核生化現(xiàn)場處置遙控車的研制及應(yīng)用

李 宏，譚偉龍，榮 曙，崔業(yè)民，汪春暉，毛應(yīng)華*

（1.東部戰(zhàn)區(qū)疾病預(yù)防控制中心，南京210002；2.廣益機(jī)電有限責(zé)任公司，江蘇南通226000）

0 引言

當(dāng)今世界國際公共安全形勢日益復(fù)雜，核生化威脅已成為國家面臨的重要問題。突發(fā)核生化事件具有時(shí)間地點(diǎn)不確定、人員傷亡大、傷情復(fù)雜、易造成社會(huì)恐慌、對經(jīng)濟(jì)及環(huán)境危害大等特點(diǎn)[1]，及時(shí)響應(yīng)，對危害源快速定性定量，確定損傷程度、范圍，搶救生命及環(huán)境消殺等是應(yīng)對該類事件的關(guān)鍵[2]。目前，三防醫(yī)學(xué)救援力量大多依托人員攜帶裝備進(jìn)入事故區(qū)域進(jìn)行現(xiàn)場采樣、偵檢、救治及洗消，安全風(fēng)險(xiǎn)高，存在人員心理壓力大及體能消耗大、信息溝通不暢，裝備檢測范圍小、工作時(shí)間短等問題，影響現(xiàn)場處置效率。

無人作戰(zhàn)平臺(tái)代表著未來武器裝備的發(fā)展方向，軍用機(jī)器人代替人工作業(yè)具有巨大的軍事潛力[3-4]。針對核生化應(yīng)急處置救援，采用機(jī)器人進(jìn)入作業(yè)現(xiàn)場具有機(jī)動(dòng)性能好、工作效率高、偵檢快速、工作時(shí)間長、安全可靠等優(yōu)勢，能有效克服傳統(tǒng)人工處置存在的問題[5-6]。奧地利Taurob公司設(shè)計(jì)了一款應(yīng)用于易爆氣體環(huán)境下的“追蹤者”核生化爆移動(dòng)式遙控機(jī)器人，可搭載多種類型傳感器及機(jī)械臂，高效完成排爆、偵檢、采樣等特殊任務(wù)，但造價(jià)較高[7]。美國福斯特-米勒公司研制的“魔爪”機(jī)器人采用履帶式結(jié)構(gòu)，預(yù)留多功能傳感器平臺(tái)，可于狹小環(huán)境下完成核生化現(xiàn)場處置任務(wù)，但結(jié)構(gòu)與功能載荷相對復(fù)雜[8]。郭麗芳等[9]設(shè)計(jì)了一種遙控核生化機(jī)動(dòng)檢測平臺(tái)用于現(xiàn)場綜合偵檢，但執(zhí)行功能單一，通用性較差。張宇輝等[10]提出一種對核生化現(xiàn)場進(jìn)行定性、定量及采樣檢測的核生化機(jī)器人的構(gòu)想，但未形成有形產(chǎn)品，機(jī)器人具體性能參數(shù)未知。

若能設(shè)計(jì)一款能在多種復(fù)雜環(huán)境下遂行核生化處置任務(wù)的綜合平臺(tái)，將有助于提高我軍應(yīng)對核生化突發(fā)事件的能力。本研究結(jié)合現(xiàn)有履帶式機(jī)器人的結(jié)構(gòu)模型及理論基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)一種集偵檢、洗消、采樣、傷員搬運(yùn)為一體的核生化現(xiàn)場處置遙控車，為我軍應(yīng)急救援力量快速反應(yīng)提供有效的技術(shù)手段。

1 設(shè)計(jì)

核生化現(xiàn)場處置遙控車采用模塊化設(shè)計(jì)、積木式搭配，主要由機(jī)動(dòng)平臺(tái)、偵檢平臺(tái)、采樣平臺(tái)、洗消平臺(tái)及傷員搬運(yùn)平臺(tái)組成，如圖1所示。

圖1 核生化現(xiàn)場處置遙控車結(jié)構(gòu)及實(shí)物圖

1.1 機(jī)動(dòng)平臺(tái)

