(fù)雜，要求消防機(jī)器人能夠快速靈活的在倉(cāng)庫(kù)中移動(dòng)，并且可以在狹小的空間范圍內(nèi)完成諸如火源檢測(cè)、火情預(yù)處理、信息反饋、搶救物資和轉(zhuǎn)移危險(xiǎn)物品等任務(wù)。根據(jù)上述要求，可以確定消防機(jī)器人應(yīng)具有走行底盤(pán)、機(jī)械手、機(jī)械臂、滅火等功能模塊，如圖1所示。

圖1 倉(cāng)庫(kù)自動(dòng)消防平臺(tái)整體示意圖

2.2 底盤(pán)架構(gòu)及組成 針對(duì)目前廣泛使用的三種走行方式，分別進(jìn)行了研究。 第一種是步行式，其主要是模仿人或動(dòng)物的行走機(jī)理，采用腿足行走方式，這是目前智能化水平較高的一種走行方式。其優(yōu)點(diǎn)就在于對(duì)于地形的適應(yīng)能力強(qiáng)，但是由于現(xiàn)在這方面的技術(shù)還不太成熟，要求的控制系統(tǒng)較為復(fù)雜，在要求靈活性和準(zhǔn)確可靠性的倉(cāng)庫(kù)中不便于使用。 第二種是履帶式，其主要的優(yōu)點(diǎn)是著地面積大，與地面的粘著力較好，可以在凹凸不平的地面上行走，有效地適應(yīng)了地形，但是由于履帶式機(jī)器人沒(méi)有專(zhuān)門(mén)的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，要靠?jī)蓚€(gè)履帶的速度差實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎的任務(wù)，轉(zhuǎn)彎的阻力大，而且在前面方向、與前進(jìn)方向垂直的方向都會(huì)出現(xiàn)滑移，轉(zhuǎn)動(dòng)的精度不高，不適于在倉(cāng)庫(kù)中精確地碼放貨物。 第三種是輪式結(jié)構(gòu)，其主要優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，速度快，適合在平整地面上進(jìn)行精確地行走，這樣的優(yōu)點(diǎn)正適合在倉(cāng)庫(kù)中碼放貨物。然后分別對(duì)三輪式底盤(pán)和四輪式底盤(pán)進(jìn)行了模擬仿真。三輪式底盤(pán)采用雙后輪驅(qū)動(dòng)，前輪是一個(gè)萬(wàn)向輪，只起到導(dǎo)向和支撐作用，三個(gè)輪子成等腰三角形排列，依靠?jī)珊筝喌霓D(zhuǎn)速差實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。四輪式底盤(pán)同樣采用雙后輪驅(qū)動(dòng)，前面兩個(gè)輪子都是萬(wàn)向輪，四個(gè)輪子成矩形排列，同樣通過(guò)兩后輪的轉(zhuǎn)速差實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。通過(guò)模擬，我們發(fā)現(xiàn)，在四輪式底盤(pán)的行走過(guò)程中，如果整個(gè)機(jī)身的重心偏離其幾何中心，四個(gè)輪中就會(huì)有一個(gè)輪翹起而不著地，這樣導(dǎo)致只有三個(gè)輪子著地，其穩(wěn)定性與可靠性受到了很大影響，最終，我們選擇了三輪式底盤(pán)，如圖2所示。

圖2 三輪式底盤(pán)行走模塊

2.3 轉(zhuǎn)盤(pán)及傳動(dòng)系統(tǒng) 為了能夠很好的解決機(jī)械手不能移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)的弊端，我們將機(jī)械手安裝到一個(gè)帶有提升機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)盤(pán)上。機(jī)械手借助轉(zhuǎn)盤(pán)的360度旋轉(zhuǎn)和絲杠的上下提升，能夠在到達(dá)空間允許范圍內(nèi)的任意一點(diǎn)。大大增加了機(jī)械手的活動(dòng)空間，提高工作的靈活性，打破工作環(huán)境的局限性，提高了應(yīng)對(duì)復(fù)雜多種工作情況的能力。 為了達(dá)到機(jī)械手精準(zhǔn)定位，對(duì)轉(zhuǎn)盤(pán)的旋轉(zhuǎn)速度要求不能過(guò)高，防止轉(zhuǎn)速高后出現(xiàn)控制精準(zhǔn)度低、難度加大、減速時(shí)加速度大、以及離心加速度大的缺點(diǎn)。為此我們對(duì)電機(jī)輸出進(jìn)行減速處理，采用傳動(dòng)精度比較高的同步帶實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)和減速。一方面實(shí)現(xiàn)了限制轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)速的目的，同時(shí)也避免了電機(jī)直接裝在底盤(pán)下面而造成底盤(pán)高度被迫抬升的弊端。 因?yàn)檗D(zhuǎn)盤(pán)上面要承受絲杠、滑槽、導(dǎo)向軌、機(jī)械手、電推桿等物體的重力，如果將這部分重力直接加在軸承上，則對(duì)軸承的破壞作用極大，嚴(yán)重縮短軸承的使用壽命。故此，需要增加其他附加機(jī)構(gòu)來(lái)分擔(dān)這部分軸向力，或者選用一個(gè)能承受較大軸向力的軸承。單一用軸承來(lái)承受較大的軸向力和徑向力顯然是不合理的，我們選用第一種方案，外加其他承載機(jī)構(gòu)來(lái)承受抵消這部分軸向力。我們把圓盤(pán)尺寸在限定范圍內(nèi)做的稍微大一點(diǎn)，這樣以來(lái)便可以能夠承受較大的傾覆力矩，再在圓盤(pán)的周邊安置三個(gè)萬(wàn)向輪，主要來(lái)承受上體產(chǎn)生的軸向載荷，同時(shí)能夠滿足轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的靈活性要求。這樣以來(lái)，不僅避免了軸向力對(duì)軸承的損害作用，而且還使得圓盤(pán)和軸的旋轉(zhuǎn)變得更加靈活，摩擦阻力大大減小，對(duì)電機(jī)的要求降低，可以選用較小的功率的電機(jī)即可將整個(gè)圓盤(pán)帶動(dòng)起來(lái)，如圖3所示。

圖3 轉(zhuǎn)盤(pán)及傳動(dòng)系統(tǒng)

