高层建筑消防机器人研究现状及问题探讨.doc

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高层建筑消防机器人研究现状及问题探讨

摘要：

从高层建筑消防的实际需要出发,简要分析了国内外消防机器人的发展现状,详细介绍了几种高层建筑消防机器人实现方案，并提出了存在的主要问题和针对存在的问题提出了研究方案设想。

关键词：

高层建筑；救援；消防机器人

1引言

随着我国经济的迅猛发展，尤其是改革开放之后，近年来，城市建筑越来越高，高层、超高层建筑节省了大量宝贵的土地资源，提高了利用率，成为了建设者与居民的首选建筑类型。

但是，高层建筑的快速发展导致了许多意想不到的问题，其中又以消防问题最为严重，而且还变得越来越严重。

建筑楼层高度增加的速度已经远远的超过了消防设施的更新替换。

一旦高层建筑发生火灾，那么目前高层建筑配置的消防设施很难对起火点进行有效的灭火，导致火势不断扩大蔓延，引起更多的灾害，使得人们的生命财产安全严重的伤害。

因此，人们越来越重视高层建筑的消防安全问题，以及高层建筑火灾的防治措施。

此外，目前我国在高层建筑防火政策还不够完善，高层建筑的消防安全仍旧是一个“世界性”的难题[1]。

针对越来越多的高层建筑火灾，消防云梯车等消防救援设备并不能完全满足高层建筑消防的实际需要。

由于高层建筑楼梯间、电梯井、管道井等竖井的烟囱效应和风力影响，使火势迅速蔓延，消防人员无法从建筑内部或通过云梯进行灭火和救援。

云梯的高度限制及运动不够灵活等因素使高层建筑火灾的扑救难以实施。

目前，国内一些研究单位，研制了能携带高压水枪在消防人员遥控下进行灭火的移动消防机器人，这种机器人对非建筑火灾或中低楼层的灭火有一定的作用，但对高层建筑也无能为力。

国外有直升飞机应用于高层建筑消防的先例，但国内使用和推广都受到一定的限制。

基于高层建筑火灾现场的特征及传统消防设备的上述缺欠，很有必要研制一种能够应用于高层建筑的消防救援机器人[2]。

2国内外消防机器人的发展现状

高层建筑消防机器人属于消防机器人的一种类型，是机器人家族新近涌现出的一名成员，国际上较早开展消防机器人研究的是美国和苏联，而英国、日本、法国、德国等国家也纷纷开始研究该类技术。

目前，已有很多种不同功能的消防机器人用于救灾现场。

从各国的研究情况来看，消防机器人应具有三个方面的作用:

在短时间内实现对火情的侦察;能够对被困火中的人员进行有效地救助;能够携带一定量的灭火剂进行灭火。

消防机器人按其智能化程度可分为三代。

第一代属于简易的遥控消防机器人，第二代是具有感觉功能的计算机辅助遥控消防机器人，第三代是智能化消防机器人。

目前，工业发达国家正在加快开发具有不同功能的实用型第二代消防机器人和第三代低级智能化消防机器人，着手研究第三代高级智能机器人，并且把研究开发消防机器人列入国家技术发展规划，将它作为经济发展的一个重要保证手段。