機(jī)動(dòng)平臺(tái)采用小型化設(shè)計(jì)（凈質(zhì)量480 kg），整體為一體化鋼板結(jié)構(gòu)，車身尺寸為1 590 mm×900 mm×1 080 mm，離地高度160 mm，如圖2所示。該平臺(tái)采用本田GX390汽油機(jī)提供動(dòng)力，并配備15 L大容量油箱。車輛底盤采用180 mm機(jī)器人專用工程履帶，內(nèi)鑲鋼基骨架，左右兩側(cè)各配置4組直徑為240 mm的驅(qū)動(dòng)輪及擺臂克里斯蒂減震懸掛。底盤采用速滑移轉(zhuǎn)向，可原地水平旋轉(zhuǎn)360°。變速箱采用電控機(jī)械式平行軸齒輪，通過液力變矩器與發(fā)動(dòng)機(jī)的彈性板固定連接。機(jī)動(dòng)平臺(tái)配備自主開發(fā)的遙桿式無線遙控器（265 mm×180 mm×55 mm），采用計(jì)算機(jī)雙工發(fā)射，內(nèi)置頻段為310～340 MHz、415～450 MHz的天線，并配置急停開關(guān)。

圖2 核生化現(xiàn)場處置遙控車機(jī)動(dòng)平臺(tái)實(shí)物圖

1.2 偵檢平臺(tái)

偵檢平臺(tái)由監(jiān)測器支架、核化偵檢儀、防雨罩、無線紅外攝像頭、偵檢儀數(shù)據(jù)處理器、電源和平板計(jì)算機(jī)等組成。如圖3所示，2個(gè)監(jiān)測器支架為100 mm×350 mm鋼架結(jié)構(gòu)，可搭載手持式核素識(shí)別儀、電離巡檢儀、能譜儀、毒劑偵檢儀、化學(xué)氣體探測器、有毒有害物質(zhì)識(shí)別儀等多種便攜式核化偵檢儀，執(zhí)行放射源搜索、毒物鑒定分析、劑量偵測等任務(wù)。不銹鋼防雨罩在車前蓋采用強(qiáng)磁輔助吸附，尺寸為85 mm×85 mm×115 mm，可根據(jù)核化偵檢儀面板位置而移動(dòng)，以減輕雨天對核化偵檢儀的影響。無線紅外攝像頭用于現(xiàn)場場地及媒介監(jiān)控，像素為400萬，180°廣角攝像，采用2 200 mAh鋰電池供電。偵檢數(shù)據(jù)通過4G無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)時(shí)發(fā)送至手持平板計(jì)算機(jī)終端，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)支持SD卡及云存儲(chǔ)。

1.3 采樣平臺(tái)

采樣平臺(tái)由采樣器、固定支架、空氣壓力泵、電源、無線遙控器等部件組成，如圖4所示。采樣器為國產(chǎn)6級安德森空氣微生物采樣器，尺寸為200 mm×100 mm×100 mm。該采樣器內(nèi)含不同孔徑篩盤（0.65～7.7μm），用特定支架固定于遙控車頂部，可360°進(jìn)氣。采樣器動(dòng)力由12 V隔膜空氣壓力泵提供，由汽車電瓶供電，隔膜空氣壓力泵外部安裝保護(hù)罩。無線遙控器由電磁閥組成，與機(jī)動(dòng)平臺(tái)的遙控器集成組裝。

1.4 洗消平臺(tái)

洗消平臺(tái)采用雙噴桿噴霧系統(tǒng)，由噴槍、水管、水泵、電瓶、水箱、遙控器等部件組成（如圖5所示），采用嵌入式架設(shè)于車頂，可手持噴霧。噴槍由合成塑料和鍍鋅管制作；噴頭采用360°無死角旋轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)，霧滴可調(diào)；水管使用高強(qiáng)度聚氯乙烯（polyvinyl chloride，PVC）材料加彈簧內(nèi)襯制成；水泵采用銅質(zhì)內(nèi)芯，由12 V汽車電瓶供電。150 L不銹鋼水箱采用雙厚加層設(shè)計(jì)，邊縫采用氧弧焊點(diǎn)焊接，水箱頂端開口處設(shè)有密封條和透氣小孔，下緣設(shè)有出水口。雙噴桿采用雙遙控單獨(dú)控制設(shè)計(jì)，與機(jī)動(dòng)平臺(tái)的遙控器集成組裝。

圖4 采樣平臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖

圖5 洗消平臺(tái)結(jié)構(gòu)及實(shí)物圖

1.5 傷員搬運(yùn)平臺(tái)

傷員搬運(yùn)平臺(tái)的主體是傷員運(yùn)輸擔(dān)架。如圖6所示，傷員運(yùn)輸擔(dān)架采用卷曲式設(shè)計(jì)（尺寸1 800 mm×60 mm），由多層橡膠黏制固定而成，內(nèi)嵌鋼絲骨架，通過不銹鋼壓條及螺釘固定于遙控車尾部。壓條前方安裝U形鋼架，用于傷員自行抓握。擔(dān)架底部安裝有5根長700 mm的鋼軸（間距300 mm），直徑為72 mm的滑輪固定于鋼軸兩端。擔(dān)架兩側(cè)交叉裝配有捆綁式安全帶，用于傷員固定。撤收狀態(tài)下，擔(dān)架通過2根鐵鏈卷曲并固定于遙控車后部，使用時(shí)打開鎖鏈，展開后即可實(shí)現(xiàn)核生化現(xiàn)場傷員搬運(yùn)。