2.4 提升與伸縮機(jī)構(gòu) 為了能夠抓取不同高度的重物我們采用絲杠提升機(jī)構(gòu)，帶動(dòng)機(jī)械手上下移動(dòng)。被廣泛使用的提升機(jī)構(gòu)還有： 1、剪叉式升降平臺(tái) 剪叉式升降平臺(tái)通常由平臺(tái)、剪叉式起升機(jī)構(gòu)和底座三個(gè)部分組成。具有結(jié)構(gòu)緊湊、承載量大、通過(guò)性強(qiáng)和操作性好的特點(diǎn)，但該機(jī)構(gòu)對(duì)動(dòng)力源的要求較高，而且占用空間較大，如圖4所示。

圖4 剪叉式升降平臺(tái)

2、有軌升降 此種方式就是單級(jí)提升方式。待提升機(jī)構(gòu)以滑塊形式沿著固定的軌道上升、下降。軌道只起導(dǎo)向作用，驅(qū)動(dòng)方式多種多樣，如圖5所示。

圖5 有軌升降

這種有軌提升中，軌道的精度對(duì)提升機(jī)構(gòu)影響很大。由于直線運(yùn)動(dòng)具有摩擦低、精度高的特點(diǎn)，因此在機(jī)器人中廣泛應(yīng)用。絲杠提升就是其中一種升降方式。 絲杠提升相對(duì)于其他提升機(jī)構(gòu)來(lái)講，具有提升精度高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于控制。剛性好，能精確定位，斷電后也能自鎖。 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，無(wú)須各種復(fù)雜的泵閥、油箱或氣源及管路系統(tǒng)等。無(wú)噪音、無(wú)流體泄漏，對(duì)環(huán)境污染小，是一種較理想的綠色環(huán)保產(chǎn)品?？蓸?gòu)成閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，如圖6所示。

圖6 滾珠絲杠

至于推動(dòng)機(jī)構(gòu)也有各種各樣的形式，基本形式還是跟提升機(jī)構(gòu)差不多，只是提升的角度改到了水平方向而已。這里我們采用電推桿作為推動(dòng)機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)具有明顯的優(yōu)越性。氣動(dòng)、液壓的工作形式被普遍的用到直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)里，電動(dòng)推桿也可作為直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，從而在某些情況下可以代替氣缸、液壓缸達(dá)到同樣的工作效果，而在自動(dòng)化控制中，更容易實(shí)現(xiàn)控制的簡(jiǎn)單化。電動(dòng)推桿在使用中的優(yōu)點(diǎn)：電動(dòng)推桿是一種將電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橥茥U的直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)的電力驅(qū)動(dòng)裝置。電動(dòng)推桿可用于各種簡(jiǎn)單或復(fù)雜的工藝流程中做為執(zhí)行機(jī)械使用，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制、集中控制或自動(dòng)控制。與液壓氣動(dòng)等執(zhí)行機(jī)械相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)：造價(jià)低，省去了油泵、油箱、空壓機(jī)以及許多復(fù)雜的管路和其它輔助設(shè)施；能耗低，由電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)省去了中間的能量轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié)，整機(jī)效率高，從而降低了能耗；無(wú)油液污染，由于避免采用油或氣體傳動(dòng)，無(wú)油液的滲漏，使污染問(wèn)題得到了根本解決；保護(hù)功能完善，精心設(shè)計(jì)在推桿內(nèi)部的行程和過(guò)載保護(hù)裝置，使整機(jī)外部無(wú)多余附件，且調(diào)整方便、安全可靠。當(dāng)推桿運(yùn)行到設(shè)定距離或過(guò)載時(shí)，能自動(dòng)切斷電源，不至引起機(jī)件損壞或造成其他事故；安裝維護(hù)極為簡(jiǎn)單方便，只需簡(jiǎn)單地將推桿安裝在支架或吊架上，接通電源，即可使用。 行程控制裝置：經(jīng)電機(jī)齒輪上的渦桿帶動(dòng)渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)，使渦輪內(nèi)的小絲桿作軸向移動(dòng)，由連接板帶動(dòng)限位桿相應(yīng)作軸向移動(dòng)，至所需行程時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)限位塊壓下行程開(kāi)關(guān)斷電，電動(dòng)機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)（正反控制相同）。 過(guò)載保護(hù)裝置：推桿機(jī)體內(nèi)設(shè)有過(guò)載自動(dòng)保護(hù)裝置，當(dāng)推桿行程至極限位置或超過(guò)額定推（拉）力時(shí)，載荷壓縮彈簧，使滑座軸向移動(dòng)，通過(guò)滑座上的拔桿壓下過(guò)載行程開(kāi)關(guān)斷電，推桿自動(dòng)停機(jī)，達(dá)到過(guò)載保護(hù)目的，如圖7所示。

