基于麥克納姆輪的全方向移動消防偵查機器人概念設(shè)計

嚴陳凱　杜玉　伍智泓

關(guān)鍵詞：麥克納姆輪;消防偵查機器人;全向移動;智能化

中圖分類號：TB472 文獻標識碼：A

文章編碼：1672-7053（2022）06-0158-03

服務(wù)機器人指從事生產(chǎn)的設(shè)備外，能半自主或全自主完成有益于人類服務(wù)工作的機器人，智能化是服務(wù)機器人的主要發(fā)展方向[1]。消防機器人作為特種服務(wù)機器人，可在特殊環(huán)境下執(zhí)行災(zāi)情偵察、火源撲滅、人員搜救等任務(wù)[2]。時下我國經(jīng)濟迅猛發(fā)展，城市化日益加速，城市環(huán)境和建筑結(jié)構(gòu)愈發(fā)復(fù)雜，社會生產(chǎn)生活中的火災(zāi)隱患增多，危險品泄漏、燃燒、爆炸等事故也時有發(fā)生?；馂?zāi)情況險象環(huán)生，消防隊員與被困人群同樣面臨生命危險，為提高救援效率和質(zhì)量，消防機器人的發(fā)展已成為大勢所趨。技術(shù)驅(qū)動創(chuàng)新，目前消防機器人在基本功能和技術(shù)實現(xiàn)方面已逐步完善，其在復(fù)雜險情中的應(yīng)用也體現(xiàn)出“以人為本”的價值精神[3]。伴隨人工智能和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷深入，消防機器人的未來發(fā)展將如何與時俱進，如何從工業(yè)設(shè)計角度提出更加精準的定位設(shè)計，是值得持續(xù)探討的話題。

1消防機器人發(fā)展現(xiàn)狀與未來發(fā)展方向

1.1消防機器人代替人類工作的情況日益普遍

消防機器人屬于特種機器人范疇，能夠代替消防人員進入高溫、濃煙、缺氧、有毒、狹小空間等火災(zāi)現(xiàn)場，開展火場偵查任務(wù)，完成偵測破拆、滅火排煙、搜尋救人、滅火排煙等工作，既能保護消防人員的人身安全，又能提高事故發(fā)生后的消防救援能力和效率[4]。由于其依托日趨完善的機器人研發(fā)技術(shù)，具有愈發(fā)精準的自控制系統(tǒng)，搭載芯片的智能水準飛躍式提升，可以代替消防人員深入爆炸區(qū)域及火場，應(yīng)對高危環(huán)境下的特殊緊急險情，近年來越來越受到各國研發(fā)人員的重視，得到迅速發(fā)展。

相較人工救援，機器人在消防領(lǐng)域具備得天獨厚的工作優(yōu)勢，可以輔助消防官兵完成特殊環(huán)境下的救援任務(wù)，保障公共安全。從實際運用情況來看，消防機器人主要分為火場偵察機器人、滅火機器人、排煙機器人、危險物品泄漏探測機器人以及多功能消防機器人等，可以通過自適應(yīng)、線控和無線遙控等方式進行操控[5]。

1.2我國消防機器人發(fā)展現(xiàn)狀

我國消防類特種機器人起步較晚，研發(fā)及生產(chǎn)落后于美、日和歐洲較多，且目前國內(nèi)自主研發(fā)機器人，如“JMX-LIT50”履帶式機器人等仍有價格高、數(shù)圖傳距短、遠傳圖像不清晰、移動平臺體積大、重量沉，無法進入狹小通道等問題[6]，智能消防救援裝備的研制在我國火災(zāi)救援領(lǐng)域仍有較大進步空間。

由于我國當前研究成果較少，成品主要依賴進口，成本較高，目前普及程度十分有限。除受技術(shù)和成本限制外，現(xiàn)有消防機器人操控難度較高，功能相對單一，行進受限較多，信號干擾嚴重，配合較少，未成體系，在真正的消防工作中尚難發(fā)揮實踐價值，目前在我國僅多用于預(yù)防演習(xí)和宣傳活動。