2 使用方法

根據(jù)任務(wù)性質(zhì)，核生化現(xiàn)場處置遙控車安裝搭載多種核化偵檢儀、生命探測儀、有害氣體傳感器、平皿采樣器等設(shè)備，加裝消毒液。遙控車通過車載的方式到達(dá)指定地域，采用無線遙控器控制遙控車進(jìn)入紅區(qū)（污染區(qū)、疫區(qū)）開展作業(yè)。遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)攝像頭角度及進(jìn)深，通過4G通信將監(jiān)測數(shù)據(jù)、圖像實(shí)時(shí)發(fā)送至平板計(jì)算機(jī)終端。遙控打開隔膜空氣壓力泵，進(jìn)行空氣微生物采樣。遙控打開水泵及噴槍，執(zhí)行人員、裝備及局部環(huán)境洗消任務(wù)。人工展開卷曲式擔(dān)架，執(zhí)行核生化傷員救援任務(wù)[11]。

圖6 傷員運(yùn)輸擔(dān)架撤收及展開狀態(tài)結(jié)構(gòu)及實(shí)物圖

3 技術(shù)特點(diǎn)

3.1 機(jī)動(dòng)性能強(qiáng)

核生化現(xiàn)場處置遙控車動(dòng)力輸出強(qiáng)勁穩(wěn)定，行駛速度1.5～7.0 km/h，滿油箱狀態(tài)下可行駛20 km以上，連續(xù)工作時(shí)間≥8 h。遙控車機(jī)動(dòng)靈活，越障能力強(qiáng)，可在低矮環(huán)境中穿行，爬坡度≥25°，側(cè)傾斜能力≥10°。通過無線遙控實(shí)現(xiàn)人機(jī)分離操作模式，遙控距離≥150 m，可有效提高作業(yè)效率，確保作業(yè)安全，適用于復(fù)雜地形環(huán)境下核生化醫(yī)學(xué)救援的現(xiàn)場處置。

3.2 通用功能強(qiáng)

核生化現(xiàn)場處置遙控車能搭載多種不同功能的專業(yè)便攜式檢測儀器，兼容性強(qiáng)，克服了傳統(tǒng)人工檢測項(xiàng)目單一的缺點(diǎn)，可同時(shí)開展包括化學(xué)戰(zhàn)劑及工業(yè)毒物定性、定量分析，以及放射性沾染活度、輻射劑量監(jiān)測、放射源搜索及甄別等在內(nèi)的多項(xiàng)檢測任務(wù)，拓展了儀器的使用空間。空氣微生物采樣器采樣效率高，采樣流量5 L/min，可捕獲6種不同粒徑大小的細(xì)菌或真菌，實(shí)現(xiàn)了空氣微生物顆粒濃度和粒子大小分布測定的功能。雙噴桿噴霧系統(tǒng)洗消效率高，噴槍噴霧高度10 m，噴霧幅度180°，噴霧流量7～9 L/min，消殺面積≥500 m2。通過裝載不同類型的洗消劑，可實(shí)現(xiàn)空氣及設(shè)備與人員表面的消毒、滅菌，媒介生物的滅殺，化學(xué)戰(zhàn)劑及毒物的洗消，放射性沾染的祛除等功能；同時(shí)可對行動(dòng)路線進(jìn)行洗消，開辟救援通道。傷員運(yùn)輸擔(dān)架安全穩(wěn)定，磨耗指數(shù)160～300，載質(zhì)量≥500 kg；使用便捷，最高搬運(yùn)速度150 m/min，可實(shí)現(xiàn)傷員的安全快速轉(zhuǎn)運(yùn)。

3.3 衛(wèi)勤偵查能力強(qiáng)

通過無線紅外監(jiān)控?cái)z像頭，可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場地形地貌、爆炸點(diǎn)、破壞程度、散布區(qū)域、污染區(qū)范圍、投放媒介生物種類、放射源及傷員位置等影像偵查功能。在4G覆蓋的區(qū)域內(nèi)，數(shù)據(jù)傳輸可將監(jiān)測圖片實(shí)時(shí)發(fā)送至平板計(jì)算機(jī)終端，準(zhǔn)確高效。同時(shí)，本裝置還可結(jié)合北斗或GPS、地理信息系統(tǒng)、移動(dòng)通信技術(shù)繪制核生化事件現(xiàn)場矢量地圖，準(zhǔn)確標(biāo)定方向、位置及距離等信息。