圖7 電推桿

為了方便控制伸縮機(jī)構(gòu)的伸縮，在機(jī)器人的伸縮機(jī)構(gòu)前端安裝了接近開(kāi)關(guān)，當(dāng)其距離物體到達(dá)一定的位置后，伸縮機(jī)構(gòu)前端的限位開(kāi)關(guān)會(huì)檢測(cè)到物體，使伸縮電機(jī)停止運(yùn)動(dòng)。提升時(shí)，為了防止絲杠上的滑塊沖出滑軌，在絲杠的上下兩端安裝了限位開(kāi)關(guān)，當(dāng)滑塊接觸到限位開(kāi)關(guān)時(shí)，絲杠會(huì)停止運(yùn)動(dòng)。在提升需要到達(dá)的高度上，由于不能安裝限位開(kāi)關(guān)，在機(jī)器人設(shè)計(jì)的過(guò)程中，選擇了光電對(duì)管作為絲杠高度提升的傳感器，光電對(duì)管原理是其內(nèi)部有一個(gè)紅外發(fā)射管和接收管，當(dāng)凹槽內(nèi)有遮擋時(shí)接收管就無(wú)法接收到發(fā)射信號(hào)，無(wú)遮擋時(shí)輸出低電平，有遮擋時(shí)輸出高電平。 2.5 機(jī)械手模塊 機(jī)械手主要由手部和運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成。手部是用來(lái)抓持工件（或工具）的部件，根據(jù)被抓持物件的形狀、尺寸、重量、材料和作業(yè)要求而有多種結(jié)構(gòu)形式，如夾持型、托持型和吸附型等。運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，使手部完成各種轉(zhuǎn)動(dòng)（擺動(dòng)）、移動(dòng)或復(fù)合運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)規(guī)定的動(dòng)作，改變被抓持物件的位置和姿勢(shì)。運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的升降、伸縮、旋轉(zhuǎn)等獨(dú)立運(yùn)動(dòng)方式，稱為機(jī)械手的自由度。為了抓取空間中任意位置和方位的物體，需有6個(gè)自由度。自由度是機(jī)械手設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)。自由度越多，機(jī)械手的靈活性越大，通用性越廣，其結(jié)構(gòu)也越復(fù)雜。一般專(zhuān)用機(jī)械手有2～3個(gè)自由度。 為了能夠夾持多種物體，單一的機(jī)械手肯定是滿足不了要求的，因此，我們考慮把機(jī)械手做成可拆卸的，即可以將多種不同特點(diǎn)的機(jī)械手安裝在同一個(gè)機(jī)器人身上。對(duì)于不同的被夾持物，可以根據(jù)它的外形特點(diǎn)換用不同的機(jī)械手工作，從而增大了機(jī)械手的適應(yīng)范圍。 1號(hào)機(jī)械手：該機(jī)械手采用一個(gè)并行輸出機(jī)構(gòu)，將舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為機(jī)械手角度變化，從而實(shí)現(xiàn)夾取貨物的目的。該機(jī)械手能夠夾取體積較大的貨物，因?yàn)樗幸粋€(gè)較大的開(kāi)口角度，同時(shí)也具有一定的局限性，因機(jī)械手臂不是平行移動(dòng)的，而是通過(guò)縮小角度來(lái)實(shí)現(xiàn)夾取貨物，因此夾取貨物不是特別容易。但該機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，如圖8所示。

圖8 1號(hào)機(jī)械手

2號(hào)機(jī)械手：該機(jī)械手的具有以下幾大特征：并行輸出，僅僅通過(guò)一個(gè)舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)即可轉(zhuǎn)化為左右兩個(gè)手的夾持動(dòng)作；手臂平動(dòng)加緊，傳統(tǒng)機(jī)械手臂一般都是成一定角度，通過(guò)縮小角度來(lái)夾持物體，但那樣反而會(huì)使物體在夾持的過(guò)程中從手臂中被擠出。 因此在每個(gè)手臂根部采用平行四邊形機(jī)構(gòu)，變傳統(tǒng)的角度夾持為平動(dòng)夾持，這樣可以防止物體在夾持的過(guò)程中被擠出，同時(shí)夾持時(shí)還會(huì)產(chǎn)生一個(gè)向手心的夾持力，使物體不易滑落，如圖9所示。

圖9 2號(hào)機(jī)械手

3號(hào)機(jī)械手：該機(jī)械手又稱萬(wàn)能機(jī)械手，因?yàn)樗軍A取外形任意變化的物體，即不受限于物體的外形，都能成功的抓取貨物。機(jī)械手中有兩根鋼絲，一根是拉緊用的，另一根是松弛用的。兩者的繞行方式略有差別。當(dāng)該機(jī)械手靠近貨物時(shí)，只要拉緊鋼絲一拉緊，手臂便會(huì)沿著物體的邊沿輪廓貼合，最終將貨物夾緊。當(dāng)需要把貨物放下時(shí)，只需放松松弛鋼絲，機(jī)械手臂便會(huì)松弛下來(lái)，貨物自然脫落。該機(jī)械手最大特點(diǎn)是能適應(yīng)各種不同外形的物體，靈活多變，易于操作，實(shí)現(xiàn)容易。但撓度偏大，用時(shí)宜避開(kāi)。如圖10所示。

圖10 3號(hào)機(jī)械手

4號(hào)機(jī)械手：該機(jī)械手是在2號(hào)機(jī)械手的基礎(chǔ)上改進(jìn)的。適宜抓取上下不等截面的旋轉(zhuǎn)體。機(jī)械手臂不再是單一的一對(duì)手臂，而是改為兩對(duì)上下相互獨(dú)立而又緊密配合的手臂，兩個(gè)手臂通過(guò)兩個(gè)舵機(jī)分別控制。同時(shí)為了夾取上下截面不一的旋轉(zhuǎn)體，我們?cè)跈C(jī)械手臂前端安置兩對(duì)圓弧輔助機(jī)構(gòu)，另外再給該機(jī)構(gòu)加一個(gè)自由度，使該輔助機(jī)構(gòu)在包裹貨物的過(guò)程更加靈活可靠。兩個(gè)舵機(jī)分別控制，機(jī)械手臂的張開(kāi)角度可以根據(jù)物體的截面大小自由調(diào)整，以期達(dá)到穩(wěn)定抓取的目的。如圖11所示。

圖11 4號(hào)機(jī)械手

3工作原理 3.1 自動(dòng)巡邏系統(tǒng) 自動(dòng)巡邏系統(tǒng)是通過(guò)各種傳感器系統(tǒng)感知外界環(huán)境和自身狀態(tài)， 在復(fù)雜的已知或者未知環(huán)境中自主按特定的軌跡移動(dòng)并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)火源信息，當(dāng)有火情發(fā)生時(shí)，小車(chē)停止巡線行走，啟動(dòng)超聲波避系統(tǒng)，由目前的位置直接到達(dá)火源附近，然后進(jìn)行相應(yīng)火情預(yù)處理。自動(dòng)巡邏預(yù)警系統(tǒng)工作流程圖如圖12所示：

圖 12 巡邏預(yù)警系統(tǒng)的工作流程圖

整個(gè)巡邏預(yù)警系統(tǒng)包括一下五大模塊，如圖13所示。

圖13 自動(dòng)巡邏預(yù)警系統(tǒng)

