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科技资讯
ZXPJ01型消防机器人的研制
- 2016-11-26 12:16 来源：|0 流量：1538
关键词: 消防机器人;关节式移动机器人
1 引言
目前,由于移动机器人具有优越的机动性和灵活性而倍受亲睐,并在许多场合投入实际应用.主要用于核工业检测,消防,火场探测,有毒,易燃,易爆气体场所探测,森林探测,采矿,星球探测及无人战场等.因为受能源系统,体积结构,稳定性和安全性的限制,上述用于不同场合的机器人通常只具有某一单项功能.由于实际应用的需要,上海交通大学机器人研究所和上海消防所承接国家863项目"消防机器人",联合研制开发了一种集火场探测,消防,有毒、易燃、易爆气体场所探测等多种功能于一体的多功能消防机器人.
消防机器人的工作环境大多是具有结构化地形特征的城区、房屋建筑(仓库，工厂，车间和楼房)等。在这种地形结构中经常有许多人造的障碍，如台阶、路肩、楼梯、斜坡等。机器人要到达目的地执行任务，这些障碍又不可能回避(避障)，因此对它的机构提出了一定的要求。另外，要求它操纵简便，具有较好的人机交互性。最后，还要求有很好的防爆功能。我们研制的多功能消防机器人具有功能完备，结构紧凑，性能稳定，可靠性高的特点。
2 系统组成
2.1功能介绍
ZXPJ01型消防机器人的主要功能有:
(1)移动功能:操作人员通过遥控台远距离控制消防机器人本体驶入火场;
(2)消防功能:接近火源,喷射灭火剂灭火,功进行冷却、稀释、清洗、隔离等消防、化学救援作业；
(3)探测功能:探测火场内有毒及可燃气体种类、浓度及变化趋势；探测火场内辐射热、风速、风向；
(4)防爆功能:本体在易燃、易爆环境中作业不会引起火灾和爆炸；
(5)冷却功能:本体在高温的恶劣环境中能保护自身的安全)正常工作；
(6)救护功能:呼唤火场内部可能有的未撤离人员；
(7)观察功能:安装有两个CCD摄相机，可以观察火场和机器人本体情况；
(8)通讯功能:有图像、声音、数据传输功能，传输距离150米；
(9)预警功能:根据探测结果可以预报紧急情况发生，并有相应应急处理能力。
2.2 系统结构
ZXPJ01型消防机器人系统主要由五部分组成:机器人移动平台,人-机接口(机器人控制台),控制系统,现场监视系统(立体场景显示)和上、下位机通讯系统；其系统结构如图2所示。(图）
操作员通过监视器和立体场景显示了解机器人的姿态和有关环境信息,操纵操作杆控制机器人的速度和转向角速度,通过键盘或控制开关进行功能切换.通过串行通讯将上位机的控制指令发送给下位机;下位机进行任务规划)通过驱动器来控制机器人.
2.3系统工作原理
如图3所示,消防机器人的后方控制台以及供电、泡沫消防车等构成了消防机器人的后方控制和供应系统，另一部分以消防机器人的车体为主体，集行走、化学侦检、温度和辐射热探测、火情侦察、灭火、正压防爆等主要功能于一身。车体运动所需电力和控制、侦检、视频等信号均通过电缆传输，消防炮的供水或泡沫液通过水带输送，对消防机器人的控制通过对后方控制台的操作完成，操作人员根据对车体运行姿态，炮的喷射点的直接观察以及后方控制台显示的从前方送回的温度、辐射热、前后摆臂状态、火场场景及化学侦察结果等通过人机操作界面对车体发出相关的控制指令，车体所携带的控制系统一方面根据从后方控制台发来的指令对相应的设备发送控制信号，另一方面负责将现场采集的各项参数、信号传送给后方控制台，以帮助操作人员进行科学合理的决策。
3 移动载体设计
移动载体的型式应根据它所实现的功能来确定,消防机器人在危险、复杂的环境中不但要具有灭火功能，又要具有探测功能，因此机器人的移动载体既要适合复杂地形的行驶，又要考虑严格的防爆措施。这给机械设计带来了许多困难，同时由于消防炮的重量和防爆附加的重量使整个消防机器人的移动载体重量和体积猛增，也给移动载体的机械设计和移动控制增加难度。
对于消防机器人，要求移动载体具有特殊的功能：适宜于不规则地面行驶，对爬坡、越障功能要求较高，要求可爬30度的斜坡或楼梯，能跨越250mm的垂直障碍；最大行驶速度达到50米/分；最小转弯半径不大于3米；对移动的轨迹路径和终点位置的定位精度要求较低；对移动载体的负载能力要求较高。
为此，我们综合履带式和车轮式两种基本型式的优点，选用混合式-履带轮式.
