多功能履帶式無人地面救援消殺車模型的設(shè)計

摘 要：目前市面上常見的救援設(shè)備有消防車、救援無人機、消毒彌霧機等，或人機不分離、或續(xù)航載荷受限、或功能單一，危險系數(shù)高，因此救援安全隱患大，人員傷亡比例高。面對日趨嚴(yán)峻和復(fù)雜的救援任務(wù)，如何實現(xiàn)人機分離、高效救援，功能完備、有效預(yù)警和偵測等顯得尤為重要。通過對多功能履帶式救援消殺車框架、機械結(jié)構(gòu)、電氣系統(tǒng)以及負載的設(shè)計研究進行詳細論述和功能測試，測試結(jié)果表明，本設(shè)計有效解決了救援過程中人機不分離、功能單一、受環(huán)境局限等難題，該地面救援消殺車既能應(yīng)用于救援，也可用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，社會效益和經(jīng)濟效益較大。

關(guān)鍵詞：履帶式；多功能；滑軌；智慧救援；無線傳輸；人機分離

中圖分類號：TP39；TH6 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）04-0-02

DOI：10.16667/j.issn.2095-1302.2024.04.036

0 引 言

當(dāng)前，一線救援人員面臨著日益復(fù)雜的滅火救援和社會救援形勢，在各類災(zāi)后搶險的過程中，傳統(tǒng)救援工具的局限性日益凸顯。傳統(tǒng)的消防車都是在通用汽車底盤、電動車或摩托三輪車的基礎(chǔ)上加裝消防器材，攜帶消防水源和救援器材等進行改進，往往只能在特定的工作場景中執(zhí)行救援任務(wù)，人機不分離、不具備多功能化和智能化特征。救援無人機實現(xiàn)了人機分離，但是續(xù)航能力和載荷能力受限[1]。

根據(jù)我國目前小型消防應(yīng)急救援車的發(fā)展現(xiàn)狀，綜合分析新時期的用戶需求和技術(shù)水平的提升狀況，小型消防應(yīng)急救援車向高機動、多功能和高效化方向發(fā)展是未來趨勢。因此，多功能無人地面救援車具有一定的研究價值和社會意義，能夠為實現(xiàn)在最短時間內(nèi)安全救出傷員提供必要的技術(shù)手段。另外，在礦山、燃氣、電力、化工等領(lǐng)域的搶險過程中，需要救援設(shè)備代替救援人員進入現(xiàn)場實施救援，無人地面救援車正是一種能夠在很大程度上保證人員安全的重要救援裝備[2]。

1 總體設(shè)計

1.1 設(shè)計框架

通過調(diào)研，總結(jié)出擬解決的關(guān)鍵問題包括：常規(guī)底盤設(shè)計不能夠適應(yīng)復(fù)雜路況的問題；常規(guī)控制系統(tǒng)不能夠解決人車分離的問題；常規(guī)設(shè)計不能夠滿足多種任務(wù)切換的問題[3]。

為了解決以上問題，綜合設(shè)計了小型多功能無人地面救援消殺車的電氣系統(tǒng)和機械系統(tǒng)，包括：履帶式行走單元，以適應(yīng)災(zāi)后復(fù)雜惡劣行走環(huán)境；無線圖像傳輸系統(tǒng)，可以從不同角度、不同距離進行現(xiàn)場環(huán)境偵查，為救援提供可靠現(xiàn)場信息；多功能模塊化負載，可實現(xiàn)方便快捷切換，滿足不同需求的救援任務(wù)和消殺場景需求[4-5]。

設(shè)計思路和路線如下：

（1）根據(jù)救援車實現(xiàn)功能的任務(wù)要求，畫出系統(tǒng)原理框圖，并進行進一步優(yōu)化，爭取做到在滿足設(shè)計要求的前提下，降低技術(shù)難度與成本，使產(chǎn)品更節(jié)能、環(huán)保。

（2）根據(jù)最優(yōu)方案進行分步機械結(jié)構(gòu)部件的圖紙繪制與加工，調(diào)試優(yōu)化再加工，做到精度高、誤差小，功能實現(xiàn)流暢。

（3）根據(jù)最優(yōu)方案選擇電氣器件及電子元件，合理選取器材型號及參數(shù)，達到系統(tǒng)的良好匹配，進行電路控制器的設(shè)計制作。