1.3未來消防機器人的研發(fā)方向

消防機器人作為一種非生命的載體，可以代替消防人員深入危險區(qū)域，完成探測偵查和滅火施救。其在保證救災(zāi)人員的安全下的同時可以安全有效地對現(xiàn)場資料進行收集反饋，幫助消防人員在短時間內(nèi)掌握火情，制定滅火救援計劃，提升救援效率，爭取寶貴時間。長遠來看，智慧化機器人的數(shù)據(jù)收集和記錄，有助于后續(xù)技術(shù)人員研究救援技術(shù)，優(yōu)化救援流程，改良救援產(chǎn)品，實現(xiàn)持續(xù)良性發(fā)展。

未來消防機器人將朝著功能多樣化、設(shè)備輕量化、與信息技術(shù)相結(jié)合、與人機交互技術(shù)相結(jié)合、與人工智能相結(jié)合等方向快速發(fā)展。無論未來無論機器人技術(shù)如何發(fā)展，消防機器人的設(shè)計都必須從實際滅火救援的角度出發(fā)，滿足消防部隊的實際需要，這樣才能激發(fā)其在實際應(yīng)用中的實力與潛力，逐步取代人力，在救援過程中發(fā)揮關(guān)鍵的作用。

具體來說，未來消防機器人的研發(fā)方向?qū)w現(xiàn)在以下幾個方面。未來的消防機器人將集多種功能于一身，優(yōu)化現(xiàn)有技術(shù)，使其不只是單一功能型機器人，而可以適配多種火場險情。機器人的輕量化設(shè)計將成為趨勢，其依托材料科學(xué)的發(fā)展，一方面減少能源損耗，延長待機時間，另一方面也使其更加靈活于穿梭在狹小火場展開救援。借助5G通信技術(shù)，未來的消防機器人將依托遠程控制中心，將現(xiàn)代化技術(shù)、材料與消防機器人相結(jié)合，添加電子技術(shù)、傳感元件、可視化技術(shù)等，實現(xiàn)更為靈活的指揮與操控，提升消防救援的整體作戰(zhàn)能力。機器人設(shè)計中引入VR等現(xiàn)代技術(shù)的人機交互模式，可以為操作者提供火災(zāi)現(xiàn)場高度真實的實況模擬，從而提前完成救援預(yù)測與研判，減少失誤。而發(fā)展人工智能，可以在人力無法企及的情況下，引導(dǎo)機器人自主應(yīng)對非結(jié)構(gòu)化陌生現(xiàn)場，完成地圖構(gòu)建、主動識別障礙物、自主評估風(fēng)險、實現(xiàn)路徑規(guī)劃、實現(xiàn)自主作戰(zhàn)。

2麥克納姆輪在消防機器人中的應(yīng)用優(yōu)勢

麥克納姆輪是一種可全方位移動的全向輪，是瑞典麥克納姆公司的專利。麥克納姆輪由輪轂和圍繞輪轂的輥子組成，麥輪輥子軸線和輪轂軸線夾角成45°，在輪轂的輪緣上斜向分布著許多小輪子，即輥子，故輪子可以橫向滑移。輥子是一種沒有動力的小滾子，小滾子的母線很特殊，當輪子繞著固定的輪心軸轉(zhuǎn)動時，各個小滾子的包絡(luò)線為圓柱面，所以該輪能夠連續(xù)地向前滾動，由4個這種輪加以組合，可以使機構(gòu)實現(xiàn)全方位移動功能[7]。