采用四个安装在车体的大轮和四个安装在摆上的小轮,左右各安装三条双排链条作为履带,履带一方面有行驶功能,另一方面还有传递主从轮的运动的功能.在平地上行驶主要依靠四个大车轮,转弯灵活、转弯半径小，履带将发挥积极的作用，即能保持载体的行驶，又能防止车体底盘被搁置而顶起失效。在移动载体前后各加装一个关节折叠摆，它主要在移动载体爬坡越障时起辅助支撑、保持载体平衡的作用。
4 控制系统硬件设计
ZXPJ01消防机器人控制系统硬件主要由上位机和下位机两部分组成，分别以ICP(工控机)和PLC(可编程逻辑控制器)为控制核心.其结构框图如图5所示。
上位机负责采样操纵杆的模拟信号和控制台控制按钮的状态信息。操纵杆有两个正交的电位器，分别用来测量x,y方向上的电压信号。该信号经过A/D转换，通过转接板、DI(数字信号输入)板传送给上位机(ICP-工控机).上位机读取该数字信号，并由此计算机器人左右驱动轮的行驶速度，通过串行通讯将它传送到下位机(PLC-可编程逻辑控制器)控制变频器的频率设定选择输入点来控制移动载体的行驶速度.左、右轮的速度控制参数由下式计算
Jv、Jh分别为操纵杆横向和纵向电位器电势测量值。最后将速度分为四档，控制变频器的频率设定选择。Vl、Vr分别为左右驱动轮的速度，符号为正表示正转，为负表示反转。通过左右驱动轮的正反转和不同的速度档控制移动载体的前进、后退和左右转向。上位机根据操纵杆的采样值计算出移动载体的行驶速度，和对其它信号采样结果进行处理，避免有冲突的操作发生。控制台操作面板主要是控制四个摆臂、水炮的运动、CCD的调焦和变焦、喷雾、正压以及探测。
下位机主要由S7-CPU214、三个数字量输出模块EM222、一个模拟量输入模块EM231(输入点数为3，模数转换时间为25us),2个变频器、探测传感器，采样控制模块以及电源系统等组成。CPU214作为下位机的控制核心，主要是存储和运行控制程序、与上位机以及扩展模块之间的通讯和控制左右驱动轮的速度。我们将变频器的参数设定为4速模式，具有制动启动和停车功能，防止在斜面上行进时出现失控现象和频繁紧急启、停车对机械系统造成损坏。利用上位机发送的速度信号控制变频器的频率设定选择实现移动载体的速度控制。DLKG模块为多输入三输出模块，由采样控制模块来控制选通传感器输入。因为EM231只具有3路A/D转换，而需要采样的传感器信号有16路，因此要对这16路信号进行循环采样，上、下位机的信息通过串行通讯来进行通讯。上位机的通讯口为ICP的COM1口，通讯协议为RS232通讯,其通讯距离较短,而消防机器人的遥控距离最远为150米,另外,PLC的通讯协议采用的是RS485通讯,为此选用RS232/PPI转换模块,采用PPI通讯方式.
5 控制系统软件设计
传统的编程方法实际上是序列控制,因为程序的执行是顺序的,在任何时侯只有一个任务能够响应,这无法真正实现实时控制的要求.上位机控制软件运用Visual C++5.0编程,VC具有许多优点适合于机器人控制系统软件编程.首先是它的类结构特征.各个控制模块用一个类结构来表述,这样便于数据结构的管理,使模块具有完整性,便于调试和程序的修改.对某一模块的结构进行修改不会影响系统的其它模块的结构和功能,大大缩短了软件的开发周期.其次是它的windows线程的多任务处理特性.线程之间通信,包括与主程序的通信使用windows消息和事件对象.这样可以实现控制系统的准并行分布式控制.还有它的强大的视图、文档和数据库功能，便于编制图形用户接口和文档、视图及数据的管理。
控制系统程序结构框图如图6所示。线程1主要监测机器人在运行过程中的姿态，前后四个摆臂的摆角，车体的侧倾角和俯仰角，以及速度和传感器检测的结果，线程2的控制台监测主要检测控制台操纵杆和各控制按钮的开关状态，线程3负责上位机的通信，将上位机的控制参数向下发送到下位机和接收下位机传送的数据，并进行数字滤波处理。线程4主要处理如通信中断，车体严重倾斜或俯仰有可能造成失控或翻落等事故时的紧急、危险情况。线程5的专家系统辅助决策主要根据传感器信息提示操作员执行正确的操作。
下位机接收上位机的控制命令控制PLC和扩展模块的I/O点状态，程序流程图如图7所示。通信采用中断方式，这样可以缩短程序执行周期，提高响应速度。
6 电器防爆及热防护功能的实现
