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用于高层建筑灭火救援的爬壁消防机器人

供稿人:罗天雨  供稿时间:2010-12-8   关键字:高层建筑  灭火救援  爬壁消防机器人  
爬壁机器人是移动机器人领域的一个重要分支,它把地面移动机器人技术与吸附技术有机结合起来,可在垂直壁面上附着爬行,并能携带工具完成一定的作业任务,大大扩展了机器人的应用范围。目前,爬壁机器人主要应用于核工业、石化工业、造船业、消防部门及侦查活动等,如对高楼外壁面进行清洗,对石化企业中的储料罐外壁进行检测和维护,对大面积钢板进行喷漆,以及在高楼事故中进行抢险救灾等。爬壁机器人的应用取得了良好的社会效益和经济效益。
 
对于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。
 
目前国内自主研发的消防机器人产品主要有履带式和轮式地面行走机器人,这种机器人以电动机作为动力,配置驱动轮或履带式行走机构,只能在地面活动,能爬坡和跨越障碍,进行地面火灾的灭火工作,但当火灾发生在高层建筑上时就无用武之地了。
 

陕西省消防总队和西北工业大学研究人员共同研究高层建筑攀爬型救援消防机器人技术,该课题被列入了国家技术研究发展计划(863计划)先进制造与自动化领域特种机器人与工程装备专题中“消防机器人课题”。研究人员将攀爬型机器人本体采用全新的非线性无限程攀爬机构代替传统牵引,该机构由两根钢索在建筑物顶部分开固定呈倒三角形,在控制系统和驱动电机作用下,使机器人本体在高层建筑的外墙面灵活移动。

图 爬壁消防机器人工作原理

整个机器人系统由机器人本体、地面卷扬机构和控制台三部分组成。机器人本体由机体、载物箱、平衡作业臂、攀爬装置、吸附引导装置、探测传感系统、机载可编程控制器等部分构成。各部分均采用24V直流电机驱动,其动力由自身携带的蓄电池提供。地面卷扬机构由两台变频器控制电机带动卷扬机构,卷扬机构再通过钢缆用动力远传的方式驱动机器人上的攀爬装置,使机器人在楼面预设(在火灾现场可通过抛绳器、直升机悬挂等方式,待大面积推广后可事先在楼顶预制)的两根钢缆上进行二维运动。攀爬装置的缠绕轮带有刹车和排线器,刹车开动时可使机器人悬停于钢缆上,稳定的定位便于各执行端作业。排线器可使钢缆有序的排列于缠绕轮上,保证攀爬装置的正常工作。控制台电脑和机器人上的机载控制器采用无线通讯方式,通过电脑控制界面对机器人发出指令并接受回馈信号,指挥机器人在定位后完成各项功能作业。

图 机器人系统框架图
 
机器人本体和控制台之间仅有两根钢缆,无任何电力线,具有很强的安全可靠性。现场作业时,整套系统都可以在远离危险区的地方工作。
 
机器人功能
机器人可在50m以上的建筑物立面上行走作业,最大爬升速度15m/min;在高空可越过不规则突起、凹陷范围在1m的障碍,可在建筑物立面上的任何位置稳定定位,完成各项功能作业;失去动力后保持良好的静稳定性,不会对楼面及自身造成损坏。
 
(1) 火情侦察。机器人的平衡作业臂采用3节1m的结构,可绕转轴做90°俯仰运动,电机驱动钢索完成拉伸和收缩,可由1m伸展至3m。为取得来自于火灾现场的图像信号,在作业臂前端云台上安装彩色CCD摄像机,视频信号采用无线传输的方式,在地面控制台的显示屏上可对火灾现场直接监控,并及时调整机器人的作业动作。可根据现场需求加装温度传感器探测火灾现场的温度,可燃气体传感器探测建筑物内部可燃气体的含量以防止轰燃的发生。
 
(2) 破拆作业。在高层建筑紧急救灾过程中经常会遇到由高强度玻璃构成的障碍需要破拆。目前采用的办法一般是救援人员借助建筑物顶部的绳索悬挂在空中,用太平斧砸开玻璃,由于人员在建筑物外悬空作业无法站稳,很难产生足够的作用力,经常需要数分钟时间才能完成任务。
 
机器人作业臂前端的旋转飞锤破拆装置,采用微电机带动飞锤作高速旋转,然后快速接近玻璃瞬间释放巨大的能量来完成破拆。为使机器人稳固的悬挂定位在需破拆的位置,作业臂前端还有一个弹射吸附装置。进行破拆作业时,弹射吸附装置射出一个带有强力吸盘的长杆吸住玻璃面,长杆再向回收缩,拉动机器人贴近玻璃面,此时破拆装置的飞锤已高速旋转,当长杆完全收回时,限位传感器触发破拆装置快速接近并将玻璃击碎。这套旋转飞锤破拆装置可以根据需要装在机器人及其它作业平台上,也可以单独作为一套破拆工具使用,一个人即可携带并完成所有操作。
 
(3)救援和灭火。机器人自身配有载物箱和照明灯。载物箱最大载质量为35kg,可根据需要装载氧气罩、急救工具等,也可以加装灭火剂发射装置(如便携式干粉灭火装置)由机器人进行灭火,照明灯可为现场探测提供照明,还可以帮助受灾人员。

另外,西安新竹防灾救生设备有限公司发明了一种可以爬壁的消防机器人,当高层建筑物的上层突然发生火灾时,爬壁消防机器人能够攀登建筑物的外墙,进行灭火工作。这种爬壁消防机器人主要由吸盘、四组驱动装置、左右吸盘、横架、竖架、机体、前进驱动装置、左右移动驱动装置、灭火救援装置等组成,机器人是靠吸盘的吸附能力吸附于墙上的,靠驱动装置、前进驱动装置、左右移动驱动装置运动及吸盘的吸附与松脱来完成上、下、左、右运动的。

爬壁机器人结构图

 
经过多年的发展,爬壁机器人领域取得了丰硕的研究成果,仿生学、微机电一体化、新型驱动器、高分子材料等新技术、新理论的应用极大地推动了爬壁机器人的发展,使其功能越来越强大。爬壁机器人的研究正向着采用新型吸附方式、多功能化、小型化、无缆化、智能化、可重构化等方向发展,爬壁机器人将在高层建筑灭火救援领域中得到越来越广泛的应用,具有良好的社会效益。
 
 
参考文献
[1] 付宜利, 李志海. 爬壁机器人的研究进展[J]. 机械设计, 2008年 04期.
[2] 彭涛. 高层建筑消防救灾机器人控制系统研究[D]. 西北工业大学, 2005.
[3] 马宏伟, 陈立彬. 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年 02期.
[4] 西安新竹防灾救生设备有限公司. 爬壁消防机器人: 中国, 03134403.8 [P/OL]. 2005.01.26.
 

 


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