1、主控模塊，作為整個(gè)消防機(jī)器人的“大腦”，將采集光電傳感器、超聲波等傳感器的信號(hào)，根據(jù)控制算法做出控制決策，驅(qū)動(dòng)電機(jī)完成對(duì)整個(gè)小車(chē)的控制。 2、電源模塊，為整個(gè)系統(tǒng)提供合適而又穩(wěn)定的電源。 3、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)幫助完成消防小車(chē)的加減速控制和轉(zhuǎn)向控制。 4、路徑檢測(cè)模塊，作為消防車(chē)的“眼睛”，可以通過(guò)一定的前瞻性，提前感知前方的信息，為消防車(chē)的“大腦”做出決策提供必要的依據(jù)和充足的反應(yīng)時(shí)間，保證小車(chē)按規(guī)劃路徑進(jìn)行巡邏預(yù)警。 我們的目的是設(shè)計(jì)一種利用紅外反射式傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)小車(chē)自動(dòng)尋跡導(dǎo)航移動(dòng)平臺(tái)，借助超聲波傳感器、光電接近開(kāi)關(guān)傳感器滿足在一定的復(fù)雜環(huán)境中完成自主尋跡移動(dòng)、避障任務(wù)。 通過(guò)學(xué)習(xí)和研究相關(guān)技術(shù)資料了解到，路徑識(shí)別模塊是系統(tǒng)的關(guān)鍵模塊之一，路徑識(shí)別方案的好壞，直接關(guān)系到最終性能的優(yōu)劣，因此確定路徑識(shí)別模塊的類(lèi)型是決定系統(tǒng)總體方案的關(guān)鍵。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人的感覺(jué)傳感器種類(lèi)越來(lái)越多，其中視覺(jué)傳感器成為自動(dòng)行走和駕駛的重要部件。視覺(jué)的典型應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)樽灾魇街悄軐?dǎo)航系統(tǒng)，對(duì)于視覺(jué)的各種技術(shù)而言圖像處理技術(shù)已相當(dāng)發(fā)達(dá)，而基于圖像的理解技術(shù)還很落后，機(jī)器視覺(jué)需要通過(guò)大量的運(yùn)算也只能識(shí)別一些結(jié)構(gòu)化環(huán)境簡(jiǎn)單的目標(biāo)。視覺(jué)傳感器的核心器件是攝像管或CCD，目前的CCD已能做到自動(dòng)聚焦。但CCD傳感器的價(jià)格、體積和使用方式上并不占優(yōu)勢(shì)，因此在不要求清晰圖像只需要粗略感覺(jué)的系統(tǒng)中考慮使用接近覺(jué)傳感器是一種實(shí)用有效的方法。機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)導(dǎo)引功能就必須要感知導(dǎo)引線，感知導(dǎo)引線相當(dāng)給機(jī)器人一個(gè)視覺(jué)功能。使得小車(chē)自動(dòng)識(shí)別路線，準(zhǔn)確區(qū)分路面和貨物，選擇正確的行進(jìn)路線。采用與地面顏色有較大差別的線條（黑色線條）作引導(dǎo)，使用傳感器感知導(dǎo)引線和障礙判斷。 (1)、傳感器選擇 實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的視覺(jué)和接近覺(jué)功能有多種方式：a、可使用CCD攝像頭進(jìn)行圖象采集和識(shí)別方法，但是不適用在小體積系統(tǒng)使用，并且還涉及圖象采集、圖象識(shí)別等領(lǐng)域；b、電容式接近傳感器，基于檢測(cè)對(duì)象表面靠近傳感元件時(shí)的電容變化；c、超聲波傳感器，根據(jù)波從發(fā)射到接收的傳播過(guò)程中所受到的影響來(lái)檢測(cè)物體的接近程度；d、紅外反射式光電傳感器，它包括一個(gè)可以發(fā)射紅外光的固態(tài)發(fā)光二極管和一個(gè)用作接收器的固態(tài)光敏二極管（或光敏三極管）。 根據(jù)使用場(chǎng)合的具體情況，傳感器要感知的對(duì)象是物體的有無(wú)和物體的接近程度，與精確的測(cè)距系統(tǒng)有相似之處，但又有不同，只要求判斷出簡(jiǎn)單的閾值或提供遠(yuǎn)、近分檔的距離。因此使用較簡(jiǎn)單的接近傳感器實(shí)現(xiàn)小車(chē)尋跡和避障是有依據(jù)可循的并且是可行的。為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)，系統(tǒng)中使用了八個(gè)紅外反射式光電傳感器，其中三個(gè)用于尋跡，三個(gè)用于障礙判斷，兩個(gè)用于主動(dòng)輪測(cè)速。 (2)、紅外反射式光電傳感器特性與工作原理 反射式光電傳感器的光源有多種，常用的有紅外發(fā)光二極管，普通發(fā)光二極管，以及激光二極管，前兩種光源容易受到外界光源的干擾，而激光二極管發(fā)出的光的頻率較集中，傳感器只接收很窄的頻率范圍信號(hào)，不容易被干擾但價(jià)格較貴。理論上光電傳感器只要位于被測(cè)區(qū)域反射表面可受到光源照射同時(shí)又能被接收管接收到的范圍就能進(jìn)行檢測(cè)，然而這是一種理想的結(jié)果。因?yàn)楣獾姆瓷涫艿蕉喾N因素的影響，如反射表面的形狀、顏色、光潔度，日光、日光燈照射等不確定因素。如果直接用發(fā)射和接收管進(jìn)行測(cè)量將因?yàn)楦蓴_產(chǎn)生錯(cuò)誤信號(hào)，采用對(duì)反射光強(qiáng)進(jìn)行測(cè)量的方法可以提高系統(tǒng)的可靠性和準(zhǔn)確性。紅外反射光強(qiáng)法的測(cè)量原理是將發(fā)射信號(hào)經(jīng)調(diào)制后送紅外管發(fā)射，光敏管接收調(diào)制的紅外信號(hào)原理如圖14所示。 反射光強(qiáng)度的輸出信號(hào)電壓Vout 是反射面與傳感器之間距離x的函數(shù)，設(shè)反射面物質(zhì)為同種物質(zhì)時(shí)，x與Vout 的響應(yīng)曲線是非線性的，如圖15所示。設(shè)定輸出電壓達(dá)到某一閾值時(shí)作為目標(biāo)，不同的目標(biāo)距離閾值電壓是不同的。 (3)、具體設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 由于接近傳感器應(yīng)用場(chǎng)合不同，感覺(jué)的距離范圍從幾毫米到幾米不等，所以我們?cè)谶x擇時(shí)也要分類(lèi)討論。對(duì)于自動(dòng)尋跡和小車(chē)輪子的測(cè)速傳感器，反射距離都在１cm左右，探測(cè)環(huán)境都在陰影之下，不易受到可見(jiàn)光的干擾。因此，這兩種探測(cè)的傳感器都選用FS-359F反射紅外傳感器，048W型封裝。該封裝形狀規(guī)則，便于安裝。對(duì)于障礙物的檢測(cè)，可以使用超聲波傳感器，效果也較好，但電路系統(tǒng)龐大，還需占用大量MCU時(shí)間。激光傳感器雖然性能不錯(cuò)，但價(jià)格較貴。最終選用了價(jià)格、性能基本適合的043W封裝的反射紅外傳感器。在使用約40ｍA的發(fā)射電流，沒(méi)有強(qiáng)烈日光干擾的房間里，探測(cè)距離能達(dá)８cm，完全能滿足探測(cè)距離要求。紅外傳感器的電路有多種形式，在這里為了安裝調(diào)試方便，我們采用了圖16的電路形式。