目前，日本在消防机器人的研究方面处于世界领先地位，投入应用的消防机器人最多，共有5种消防机器人。

（1）遥控消防机器人。

1986年第一次使用了这种机器人。

当消防人员难于接近火灾现场或有爆炸危险时，可使用这种机器人。

这种机器人装有履带，最大行驶速度可达10km/h，每分钟能喷出5t水或3t泡沫。

（2）喷射灭火机器人。

这种机器人于1989年研制成功，属于遥控消防机器人的一种，用于在狭窄的通道和地下区域进行灭火。

机器人高45cm、宽74cm、长120cm，由喷气式发动机或普通发动机驱动行驶。

当机器人到达火灾现场时，为了扑灭火焰，喷嘴将水流转变成高压水雾喷向火焰。

（3）消防侦察机器人。

消防侦察机器人诞生于1991年，用于收集火灾现场周围的各种信息，并在有浓烟或有毒气体的情况下支援消防人员。

机器人有4条履带，一只操作臂和9种采集数据用的采集装置，包括摄像机、热分布指示器和气体含量测量仪。

（4）攀登营救机器人。

攀登营救机器人于1993年第一次使用。

当高层建筑物的上层发生火灾时，机器人能够攀登建筑物外墙壁调查火情，并进行营救和灭火工作。

该机器人能沿着从建筑物顶部放下来的钢丝绳自己用绞车向上提升，然后利用负压吸盘在建筑物上自由移动。

这种机器人可以爬70m高的建筑物。

（5）救护机器人。

救护机器人于1994年第一次投入使用，能够将受伤人员转移到安全地带。

机器人长4m、宽1.74m、高1.89m，质量为3860kg。

它装有橡胶履带，最高速度为4km/h。

它不仅有信息收集装置，如电视摄像机、易燃气体检测仪、超声波探测器等，还有两只机械手，机械手可将受伤人员举起送到救护平台。

目前国内消防机器人的研究工作正蓬勃展开，但大多属于在移动小车的基础上加装高压水枪或其它灭火剂发射装置，智能化水平仍待进一步提高[2]。

3高层建筑消防机器人实现方案

3.1直升机悬吊式的高空消防机器人

国外科研人员研制的直升机悬吊式消防平台，由直升机上的绞车控制消防平台的上升或下降，到达火灾处由平台上的消防机器人使用自身携带的消防工具进行灭火和救援。

消防机器人的主体结构，如图1所示。

机器人外框用铝合金型材和板材搭建而成，并在其关键的受力区域进行焊接，框架内放置着蓄水装置和调节机器人重心的调重块以及控制中心，顶部安装有6个风扇和绞车分别作为机器人的推进系统和提升系统，底部安装着灭火枪和底轮[3]。

图1消防机器人结构示意图

3.2采用悬吊支撑机构的消防机器人

针对高层建筑火情现场，时间就是生命，需要迅速在第一时间到达现场的消防作业特点，机器人采用悬吊支撑机构，其整体运动学考虑以快速移动、简单壁障为主，快速移动时不对本体姿态作要求，在到达指定位置后再调整姿态。

本体运作如图2所示。

图3分别是高层建筑消防机器人三维造型图和机构原理图。

该机器人主要分为爬升机构、吸附机构、破障机构、伸缩臂探测机构、载物箱和照明系统等。

高层建筑消防机器人在地面动力系统的作用下,由载物箱携带一定数量的灭火和救生设备，沿悬挂钢索攀爬至目标位置，伸缩臂绕旋转支座俯仰至水平状态，吸附杆和吸附盘先后吸附壁面进行定位，并由破障机构破碎壁障，伸缩臂深入火灾现场进行火情探测和信息的反馈[4]。

图2机器人本体运作示意图

图3高层建筑消防机器人三维造型图和机构原理图

3.3数控气动爬梯子消防机器人

针对密集程度大的高层建筑火灾，结合仿生学和机械连杆机构的设计方法，设计了一种能够应用于高层建筑的消防救援的“数控气动爬梯子消防机器人”。

这种爬梯子消防机器人可以携带摄像头、水枪等消防器具沿梯子上爬到高空，在高空、高温、浓烟等一系列恶劣的环境下有效实现消防工作，这对减少国家财产损失和灭火救援人员的伤亡将产生重要的作用。

此方案利用压缩空气作为动力源，采用单片机和电磁阀来控制和切换气源，驱动单出杆双作用气缸，使机器人实现沿梯子直上直下爬行动作，完成高空消防和救援任务。

如图4所示，整个机器人系统由机器人、梯子、空气压缩气泵组成。

机器人系统最重要的部分就是机器人机身，其特征在于：

机器人机身由4个电磁换向阀、3个气缸、机身架、定轴转钩、动轴转钩、联杆装置、磁铁吸附装置、导向轮装置、单片机控制电路、若干个接触开关及其他辅助机械零件装配而成。

具体装配关系如下：

在机身架正面中间位置用2个螺钉将长矩形双活塞杆双作用气缸纵向固定，气缸活塞伸出口向前；用2个螺钉将短矩形双活塞杆双作用气缸固定在长矩形双活塞杆双作用气缸上面，气缸活塞伸出口向前；将4个二位五通电磁换向阀各用2个螺钉分别对称固定在气缸两边的机身上，一边2个，同侧换向阀前后放置；在机身后两侧分别安装一个磁铁吸附装置并用螺钉固定好；机身两侧前后左右分别安装导轮轴架、导轮轴、导轮，用螺钉固定，导轮与导轮轴间隙配合，使导轮能够自由转动，实现机器人的上下[5]。