由于麥克納姆輪結(jié)構(gòu)緊湊、運動靈活，能夠?qū)崿F(xiàn)機器人前行、橫移、斜行、旋轉(zhuǎn)及其組合運動方式，并適應(yīng)多種地形，非常適合在空間有限、作業(yè)通道狹窄的火場環(huán)境中行進。若將麥克納姆輪進行履帶化設(shè)計，可以使其在擁有良好靈活性的同時擁有更好的通過性，適應(yīng)更為復(fù)雜的地表情況。如能搭載雙叉臂獨立懸架結(jié)構(gòu)的避震系統(tǒng)，更可增加機器人的穩(wěn)定性與可靠性，擁有更好的越障與運輸重載能力。

3基于麥克納姆輪的消防機器人模塊設(shè)計分析

3.1麥克納姆輪與消防模塊設(shè)計分析

基于麥克納姆輪結(jié)構(gòu)的消防機器人可具備適應(yīng)性強、移動便捷的特征，機器人可以良好地適應(yīng)復(fù)雜的工作環(huán)境，可搭載多種感應(yīng)元件與偵查攝像頭，識別和測量周圍物體，實現(xiàn)現(xiàn)場偵測與人員搜尋。機器人亦可配備機械臂、全方位水槍等裝備模塊，根據(jù)現(xiàn)場情況開展障礙破除和緊急撲救。模塊化設(shè)計有助于拆卸、維修、原料填充和設(shè)備升級，可使機器人適應(yīng)性更強，靈活度更高，且延長使用壽命，提升工作效率。未來基于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和人工智能的發(fā)展，在成本允許的情況下，還可將研發(fā)重點轉(zhuǎn)移到自動化和智能化達成上，為設(shè)備添加視覺避障、生命檢測、火情評估等功能，使其可以根據(jù)工作任務(wù)和周圍環(huán)境的情況，結(jié)合已有的機械設(shè)備和工作能力，確定自己的工作步驟和工作方式，實現(xiàn)在沒有操作人員的情況下自主救援，贏得時間，挽救生命和財產(chǎn)。

3.2消防機器人部分模塊概念設(shè)計分析

除移動行進機構(gòu)外，針對消防機器人的工作性質(zhì)和工作環(huán)境，基于現(xiàn)有的技術(shù)水平和元件發(fā)展，以下從中央控制、機械臂、感應(yīng)系統(tǒng)、減震裝置等幾個模塊對其進行概念設(shè)計分析。

3.2.1中央控制模塊概念設(shè)計分析

控制系統(tǒng)是機器人的核心，其集中管理和控制行進中的機器人，以實現(xiàn)既定的性能指標?？紤]到消防機器人是在火災(zāi)環(huán)境這樣的高溫條件下工作，其主體控制模塊應(yīng)選擇耐高溫的機構(gòu)搭載。目前市面上多種單片機機構(gòu)已可以實現(xiàn)高溫條件下的穩(wěn)定工作，加之防火耐高溫材料的發(fā)展，未來的消防機器人控制系統(tǒng)勢必確保惡劣火場環(huán)境下其自身設(shè)備的正常運轉(zhuǎn)。

3.2.2機械臂模塊概念設(shè)計分析

消防機器人的機械臂是保證滅火供水穩(wěn)定的關(guān)鍵，機械臂的設(shè)計應(yīng)朝著抗壓、強結(jié)構(gòu)、耐腐蝕、靈活便攜等方向努力，保證其在供料過程中可以穩(wěn)定支撐燃料管工作，可以精準噴射滅火材料。機械臂的結(jié)構(gòu)形態(tài)應(yīng)盡可能體現(xiàn)一體化設(shè)計，優(yōu)化內(nèi)部電機、轉(zhuǎn)軸及電路系統(tǒng)，提升抗環(huán)境干擾能力，實現(xiàn)模組化，方便維修和更換。