圖16 紅外光電傳感器電路

傳感器的使用數(shù)量應(yīng)該盡量少以減少單片機(jī)的信號(hào)處理量，尋跡小車(chē)一共安裝有八個(gè)紅外光電傳感器，選用運(yùn)算放大器LM324，光電傳感器檢測(cè)到的信號(hào)經(jīng)放大器放大整形送微處理器判斷、運(yùn)算、控制。LM324是14腳DIP封裝，內(nèi)置四個(gè)運(yùn)算放大器的集成器件，用兩個(gè)LM324便能完成所有傳感器與MCU的連接，并且電路簡(jiǎn)單，響應(yīng)速度快，波形規(guī)則，調(diào)試簡(jiǎn)單。 尋跡用接近傳感器安裝位置如圖17所示，Ａ、Ｃ傳感器騎在黑線兩測(cè)用于檢測(cè)是否跑偏，Ｂ傳感器在黑線范圍內(nèi)用于輔助檢測(cè)，以確保小車(chē)機(jī)器人隨時(shí)在以如圖9的狀態(tài)運(yùn)行。測(cè)障礙傳感器安裝位置分別位于小車(chē)前、左、右三個(gè)方向，用于檢測(cè)前方、左邊和右邊的障礙（詳見(jiàn)超聲波避障模塊）。測(cè)速度傳感器安裝在緊靠車(chē)輪兩側(cè)。

圖17 尋跡傳感器安裝位置示意圖

5、超聲波避障模塊，當(dāng)有火源發(fā)生時(shí)，小車(chē)停止巡邏預(yù)警，開(kāi)啟超聲波避障模塊，由現(xiàn)在的方位直接向火源方位行駛，在小車(chē)行駛過(guò)程中可以準(zhǔn)確避開(kāi)貨物以及地面障礙物，使得小車(chē)可以選擇最優(yōu)路徑到達(dá)著火附近。 在多種探測(cè)手段中， 超聲波傳感器系統(tǒng)由于具有成本低， 安裝方便， 易受電磁、光線、被測(cè)對(duì)象顏色、煙霧等影響且時(shí)間信息直觀等特點(diǎn)， 對(duì)于被測(cè)物處于黑暗、有灰塵、煙霧、電磁干擾、有毒等惡劣的環(huán)境下有一定的適應(yīng)能力， 因此我們主要采用超聲波傳感器進(jìn)行準(zhǔn)確避障繞行。 超聲波是指頻率高于20KHz的機(jī)械波。為了以超聲波作為檢測(cè)手段，必須產(chǎn)生超生波和接收超聲波。完成這種功能的裝置就是超聲波傳感器，習(xí)慣上稱為超聲波換能器或超聲波探頭。超聲波傳感器有發(fā)送器和接收器，但一個(gè)超聲波傳感器也可具有發(fā)送和接收聲波的雙重作用。超聲波傳感器是利用壓電效應(yīng)的原理將電能和超聲波相互轉(zhuǎn)化，即在發(fā)射超聲波的時(shí)候，將電能轉(zhuǎn)換，發(fā)射超聲波；而在收到回波的時(shí)候，則將超聲振動(dòng)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。 超聲波測(cè)距的原理一般采用渡越時(shí)間法TOF（time of flight）。首先測(cè)出超聲波從發(fā)射到遇到障礙物返回所經(jīng)歷的時(shí)間，再乘以超聲波的速度就得到二倍的聲源與障礙物之間的距離。 傳感器用一段時(shí)間發(fā)射一串超聲波束，只有待發(fā)送結(jié)束后才能啟動(dòng)接收，設(shè)發(fā)送波束的時(shí)間為D，則在D時(shí)間內(nèi) 從物體反射回的信號(hào)就無(wú)法捕捉；另外，超聲波傳感器有一定的慣性，發(fā)送結(jié)束后還留有一定的余振，這種余振經(jīng)換能器同樣產(chǎn)生電壓信號(hào)，擾亂了系統(tǒng)捕捉返回信號(hào)的工作。因此，在余振未消失以前，還不能啟動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行回波接收，以上兩個(gè)原因造成了超聲傳感器具有測(cè)量一定的測(cè)量范圍。此超聲波最近可以測(cè)量5cm，最遠(yuǎn)可以測(cè)量3m，完全符合要求。 在機(jī)器人底盤(pán)前端的前、左、右三個(gè)方位上分別安裝了超聲波傳感器，通過(guò)三個(gè)超聲波傳感器控制機(jī)器人下一步的走行方向，判斷的情況如下： (1) 當(dāng)前方的超聲波傳感器檢測(cè)到障礙物，左、右都未檢測(cè)到障礙物時(shí)，機(jī)器人將向左（或右）轉(zhuǎn)彎； (2) 當(dāng)前、左兩個(gè)超聲波傳感器檢測(cè)到障礙物時(shí)，機(jī)器人將向右轉(zhuǎn)彎； (3) 當(dāng)前、右兩個(gè)超聲波傳感器檢測(cè)到障礙物時(shí)，機(jī)器人將向左轉(zhuǎn)彎； (4) 當(dāng)前方超聲波未檢測(cè)到障礙物時(shí)，機(jī)器人繼續(xù)前進(jìn)。 機(jī)器人通過(guò)判斷三個(gè)超聲波傳感器傳回的數(shù)據(jù)，確定行進(jìn)的方向，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的直線運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)彎等動(dòng)作。 6、輔助調(diào)試模塊主要用于智能車(chē)系統(tǒng)的功能調(diào)試、行走工作狀態(tài)監(jiān)控等方面。 3.2 火源監(jiān)測(cè)識(shí)別 在火災(zāi)發(fā)生時(shí)，為了讓機(jī)器人能夠自己找到火源的位置，我們?cè)O(shè)計(jì)了2種火源監(jiān)測(cè)方案，當(dāng)機(jī)器人檢測(cè)到火焰后，會(huì)向機(jī)器人和控制中心同時(shí)發(fā)送信息，機(jī)器人會(huì)自己尋找火源前去進(jìn)行滅火?；鹧?zhèn)鞲衅魅鐖D18所示，其主要的原理是利用紅外線對(duì)火焰非常敏感的特點(diǎn)，使用特制的紅外線接收管來(lái)檢測(cè)火焰，然后把火焰的亮度轉(zhuǎn)化為高低變化的電平信號(hào)，輸入到中央處理器中，中央處理器根據(jù)信號(hào)的變化做出相應(yīng)的程序處理，以實(shí)現(xiàn)消防機(jī)器人對(duì)火焰的檢測(cè)。

