高速公路隧道智能滅火機器人的設計與研究

摘 要：根據高速公路隧道火災的特點，本文設計研究了一種第一時間探測、報警、滅火的高速公路隧道火災消防機器人的系統方案，該類型的機器人具有較小的安裝空間、更大的工作區域以及靈活可靠地滅火機械。這種類型的消防機器人的應用研究對高速公路隧道火災具有重要意義。

關鍵詞：高速公路隧道；火災；機器人

中圖分類號：TP242 文獻標識碼：A 文章編號：1674-7712 （2014） 02-0000-02

近幾年來，隨著我國的高速公路不斷發展，世界各地隧道火災事故頻發。高速公路隧道一旦發生災害事故，面臨著封閉、高溫、黑暗、有毒和濃煙等惡劣的危害環境，燃燒蔓延快，煙霧擴散迅速，疏散難度大，若沒有相應的滅火設備很難將火災撲滅，甚至可能造成慘烈的人員傷亡。面對新時期面臨的新情況新任務，也為了更好地解決高速公路隧道火災難題，消防滅火機器人的配備顯得日益重要。

一、高速公路隧道滅火機器人的工作要求

根據高速公路隧道火災的原因及特點，對滅火機器人系統方案設計的工作要求如下：（1）滅火對象為隧道內的車輛、電纜、線路、易燃易爆等。（2）機器人具有感應探測功能，即第一時間發現并控制滅火。（3）具有無人值守系統的及時響應和全自動化功能，即發現火災報警后，機器人可以迅速到達火災現場，打開自動滅火器撲滅火災。（4）為了適應高速公路隧道的特殊環境，機器人應該具有對電磁場的抗干擾的能力。該系統應適合地下惡劣環境。（5）整個系統的安裝不能改變高速公路隧道斷面和侵占建筑物區界。此外，方便、易于維護和修理、費用低及較長的服役期也是必需的。

二、滅火機器人系統方案設計

根據滅火機器人的高速公路隧道火災的工作要求，我們設計的滅火系統由兩部分組成。一部分是固定的檢測報警系統，沿高速公路隧道兩側鋪設，另一部分是多個滅火機器人，處于待命狀態，準備好隨時行動。

這種消防機器人包括探測系統、自動控制系統、通信系統、機械運動系統、自動滅火裝置等幾個部分。滅火機器人懸吊在高速公路隧道頂部。采用通過輪軌進行平移的方式，它可以在高速公路隧道頂部沿固定輪距飛快跑動。一旦火災發生，機器人可以很快移動到火災現場，調整位置和姿態，然后，打開噴射裝置噴射滅火劑，實施滅火。從而防止了火勢蔓延，減少人員傷亡。

（一）探測功能。高速公路隧道智能移動滅火機器人，采用兩種新型傳感器進行檢測和報警。一個是內部傳感器，該傳感器不僅可以感知高溫，還可以感知煙霧壓力。當溫度達到一定值時，感光芯片中鈦鎳形狀記憶彈簧的膨脹力大于用來抵消彈簧的恢復力，從而導線連通電路，發生報警。當煙霧微粒或氣體壓力增大到一定域值時，反射光纖傳感器也會報警。同時裝載攝像頭可將現場情況通過通信網絡實時傳輸給后方系統處理。另一類是外部傳感器，用來探測災害事故現場的各項數據（障礙物情況、火場溫度、輻射熱強度、有毒氣體或者可燃氣體種類和濃度和氧氣含量等），為后方處理系統提供原始數據。

（二）控制處理系統。由于DSP（數字信號處理系統）在處理數字信息方面與單片機相比具有無可比擬的優勢，因此，隧道滅火機器人采用DSP作為信息處理大腦。通過各種傳感器探測災害事故現場實際數據，再由DSP對原始數據進行分析處理。

（三）通信網絡系統。一個直接采用3G網絡進行遠程無線數據通信，并能實施雙工乃至多工通信；另一方法便是線控。在封閉的隧道事故現場，無線網絡容易受到信號干擾，造成通信不暢。所以，還必須鋪設固有的有線線路對滅火機器人進行線控

（四）機械運動系統。這也是滅火機器人最核心的系統。機械運動系統如圖2（a）所示。它的底座懸吊在高速公路隧道頂部，可以向前和向后平移。當機器人不需要工作時，它們折疊起來處在圖2（b）所示的狀態。這時，它們在高速公路隧道頂部占用的空間非常小。為了確保更大的工作空間和靈活的運動，我們對機器人的身體采用自由度為5°的聯動機制，如圖2（c）所示。該機器人的驅動系統包括驅動輪、輸出軸、支撐套筒、軸承端、支撐輪、電磁鐵、彈簧、支撐板和電機等組成。

根據手臂的負載和手臂結構的特點，矩形空心薄壁框架和圓形空心管的結構被用于大臂的設計。通過使用此方法，增加了抗彎剛度和抗張剛度，并減少了重量。同時，在中空結構的內部設置機器人的傳輸系統非常方便，在這里我們選用同步帶。因為同步帶的傳動是依賴嚙合結構傳輸動作和力量的，皮帶和滑輪之間沒有相對滑動，可以保證精確的傳動比。而且，由于這種類型的皮帶又薄又輕，它能夠在高速傳輸中使用。線性速率可以達50米/秒，傳動比可以達到10，效率可以達到98%。這種傳輸類型具有噪聲更小和適切度更好的優點。它不需要潤滑劑，其壽命比摩擦帶更長。正確選擇橫截面的形狀和輕的高強度材料對傳輸有很好的作用。

由于手腕位于手臂末端，為了減少手臂的負載，手腕部件的結構應盡可能緊湊，從而減小重量和體積。遠程獨立傳輸用于手腕的驅動裝置。為了提高手腕的運動精度，驅動器被安裝在手臂的后端。傳動軸用于遠程獨立傳輸以增加傳動剛性。同時，為了避免因關節超限而發生事故，極限開關和連接制動片需要安裝在手腕的關節軸內部。旋轉接頭用于腰關節、肩關節和肘關節。這些關節的自由度量為3°；旋轉接頭還用于腕關節和手。這兩個關節自由度為2°。以這種方式，前3個關節可以控制手腕的位置，后2關節可以控制手腕的姿態。這5個轉動部件的自由度合起來就可以控制機械臂末端的位置和姿態。

（五）滅火功能。消防機器人通過前期收集匯總處理的所有火災數據進行綜合判斷，對火災位置進行第一時間噴射滅火劑進行滅火。另一方面，現場指揮員也根據機器人傳回的前方事故現場情況的信息，通過后方輔助決策系統做出正確判斷，發出遙控指令，指揮消防機器人進行現場處置。

三、結束語

我國現已成為世界上隧道最多，結構最復雜，建設發展速度最快的國家之一。智能滅火機器人的設計研究為高速公路隧道火災提供了一種新的智能的滅火方法。它可以廣泛應用于高速公路隧道、高速公路隧道、鐵路隧道等惡劣狹小封閉的火災空間。

參考文獻：

[1]王軍.偵查滅火機器人的設計與研究[J].城市建設理論與研究，2012.