（4）系統(tǒng)的裝配與調(diào)試。完成傳感器、機械部件的相對位置裝配，將人機界面與控制器正確連接，并進行可靠編程，實現(xiàn)檢測、可視化控制等功能。

（5）系統(tǒng)調(diào)整：根據(jù)實驗實訓(xùn)調(diào)試結(jié)果調(diào)整傳感器靈敏度等。

1.2 機械設(shè)計

模型機械系統(tǒng)的設(shè)計主要包括履帶行走單元裝置、水平回轉(zhuǎn)舵機、云臺俯仰舵機和滑軌。救援車使用履帶行走裝置，可以增強救援車的適用性，適應(yīng)更復(fù)雜的路面環(huán)境，如泥濘地面、雪地等；救援車還可以完成原地掉頭等動作。水平回轉(zhuǎn)舵機固定在車體上，輸出軸通過舵盤連接在回轉(zhuǎn)平臺上。云臺俯仰舵機通過支架固定在回轉(zhuǎn)臺上，外殼在舵機底部。負載部分和車體之間的連接采用滑軌實現(xiàn)，方便外置負載快速切換[6]。

履帶式小車底座主體的兩側(cè)設(shè)置有履帶輪，履帶式小車底座主體的頂端表面設(shè)置有防護機構(gòu)，防護機構(gòu)包括固定板，固定板表面有連接柱，且連接柱遠離固定板的一端插設(shè)有安裝塊，安裝塊底端表面有連接塊，且連接塊遠離的表面焊接有緩沖彈簧，緩沖彈簧的內(nèi)部插設(shè)有導(dǎo)向柱，導(dǎo)向柱兩端固定連接防護框，防護框內(nèi)部通過軸承安裝轉(zhuǎn)動輥，連接柱的側(cè)面設(shè)置有組裝機構(gòu)[7]。車體示意圖如圖1所示。

1.3 電氣設(shè)計

為實現(xiàn)更穩(wěn)定、更精確的遠程動作控制，采用飛行器模型的無線電遙控裝置，其主要利用2.4 GHz短距離無線傳輸技術(shù)。發(fā)送系統(tǒng)為標(biāo)準(zhǔn)航模遙控器，接收系統(tǒng)為輸出

1 000～2 000 μs占空比信號的接收機；動力系統(tǒng)由電源、電機、電調(diào)等模塊構(gòu)成[8]。

本車采用一顆370三級行星減速電機為履帶提供動力，電機的調(diào)速采用一片13A雙路雙向有刷電調(diào)，舵機云臺采用兩個MG995舵機，扭矩為13 kg/cm，控制部分采用標(biāo)準(zhǔn)航模遙控器，接收機輸出1 000～2 000 μs占空比信號，市面上大多數(shù)電調(diào)/舵機都可以使用。本車還安裝有繼電器，可以用作較大工作電流的外部負載控制，供電系統(tǒng)采用一個

8.4 V降壓模塊，一個5 V降壓模塊以及一個3.3 V降壓模塊，分別為外部負載、舵機、接收機、圖傳以及攝像頭供電。主電源采用一塊3S（11.1 V）2 200 mA·h電池，動力系統(tǒng)采用電池供電。模型動力系統(tǒng)組成如圖2所示。

1.4 負載設(shè)計

為滿足傳統(tǒng)的清障救援任務(wù)、滅火任務(wù)、防疫消殺等任務(wù)需求，設(shè)計了多種負載，負載之間通過滑軌切換[9]?；壥疽鈭D如圖3所示。

1.4.1 機械臂

機械臂主要包括大臂、小臂以及抓手，其中機械臂的動力主要以90°金屬齒舵機提供。大臂下端直接連接到車身舵機云臺的滑軌上，大臂的回轉(zhuǎn)運動以及俯仰運動由舵機云臺提供動力。小臂后端連接在大臂的上端，小臂前端連接抓手部分。小臂的控制采用平行四邊形機構(gòu)，結(jié)合舵機完成抬升和下降動作。抓手可以進行上抬、下降、左右滾轉(zhuǎn)，具有抓取功能，抓手上抬、下降結(jié)構(gòu)與小臂控制類似，將180°舵機連接在上抬、下降結(jié)構(gòu)后方，舵機輸出軸連接抓手以實現(xiàn)左右各90°的滾轉(zhuǎn)控制。通過平行四邊形機構(gòu)和齒輪的傳動控制抓手的松開和抓取動作[10]。

1.4.2 滅火彈發(fā)射系統(tǒng)