3.2.3感應(yīng)系統(tǒng)模塊概念設(shè)計分析

感應(yīng)系統(tǒng)是機器人檢測火場情況，提供即時反饋，保障操作者人員實施交互作業(yè)的媒介。目前電子市場已能找到較多模塊傳感器組合體，可實現(xiàn)檢測溫濕度、煙霧程度和火焰光線，亦可檢測到由各種燃燒生成物、中間物、高溫氣體、碳氫物質(zhì)以及無機物質(zhì)為主體的高溫固體微粒，這些模塊組件的使用將會為后期設(shè)計提供基礎(chǔ)。感應(yīng)系統(tǒng)應(yīng)盡可能搭載智能化和精準化檢測模塊，除提供現(xiàn)場環(huán)境監(jiān)測外，還可提供現(xiàn)場語音交互和逃生路線指引。從設(shè)計心理學(xué)的角度出發(fā)，感應(yīng)系統(tǒng)可幫助消防機器人第一時間掌握火場受害者情形，輔助聲光系統(tǒng)則有利于安撫驚慌失措的人群情緒，扮演“救命稻草”角色，提供科學(xué)安全的疏散指導(dǎo)方案。

3.2.4減震模塊概念設(shè)計分析

機器人的減震裝置設(shè)計，應(yīng)確保機器人適應(yīng)坍塌等惡劣地形，在工作運動過程中避免機身傾覆和劇烈晃動。目前市面上的高彈性減震器已經(jīng)具備體積小、重量輕、易安裝、適配行強的特點，基本可以保證車身在不同探測場合的行進穩(wěn)定性。介于消防機器人的特殊服務(wù)環(huán)境，為保護其主體部分不受損壞，造型設(shè)計中可增設(shè)專用保險杠，在發(fā)生碰撞時進一步減少核心元件的損害程度。

4全方向移動消防偵查機器人概念設(shè)計

基于上述分析，文章提出了基于麥克納姆輪機構(gòu)的全方向移動消防偵查機器人概念設(shè)計方案：方案機器人以偵查功能為主，其對于不同環(huán)境的適應(yīng)性強，可利用麥克納姆輪結(jié)構(gòu)和減震系統(tǒng)實現(xiàn)全地形自主通過;機器人搭載前置攝像頭和搜索模塊，可識別火情和生命痕跡;配備機械臂和供料管，可引導(dǎo)后方高壓水槍實施救援。方案展示如圖1所示。

方案中，消防機器人各功能模塊設(shè)定如下：

控制系統(tǒng)模塊選擇抗高溫的單片機作為主體核心，通過控制各個感應(yīng)裝置的信息傳達狀態(tài)確保消防機器人能高效工作。各傳感器能準確感應(yīng)受災(zāi)狀況并及時反饋給中央控制系統(tǒng)，結(jié)合智慧化操作系統(tǒng)，可自主或半自主地給出及時高效的最佳應(yīng)對選擇。

機械臂模塊采用連桿機構(gòu)，制造容易，傳遞載荷大，并可以實現(xiàn)急回運動。機械臂前端采用齒輪嚙合傳動，能夠有效地保證傳動的精確度和足夠的力矩。在機器人遇到障礙物難以通過或救助人員受到重物積壓時，機械手臂可以精準抓取重物完成工作目標，清除障礙提高救援速度。機械臂兩側(cè)配置高壓消防水槍，水通過水泵吸入經(jīng)壓縮后流經(jīng)水管，最后經(jīng)水槍射出，水槍通過控制出水嘴的流量來控制水的分散大小，實施滅火。機器人的主水槍選用消防專用的多用途水槍，既可以噴射直流射流，又可噴射霧狀射流，并可以噴射干冰、干粉等滅火噴霧，幾種模式可以互相交換組合使用，機動性好，對火場適應(yīng)性好。

彈簧減震模塊設(shè)置于機器人后輪部分，使得其在遇到障礙物或臺階時，可以有效提升穩(wěn)定性、增強避震效果，以提升其在復(fù)雜地形環(huán)境下的越障能力。因機器人的底盤位置較低，底盤架采用連桿機構(gòu)連接前后輪，保證機器人運動靈活，實現(xiàn)全方位移動通過性。