圖18 A710系列火焰探測(cè)器及其外形圖

本設(shè)計(jì)中采用火焰探測(cè)器，其優(yōu)點(diǎn)在于以下方面： 1、防誤報(bào)能力強(qiáng)：通過(guò)特定的傳感器選型、火焰識(shí)別技術(shù)、軟件算法，使得活火焰探測(cè)器對(duì)日光、電弧焊、人工光源、熱輻射、電磁干擾等具有極強(qiáng)的防誤報(bào)警能力； 2、靈敏度高：能夠有效識(shí)別背景噪聲，結(jié)合軟件算法，對(duì)火焰輻射敏感； 3、自適應(yīng)、自檢測(cè)功能：可靠的故障自診斷，自動(dòng)根據(jù)探測(cè)窗口污染情況調(diào)節(jié)探測(cè)靈敏度； 4、監(jiān)視范圍大：軸線探測(cè)距離長(zhǎng)（最長(zhǎng)大60米）、監(jiān)視角度大（120度），保護(hù)范圍大； 5、防護(hù)等級(jí)高：防塵、防水、防爆，適用于各種惡劣環(huán)境； 6、維護(hù)成本低：探測(cè)器在日常使用一段時(shí)間后，需進(jìn)行清洗維護(hù)工作，一般可直接用水清洗，對(duì)存在油污等情況下可直接用酒精清洗外監(jiān)視窗口，無(wú)需專(zhuān)人、專(zhuān)用工具。 A710系列火焰探測(cè)器的設(shè)計(jì)選型如下表：

第一種火源監(jiān)測(cè)方案：我們將3個(gè)火焰探測(cè)器以?shī)A角為120°安裝在消防車(chē)的頂部，在小車(chē)進(jìn)行巡邏的過(guò)程中，這3個(gè)探測(cè)器同時(shí)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，由于采用的探測(cè)器最大探測(cè)角度為120°，最長(zhǎng)距離為60米，從而保證了火源探測(cè)系統(tǒng)可以在360°范圍內(nèi)進(jìn)行探測(cè)，可靠性高。 第二種火源監(jiān)測(cè)方案：我們將火焰探測(cè)器裝在倉(cāng)庫(kù)中，在消防機(jī)器人上只裝一個(gè)信號(hào)接收器，當(dāng)有火源產(chǎn)生時(shí)，火焰探測(cè)器將火源的信息傳送到機(jī)器人的接收器上，接收器再將信號(hào)傳到主控模塊，從而使消防小車(chē)做出相應(yīng)的判斷進(jìn)行滅火。 具體布置方式如下： ①用一只探測(cè)器監(jiān)視房間，適用于中等大小的空間，邊長(zhǎng)小于42米，對(duì)角線小于60米，如圖19所示。 ②用兩只探測(cè)器監(jiān)視房間，適用于方形較大空間，最大邊長(zhǎng)小于42米、對(duì)角線距離大于60米，如圖20所示。

圖19一個(gè)探測(cè)器監(jiān)測(cè)圖

圖20 兩個(gè)探測(cè)器對(duì)角放置

③用兩只探測(cè)器監(jiān)視房間，適用于狹長(zhǎng)空間，窄邊小于42米，長(zhǎng)邊大于42米，小于84米，如圖21所示。

圖21兩個(gè)探測(cè)器并列放置

④用四只探測(cè)器監(jiān)視房間，適用于超大空間，最大邊長(zhǎng)小于84米，對(duì)角線距離小于120米，如圖22所示。

圖22四個(gè)探測(cè)器對(duì)角放置

在安裝的過(guò)程中，對(duì)于類(lèi)似于隧道等狹長(zhǎng)的倉(cāng)庫(kù)，火焰探測(cè)器之間的距離必須掌握好，否則出現(xiàn)盲區(qū)現(xiàn)象。經(jīng)計(jì)算可得，兩個(gè)探測(cè)器之間的距離應(yīng)小于50米，如圖23(a)、(b)、(c)所示。