發(fā)射系統(tǒng)中的滑軌設(shè)置了兩組，兩組滑軌之間還設(shè)置有舵機云臺，舵機云臺的兩端皆安裝有滑輪，且滑輪延伸至滑軌內(nèi)部，舵機云臺的上端一側(cè)設(shè)有限位機構(gòu)和安裝塊。安裝塊的上端設(shè)有轉(zhuǎn)動塊，轉(zhuǎn)動塊上端設(shè)有安裝座，安裝座上端設(shè)有發(fā)射器，發(fā)射器上端設(shè)有激光瞄準(zhǔn)器，發(fā)射器內(nèi)部設(shè)置有滅火彈。通過設(shè)置有限位機構(gòu)，可以對舵機云臺的位置進行調(diào)節(jié)，從而調(diào)節(jié)發(fā)射器的位置，使滅火彈的發(fā)射更加精準(zhǔn)。同時，對舵機云臺調(diào)節(jié)后的位置進行限定，避免舵機云臺在發(fā)射滅火彈后的后坐力影響滅火彈的準(zhǔn)確性，進一步提高了滅火彈發(fā)射的準(zhǔn)確性，使滅火彈的使用效果更好。

1.4.3 噴灑系統(tǒng)

噴灑系統(tǒng)包括藥箱、蓄料槽和水槽。藥箱的頂端分別安裝有蓄料槽與水槽，蓄料槽的底端內(nèi)部插設(shè)有限位塊，且限位塊的底端連接定量機構(gòu)。定量機構(gòu)包括第一轉(zhuǎn)動桿，第一轉(zhuǎn)動桿的中心位置處固定套設(shè)有轉(zhuǎn)輪，轉(zhuǎn)輪左側(cè)表面嚙合有拉桿，拉桿正面與背面對稱連接有滑桿，滑桿底端表面對稱固定連接有彈簧。藥箱內(nèi)部中心位置通過軸承安裝第二轉(zhuǎn)動桿，第二轉(zhuǎn)動桿的表面固定套設(shè)葉輪，藥箱左側(cè)內(nèi)部固定安裝第二擋板，右側(cè)內(nèi)部安裝第一擋板。

2 模型測試結(jié)果

在比較和實證基礎(chǔ)上開展設(shè)計研制工作，在研究過程中運用文獻研究、設(shè)備系統(tǒng)分析、企業(yè)調(diào)研、經(jīng)驗總結(jié)等，借助實現(xiàn)手段，對無線電系統(tǒng)、機械臂系統(tǒng)等工作原理做深入分析。結(jié)合分析基礎(chǔ)，分別設(shè)計并利用3D打印對履帶式機械外殼、機械臂、噴灑系統(tǒng)、滅火彈發(fā)射系統(tǒng)進行加工。組裝試制階段，將無線電遙控系統(tǒng)應(yīng)用到系統(tǒng)中，并改進不合理的部分。通過對機械構(gòu)造和電氣功能進行反復(fù)測試，最終設(shè)計研制出了多功能救援消殺車樣機，并對整機進行充分測試，測試結(jié)果顯示可以實現(xiàn)諸多功能。

（1）人機分離，安全保障

多功能履帶式無人地面救援車采用無線電遙控裝置和無線圖像傳輸系統(tǒng)，具備很好的自主控制、圖像傳輸能力，能夠有效實現(xiàn)人機分離。

（2）負載切換，功能齊全

多功能履帶式無人地面救援車現(xiàn)階段提供3種負載，能夠通過滑軌輕松切換。

（3）履帶行走，機動靈活

多功能履帶式無人地面救援車外觀核心為履帶式行走單元，較傳統(tǒng)輪式行走單元而言，封閉的鏈條配合主動輪、從動輪的高度和距離，更能適應(yīng)雪地、溝壑等戶外救援環(huán)境。

3 結(jié) 語

本文對救援消殺車的總體設(shè)計進行了描述，測試結(jié)果顯示，該設(shè)計的行走性能、負載切換模塊性能和負載性均可較好實現(xiàn)。調(diào)查顯示，全國范圍內(nèi)安全監(jiān)管、安全服務(wù)、安全技術(shù)應(yīng)用人才和設(shè)備缺口大，面對日益復(fù)雜的滅火救援和社會救助任務(wù)，在應(yīng)對各類地震救援、抗洪搶險等方面，多功能救援消殺車有著廣闊的應(yīng)用前景。

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收稿日期：2023-03-28 修回日期：2023-04-28