綜合來看，理想狀態(tài)下的消防機器人可匹配智慧化交互模式，實現(xiàn)遠程操控和自主行動。其主要操控方式為操作員通過VR眼鏡實施觀察，利用操作臺實施控制：麥克納姆輪可使機器人進行全方向靈活移動，前LED大燈照明前方道路，便于觀察及行進;多傳感器實時對火場情況進行測繪，將火場情況、數(shù)據(jù)信息通過5G傳輸?shù)娇刂浦行?機器人亦可自主搜尋待救人員，研判火場溫度、火焰強度及煙塵情況，可自主選擇行進方向并主動避障;如遇障礙物需要暴力破除，可使用上方機械臂配合攝像頭觀測完成快速拆除;如需救火，其搭載的高壓水槍可在指揮臺控制下完成精準噴射。部分滅火作業(yè)場景模擬如圖2所示。

在尺寸設(shè)定方面，消防機器人整體長900mm，寬720mm，高900mm—1200mm可伸縮調(diào)節(jié)。配備的可替換機械臂能夠?qū)崿F(xiàn)水平方向360°旋轉(zhuǎn)垂直方向120°轉(zhuǎn)動，確保消防機器人四周火情能及時控制，工作范圍全面。偵查模塊位于主體前上方，可實現(xiàn)360°全方位轉(zhuǎn)動與上下50mm范圍移動，具備良好的觀測視野，確保工作人員在后臺對探查范圍及時做出反應(yīng)，如圖3所示。機器人可搭載φ150mm直徑高壓水槍，匹配多種滅火材料以適應(yīng)不同火場環(huán)境。機器人底盤自重約800kg，設(shè)計載重為350kg。

材質(zhì)選擇上，因消防機器人一般會在石化場所、煤氣泄漏現(xiàn)場或其他火災(zāi)狀況惡劣的高危環(huán)境中工作，需要保障其具備一定防爆能力，該消防機器人的主體材料選用304不銹鋼、合金鋼板、鍍鋅管等，防爆強度高且耐腐蝕性強。表面采用噴塑處理，為紅加黑磨砂質(zhì)感，符合消防裝備的整體色調(diào)。麥克納姆輪機構(gòu)采用內(nèi)嵌凱夫拉纖維材質(zhì)的優(yōu)質(zhì)橡膠，具有良好的柔韌性，更加靈活機動。

產(chǎn)品語意表達方面，此機器人設(shè)計以中國紅為主色調(diào)，黑色作為底色，取名為“碧血丹心”，體現(xiàn)其為消防事業(yè)奮斗到底的進取精神。色彩表達中，黑色代表質(zhì)地堅硬，穩(wěn)固可靠，并體現(xiàn)高科技感。而紅色醒目張揚，飽含熱情，匹配傳統(tǒng)消防認知，融入人文考量，賦予該機器人明確的功能定位。機器人整體色彩鮮明大氣，彰顯出現(xiàn)代感和設(shè)計感。

5結(jié)語

火災(zāi)的發(fā)生對社會危害巨大，火災(zāi)救援亦是對消防系統(tǒng)設(shè)備配置、人員素質(zhì)、政策意識等的重大考驗，是對遇險人員和消防官兵人身安全的重大威脅。時下城市建筑結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜，滅火救援難度增大，隨著機器人技術(shù)的完善和普及，智能化消防設(shè)備發(fā)展已成為趨勢，將會愈加擁有其實用價值。文章是對智慧化消防設(shè)備的設(shè)計探討，旨在探索科技化背景下消防機器人的研發(fā)走向和功能特征，力求運用科技成果保障社會財產(chǎn)和人身安全。文中所給出的設(shè)計方案還屬于概念化探索階段，僅提供一個可行的設(shè)計思路，長期的規(guī)劃和研發(fā)還有很多具體內(nèi)容有待進一步研討。