圖23(a) 正視圖

圖23(b) 側(cè)視圖

圖23(c) 俯視圖

3.3 火情預(yù)處理 火情預(yù)處理倉(cāng)庫(kù)消防機(jī)器人的主要功能，機(jī)器人在進(jìn)入滅火射程時(shí)，根據(jù)遙控指令或者通過(guò)對(duì)自身傳感器信息的處理，能夠噴射相應(yīng)的滅火劑進(jìn)行滅火。 危險(xiǎn)化學(xué)品倉(cāng)庫(kù)著火后，首先要根據(jù)危險(xiǎn)化學(xué)品的不同性質(zhì)，正確選用滅火劑，積極采取針對(duì)性的滅火措施。 1、大多數(shù)易燃，可燃液體火災(zāi)都能用泡沫撲救。其中水溶性的有機(jī)溶劑應(yīng)使用抗溶性泡沫撲救，如醇、醚類(lèi)火災(zāi)； 2、可燃?xì)怏w火災(zāi)使用二氧化碳、干粉等滅火劑撲救； 3、有毒氣體和酸、堿液可以使用噴霧、開(kāi)花射流或設(shè)置水幕進(jìn)行稀釋?zhuān)?4、遇水燃燒物質(zhì)，如堿金屬、堿土金屬火災(zāi)，不能用水和二氧化碳進(jìn)行撲救，應(yīng)使用干粉、干沙土或水泥粉等覆蓋滅火； 5、遇水反應(yīng)物質(zhì)，如乙硫醇、乙酰氯等，與水和水蒸氣接觸能發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生有毒或易燃?xì)怏w，因此，此類(lèi)火災(zāi)不能用水撲救，應(yīng)使用二氧化碳、干粉、水泥粉、干沙土等撲救； 6、粉狀物品，如硫磺粉、粉狀農(nóng)藥等，不能用強(qiáng)水流沖擊，可用霧狀水撲救，以防止發(fā)生粉塵爆炸，擴(kuò)大災(zāi)情。 消防小車(chē)上裝有碳納米管傳感器，該傳感器是利用碳納米管的獨(dú)特結(jié)構(gòu)、電子、界面、場(chǎng)致誘導(dǎo)效應(yīng)、聲學(xué)和力學(xué)等性能而構(gòu)建的一類(lèi)新型敏感檢測(cè)元件，在不同種類(lèi)的?；窓z測(cè)方面有很好的應(yīng)用前景。檢測(cè)到火源信息后，通過(guò)自身的判斷啟動(dòng)小車(chē)上自帶的消防裝置，噴射針對(duì)性的滅火劑進(jìn)行火情處理。 3.4 信息反饋系統(tǒng) 為了采集火災(zāi)發(fā)生現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)圖像，我們?cè)跈C(jī)器人的頂部安裝了攝像頭，可以傳回現(xiàn)場(chǎng)的圖像，在控制中心的屏幕上顯示，以方便工作人員查看現(xiàn)場(chǎng)的情況，在火災(zāi)發(fā)生時(shí)，也可以通過(guò)了解現(xiàn)場(chǎng)的信息而控制機(jī)器人。 火場(chǎng)中危化品的種類(lèi)、性質(zhì)、有毒氣體濃度、火源發(fā)展形勢(shì)等也通過(guò)消防平臺(tái)反饋給控制終端，終端進(jìn)而控制機(jī)器人和倉(cāng)庫(kù)中的各類(lèi)滅火裝置，確?；鹎閾渚瘸晒Α?4市場(chǎng)分析 經(jīng)過(guò)查閱相關(guān)文獻(xiàn)、整體方案設(shè)計(jì)、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、各類(lèi)傳感器的選擇與布置、計(jì)算校核，最終機(jī)器人能夠完成設(shè)想的倉(cāng)庫(kù)消防巡邏預(yù)警、火源定位識(shí)別、火情預(yù)處理、信息反饋、危險(xiǎn)品轉(zhuǎn)移與物資搶救等幾大功能。在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，也發(fā)現(xiàn)了機(jī)械本體存在的問(wèn)題，目前仍在改進(jìn)中。倉(cāng)庫(kù)消防機(jī)器人由于其靈活、高效的特點(diǎn)，使其在倉(cāng)庫(kù)火災(zāi)搶險(xiǎn)中具有廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景。 5競(jìng)爭(zhēng)力分析 按照消防機(jī)器人的發(fā)展過(guò)程，消防機(jī)器人大概可以分為三代：第一代為遙控消防機(jī)器人，第二代為具有傳感器的遙控消防機(jī)器人，第三代為智能消防機(jī)器人。 國(guó)外從20世紀(jì)80年代開(kāi)始研制消防機(jī)器人，日本研制的“彩虹5號(hào)”消防機(jī)器人，具有輪式移動(dòng)和履帶式移動(dòng)兩種運(yùn)動(dòng)模式。在平坦的地面上運(yùn)動(dòng)時(shí)采用輪式移動(dòng)，速度較快；在遇到障礙或地面不平坦時(shí)，可以運(yùn)用履帶式運(yùn)動(dòng)在困難路段行進(jìn)，實(shí)現(xiàn)越障功能；并能通過(guò)遙控機(jī)器人隨身攜帶的滅火器進(jìn)行滅火。英國(guó)在80年代末研制的機(jī)器人消防車(chē)，裝有雙臂、水槍、探測(cè)器、紅外線裝置等，可以在火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的外圍進(jìn)行滅火，并能通過(guò)遙控裝置對(duì)機(jī)器人進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)搬移物品等動(dòng)作。隨著耐高溫材料的發(fā)展，美國(guó)在90年代研制的消防機(jī)器人外殼采用阻燃材料，能夠承受火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的高溫，可以有效地保護(hù)機(jī)器人自身的安全，更好的完成消防任務(wù)。 進(jìn)入21世紀(jì)后，國(guó)外開(kāi)始發(fā)展第三代智能消防機(jī)器人，英國(guó)、美國(guó)研制的消防機(jī)器人已經(jīng)可以通過(guò)傳感器采集現(xiàn)場(chǎng)信息，通過(guò)機(jī)器人自身的控制器對(duì)信息進(jìn)行有效地處理，并將現(xiàn)場(chǎng)信息傳回控制中心，控制中心通過(guò)觀察現(xiàn)場(chǎng)信息，遠(yuǎn)程遙控機(jī)器人進(jìn)行滅火和救援任務(wù)，該消防機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了信息采集、滅火等功能，已經(jīng)是具有低智能的消防機(jī)器人。圖24為日本研制的消防機(jī)器人，該機(jī)器人還可以在火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)對(duì)受傷人員的快速轉(zhuǎn)移。