3.4高层建筑爬墙消防机器人

此方案为一种高层建筑爬墙消防机器人，结构如图5所示，每一台机器人配有一台笔记本式电脑和一名消防人员控制其运行，使用机器人代替了消防人员进行灭火工作，保证了消防人员的安全。

传统的救火方式中高压水枪的射程无法对较高的楼层进行灭火作业，而机器人可以通过用单片机作为控制系统的核心部件，用以传递所有的信号及控制指令，控制水枪

（2）、水淋器（18）、监控摄像头（3）、（19）、水泵（5）、机械臂（10）、（11）的运行。

机器人向着火的高层爬行，然后控制水枪

（2）灭火，从而解决了高层建筑灭火难的问题。

还可以通过机器人箱体背面的活动吊框（22）搭载被困人员，使得被困人员可以逃离火灾楼层，保证了人员安全[6]。

图5高层建筑爬墙消防机器人结构示意图

3.5日本研制成功扑救高层建筑火灾的复合型机器人系统

复合型机器人系统是在这样的情况下研制成功的。

它是以目前很多高层建筑都有的用于擦拭玻璃窗等大楼外部保养用的吊舱为基础，增加了消防功能的机器人系统。

这种世界上尚属首创的扑救高层建筑火灾用“复合型机器人系统”平时用作大楼外部的保养和大楼的警备工作，发生火灾时支援消防活动。

复合型机器人系统由下述各部分组成：

1、放下吊舱，在屋顶的钢轨上运行的屋顶部分；2、用钢缆吊着，沿大楼外墙上下左右运行的吊舱部分；3、配备再吊舱上的消防装备部件，包括见识火灾用的电视摄像机和红外线摄像装置、机器人主体冷却用的自卫喷雾喷嘴以及各种传感器等消防必须的机器设备[7]。

4存在的主要问题及研究方案设想

我国大约有30家左右的高等院校和研究院所在从事各类机器人的研究工作，自1971年以来，已在机器人的感觉识别、操作、移动技术、人机接口技术、智能化技术等方面取得了可喜的成就，部分科研成果，如工业装配、焊接、喷涂、搬运、探伤、水下作业、过程测量机器人等已进人实用阶段，某些控制、传动元器件的产品技术已接近国际先进水平，为消防机器人的研制创造了良好的环境条件。

从上世纪八十年代开始，我国消防机器人的研制工作得到了政府有关部门的支持，并且已有研究成果正式装备消防部队，但用于高层建筑的消防机器人大多处于实验室研发阶段，尚有很多技术难题需要攻克。

由于我国高层建筑之间楼间距的限制，国外采用的直升机悬吊式的高空消防机器人在国内很难实现，而采用爬梯或爬墙方式行进的消防机器人爬行速度太慢，无法完成消防灭火救人的特殊任务。

日本研制成功的扑救高层建筑火灾的复合型机器人系统对我们有一定的借鉴作用。

研究了其他方案后，特提出此方案设想：

将消防机器人控制系统及消防机器人安装于高层建筑顶部，并在顶部外围一周安装滑行轨道。

在没有消防任务的情况下，控制系统在常规模式下运行，消防机器人执行高层建筑外部保养清洁和警备等工作。

一旦建筑内有消防警报响起或消防系统监控到有火灾迹象，控制系统立刻进入消防模式，消防机器人装备相应消防设备后，沿顶部外围滑行轨道滑行至火灾地点正上方，在重力作用下迅速下降至火灾所在楼层进行灭火、救人或侦查工作。

以上仅为一种方案设想，还存在很多问题及不足，例如投入的基础设备过于复杂，在普及推广上有一定难度。

在具体问题研究上还有很多难题需要解决。

参考文献

[1]黄海南.对高层建筑消防现状及改进措施的探讨[J].消防安全,2013:

2095-2066.

[2]马宏伟.高层建筑攀爬型救援消防机器人技术初探[J].消防科学与技术,2007，26

（2）:

178-180.

[3]史强.悬吊式高空消防机器人的设计及姿态控制原理[J].机械设计与制造,2012，12:

162-164.

[4]杨建元.高层建筑消防机器人的机构研究与分析[J].机床与液压,2006，6:

17-19.

[5]王立新.数控气动爬梯子机器人[J].机械工程师,2009，11:

30-32.

[6]曾盛琦.一种高层建筑爬墙消防机器人:

中国,102671333[P].2014-03-19.

[7]吴兰娣.日本研制成功扑救高层建筑火灾的“复合型机器人系统”[J].上海消防,2001，6:

36-37.

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