由于消防机器人的使用场合的特殊性,在消防现场作业时,不能引起已泄漏的可燃气体的爆炸.因此,消防机器人的本体应该具有较严格的防爆功能.消防机器人的车体带有大功率的电机等电器设备,根据《中华人民共和国国家标准GB2900.35-83》，它不可能做成本质安全型防爆设备，也难以做成增安型防爆设备。如果使用单一的隔爆措施，把每一个电器设备都用粗重的防爆外壳包起来，那么机器人本体的体积和重量将难以忍受，同时会给机械设计带来难度。另外，由于消防炮不可能封闭起来，所以也不可能把机器人本体做成单一的正压型防爆设备。鉴于消防机器人的特殊性，我们采用一种混合的防爆措施，即采用整体防爆结合局部防爆的混合防爆措施。
6.1 整体防爆
整体防爆选用正压型措施。对于那些可以封闭的设备，设计一个封闭的箱体，尽量把那些设备全部安装在箱体内部。正压防爆系统由正压防爆控制系统、洁净空气源、防爆箱体组成。在箱体内充以洁净的空气，内部空气的压力高于外部爆炸性混合气体的压力，正压防爆控制系统检测箱体内空气压力，并及时补充空气使正压保持在200+40Pa范围内，洁净空气源采用4只6升的30MPa高压气瓶，存放在车体冷却水箱中。
6.2 局部防爆
机器人本体所携带的许多设备没办法封闭起来，这些设备中，有一些是本质型的，例如传感器，对于这些本安型设备可以不采用防爆措施；对于余下的设备，则应采取相应的防爆措施，一般都采用隔爆的办法。例如，扬声器、摄相机、强光灯等都是采用局部隔爆的办法。
6.3 热防护功能的实现
在扑救化学火灾时，需要消防机器人进入火场内比较接近火源的地方进行扑救，机器人本体将会遭受火灾燃烧产生的强烈辐射和高温气流的作用，如果不采取热防护措施，机器人本体所携带的电子、电器设备就可能因为高温过高而无法正常工作，整个消防机器人系统可能因此而崩溃。为此采用了两重冷却措施：第一层为隔离防辐射措施消防机器人本体上所有携带的电子和电器设备，均外装热防护挡板或者安装在箱体内，不直接暴露在外，强烈的辐射热和高温气流不能直接作用在这些设备上，从而起到隔离防辐射的效果。第二层为车体表面冷却水喷淋冷却措施火场抢救作业时环境辐射热可以达到0.15-1.3w/cm2,还可能遭受60度热气流的袭击，根据消防机器人的设计尺寸，车体在火场中受辐射的表面积经约为3m2,若辐射热强度按1.3w/cm2计算，则车体受到总的辐射热为39KW,这些辐射热要靠水来吸收掉,假设冷水喷淋出来升温50度后挥发，按照吸热公式
Q为物质所吸收的热量,M为吸热物质的质量,C为吸热物质的比热容，T为吸热物质升高的温度。并计算得：吸收辐射热每秒钟约需要冷却水0.2升。
本系统采用车载60升水箱，作为车体已进入火场，但后方水带中的水还没有到达时用。当环境辐射或空气温度到达危险水平时，遥控打开电动冷却泵，冷却泵加压把水送至6只均匀分布在车体表面的喷雾头进行喷淋，可持续喷淋3分钟。在后方水带接通水源后，直接采用后方的水进行冷却。
7 实验和结论
为了验证ZXPJ01型消防机器人的性能指标，我们进行了一系列实验，遥控距离最远可达到100米，在平地上的最大行驶速度可达到100米/分钟!可实现原地转弯，可跨跃垂直障碍物高度为250mm,能爬越的斜坡最大坡度为30度，防爆性能为d II BT6和ExPde II BT4级，能顺利穿越置有火堆、水淋、障碍物、斜坡等条件的模拟火场进行水和泡沫喷射。其它各项指标也达到预定要求。圆满地通过了国家863专家组的验收。
ZXPJ01消防机器人的开发和研制给我国自行设计和制造多功能消防机器人提供了原型和设计思路及设计方法。它的推广应用将为我国消防装备的生产、配备、训练以及灭火战术技术等带来许多新的概念。
参考文献：
1 卢桂章,八六三计划智能机器人研究进展.机器人技术及应用,1995,(1);7-9
2 何克忠,智能移动机器人技术研究.机器人技术及应用,1996,(2);11-13
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4 Yoshioks,Developing robots for fire fighting-the Japanese experience.Fire International,1992,35-36
5 Brodshaw A.The UK,security and fire fighting advanced robot project.IEEE Colloquium on Advanced Robotic Initiatives in the U K,1991,1-4
作者简介: 徐正飞(1971-),男,博士生,研究领域:移动机器人控制技术,智能控制