圖24 日本研制的消防機(jī)器人

國(guó)內(nèi)的消防機(jī)器人起步較晚，從上世紀(jì)80年代開(kāi)始主要針對(duì)遠(yuǎn)程遙控消防機(jī)器人的研究，并取得了一定的成果。進(jìn)入21世紀(jì)，國(guó)家863項(xiàng)目“ZXPJ01型自行式消防水炮”的研制，填補(bǔ)了我國(guó)消防機(jī)器人領(lǐng)域的空白，它可以實(shí)現(xiàn)滅火、危險(xiǎn)場(chǎng)所救援等任務(wù)。該機(jī)器人已經(jīng)在陜西、內(nèi)蒙古等地投入使用，并完成了多次消防救援任務(wù)。在此基礎(chǔ)上，我國(guó)又自行研制了消防機(jī)器人“夢(mèng)幻一號(hào)”，如圖25所示，它可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程遙控功能，在火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)外圍進(jìn)行滅火，它還可以通過(guò)遠(yuǎn)程遙控沖入火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)更近距離的消防救援。

圖25 消防機(jī)器人“夢(mèng)幻一號(hào)”

近幾年來(lái)，有更多的研究公司加入到研究消防機(jī)器人的行列中，也取得了一定的成果。安徽明光消防車(chē)廠生產(chǎn)出遙控滅火消防車(chē)，撫順起重工程有限公司也研制出“多功能消防機(jī)器人”，這些消防機(jī)器人都可以完成外圍消防救援的任務(wù)。江蘇、遼寧、云南、湖北等地的消防部隊(duì)先后陸續(xù)配備了一部分國(guó)產(chǎn)消防機(jī)器人。 目前，國(guó)內(nèi)消防機(jī)器人的發(fā)展較為迅速，但是和發(fā)達(dá)國(guó)家相比還有一定差距，各機(jī)器人研究部門(mén)也在努力開(kāi)發(fā)更加實(shí)用的消防機(jī)器人。 消防機(jī)器人進(jìn)行滅火的主要方法是在火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)外圍運(yùn)用消防炮等設(shè)備進(jìn)行滅火，由于大型火災(zāi)具有初始階段陰燃時(shí)間長(zhǎng)，不易被發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)場(chǎng)危險(xiǎn)品多等特點(diǎn)，采用消防炮滅火，空氣的流通使得氧氣得到了補(bǔ)充，初始火源會(huì)繼續(xù)蔓延，增加消防難度。所以滅火的最好方法就是能夠轉(zhuǎn)“外部圍攻”為“內(nèi)部突破”，在現(xiàn)場(chǎng)內(nèi)部進(jìn)行針對(duì)性的滅火，在火災(zāi)還沒(méi)有擴(kuò)大之時(shí)就進(jìn)行撲滅。日本正在研制的消防機(jī)器人，能夠在火災(zāi)發(fā)生時(shí)沖入現(xiàn)場(chǎng)，通過(guò)自身攜帶的傳感器采集現(xiàn)場(chǎng)信息，并通過(guò)對(duì)信息的處理作出一定的決策，以實(shí)現(xiàn)滅火和救援等任務(wù)。這種可以在火災(zāi)發(fā)生時(shí)沖入現(xiàn)場(chǎng)的方式，可以有效提高滅火的效率。 從消防機(jī)器人的發(fā)展過(guò)程我們可以看出，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和控制方法的發(fā)展，智能消防機(jī)器人是目前消防機(jī)器人的主要發(fā)展方向，即在火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)較為復(fù)雜的環(huán)境中可以通過(guò)采集現(xiàn)場(chǎng)的信息，自主的作出決定，在一定程度上降低盲目性，可以更加有效地實(shí)現(xiàn)滅火功能。 除了智能化消防機(jī)器人，消防機(jī)器人還有以下幾個(gè)發(fā)展方向： （1）多傳感器融合技術(shù)的應(yīng)用。為了應(yīng)對(duì)倉(cāng)庫(kù)火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)極其復(fù)雜的情況，機(jī)器人應(yīng)該具有多種傳感器。為進(jìn)一步提高機(jī)器人的智能化和適應(yīng)性，多種傳感器的融合使用是關(guān)鍵技術(shù)，其研究熱點(diǎn)在于有效可行的多傳感融合算法。 （2）新材料技術(shù)。消防機(jī)器人的工作環(huán)境具有高溫的特點(diǎn)，所以對(duì)消防機(jī)器人來(lái)說(shuō)，如何保證自己的安全是極其重要的，新材料的發(fā)展可以保證機(jī)器人在高溫下正常工作，我國(guó)正在研制納米防火阻燃材，該材料使用后，機(jī)器人可以在火災(zāi)時(shí)沖入現(xiàn)場(chǎng)而自身不受到傷害。 （3）多功能融合技術(shù)。多功能融合是指消防機(jī)器人與其他的機(jī)器人功能相互融合，如日本已經(jīng)研制出的爬樓梯消防機(jī)器人，可以適應(yīng)更加大型的倉(cāng)庫(kù)，可與消防機(jī)器人融合的功能還有排障、越障等。 倉(cāng)庫(kù)火災(zāi)與一般的現(xiàn)場(chǎng)火災(zāi)有所區(qū)別，倉(cāng)庫(kù)是物資集中的場(chǎng)所，具有燒大火的條件，一旦發(fā)生火災(zāi)，發(fā)生危險(xiǎn)的可能性極大，所以需要在火災(zāi)剛發(fā)生時(shí)就給予有效地控制，這就需要專(zhuān)門(mén)的倉(cāng)庫(kù)消防機(jī)器人，能夠在倉(cāng)庫(kù)火災(zāi)發(fā)生時(shí)迅速找到并到達(dá)火源地點(diǎn)完成消防和救援任務(wù)。由于倉(cāng)庫(kù)火災(zāi)的特殊性，倉(cāng)庫(kù)消防機(jī)器人的應(yīng)用對(duì)于減少倉(cāng)庫(kù)火災(zāi)的損失具有明顯的作用，可以在初始火源還沒(méi)有充分燃燒的時(shí)候就將火滅掉，與傳統(tǒng)的消防炮等倉(cāng)庫(kù)滅火方法相比，該消防機(jī)器人可以更早的對(duì)火源進(jìn)行處理，為滅火爭(zhēng)取寶貴的時(shí)間。 6投資預(yù)算 表1 倉(cāng)庫(kù)自動(dòng)消防機(jī)器人平臺(tái)投資預(yù)算

注：表1中給出的預(yù)算適用于面積小于400平方米的倉(cāng)庫(kù)。