4 應(yīng)用效果

核生化現(xiàn)場處置遙控車主要應(yīng)用于突發(fā)核生化事件中，適用于復(fù)雜氣候、地理環(huán)境下代替人員前往污染區(qū)進(jìn)行現(xiàn)場偵檢、救治、采樣及洗消。具體包括：核生化事件現(xiàn)場地形地貌影像偵查；明確污染源性質(zhì)，搜索放射源、化學(xué)武器炸點(diǎn)、投放媒介生物種類等；核化污染現(xiàn)場劑量定性、定量檢測，污染區(qū)范圍及邊界的劃定；空氣懸浮微生物采集；核生化現(xiàn)場環(huán)境及傷員洗消；傷員搜尋及搬運(yùn)等。

選擇某野外駐訓(xùn)演習(xí)基地對核生化現(xiàn)場處置遙控車的應(yīng)用效果進(jìn)行實(shí)地檢測。試驗(yàn)條件：陰，溫度33℃，空氣相對濕度60%，風(fēng)速1.5 m/s?，F(xiàn)場試驗(yàn)證明，遙控車可靈活機(jī)動(dòng)行駛于泥濘崎嶇道路，快速通過1 000 mm×200 mm深溝及200 mm土坎，遙控可操縱距離150 m?？纱钶dHDS-101/GN手持式核素識(shí)別儀、451B電離室巡檢儀及InSpector 1000能譜儀對模擬放射源進(jìn)行搜索和偵檢，搭載AP4C軍事毒劑偵檢儀、Chempro HT化學(xué)氣體探測器、CR2000有毒有害物質(zhì)識(shí)別儀對沙林模擬劑（甲基磷酸二甲酯）進(jìn)行檢測，檢測數(shù)據(jù)圖像通過4G網(wǎng)絡(luò)傳輸至平板計(jì)算機(jī)，且檢測結(jié)果與人工檢測一致。采用空氣微生物采樣器離地高度1 400 mm采樣10 min，結(jié)果顯示，平皿1～2級采集菌落粒數(shù)占69%，細(xì)菌濃度為1 654～6 200 cfu/m3，真菌濃度為326～1 088 cfu/m3，可有效采集空氣懸浮微生物。對雙噴桿噴霧系統(tǒng)的評價(jià)顯示，滿水箱狀態(tài)下，遙控車可于13 min內(nèi)對面積約為540 m2的道路進(jìn)行噴霧洗消，最遠(yuǎn)噴霧距離11.4 m，噴霧幅度180°，最大覆蓋寬度20 m。傷員運(yùn)輸擔(dān)架展開時(shí)間20 s，撤收時(shí)間1 min，在救援人員輔助下，可于崎嶇路面快速轉(zhuǎn)運(yùn)模擬昏迷傷員（體質(zhì)量70 kg），2 min內(nèi)轉(zhuǎn)移距離約250 m，期間未出現(xiàn)傷員脫離及二次損傷的情況。

5 結(jié)語

核生化現(xiàn)場處置遙控車主要針對核生化突發(fā)事件中三防醫(yī)學(xué)救援作業(yè)設(shè)計(jì)，可滿足多因素復(fù)雜環(huán)境下核生化快速采樣、偵檢、洗消和搬運(yùn)的需求，具有功能強(qiáng)大、靈活多用、操作簡便、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)[12-13]。遙控車越野能力強(qiáng)，可快速到達(dá)指定地域，根據(jù)任務(wù)需要可搭載不同類型儀器，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)偵檢及現(xiàn)場處置，有效降低核生化污染對現(xiàn)場處置人員生命安全的威脅，提高現(xiàn)場作業(yè)效率。然而，本設(shè)計(jì)仍存在信息化程度不高、各功能模塊精細(xì)化程度較低等不足，后期將結(jié)合國內(nèi)外先進(jìn)機(jī)器人設(shè)計(jì)理念及技術(shù)進(jìn)一步優(yōu)化和拓展遙控車功能，研發(fā)第二代產(chǎn)品。綜上所述，本設(shè)計(jì)為研究新型三防醫(yī)學(xué)救援現(xiàn)場處置技術(shù)提供了重要思路，對提高軍隊(duì)?wèi)?yīng)對突發(fā)核生化事件應(yīng)急處置的保障能力具有重要意義。