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高層建筑消防滅火機器人研究現狀及問題探討

作者: 山東國泰科技有限公司 時間:2015-05-09 來源:山東國泰科技有限公司 點擊:
摘要:從高層建筑消防的實際需要出發, 簡要分析了國內外消防機器人的發展現狀, 詳細介紹了幾種高層建筑消防機器人實現方案,并提出了存在的主要問題和針對存在的問題提出了研究方案設...

高層建筑消防機器人研究現狀及問題探討

摘要:從高層建筑消防的實際需要出發, 簡要分析了國內外消防機器人的發展現狀, 詳細介紹了幾種高層建筑消防機器人實現方案,并提出了存在的主要問題和針對存在的問題提出了研究方案設想。
關鍵詞:高層建筑;救援;消防機器人

1 引言
隨著我國經濟的迅猛發展,尤其是改革開放之后,近年來,城市建筑越來越高,高層、超高層建筑節省了大量寶貴的土地資源,提高了利用率,成為了建設者與居民的首選建筑類型。但是,高層建筑的快速發展導致了許多意想不到的問題,其中又以消防問題最為嚴重,而且還變得越來越嚴重。建筑樓層高度增加的速度已經遠遠的超過了消防設施的更新替換。一旦高層建筑發生火災,那么目前高層建筑配置的消防設施很難對起火點進行有效的滅火,導致火勢不斷擴大蔓延,引起更多的災害,使得人們的生命財產安全嚴重的傷害。因此,人們越來越重視高層建筑的消防安全問題,以及高層建筑火災的防治措施。此外,目前我國在高層建筑防火政策還不夠完善,高層建筑的消防安全仍舊是一個“世界性”的難題[1]。
針對越來越多的高層建筑火災,消防云梯車等消防救援設備并不能完全滿足高層建筑消防的實際需要。由于高層建筑樓梯間、電梯井、管道井等豎井的煙囪效應和風力影響,使火勢迅速蔓延,消防人員無法從建筑內部或通過云梯進行滅火和救援。云梯的高度限制及運動不夠靈活等因素使高層建筑火災的撲救難以實施。目前,國內一些研究單位,研制了能攜帶高壓水槍在消防人員遙控下進行滅火的移動消防機器人,這種機器人對非建筑火災或中低樓層的滅火有一定的作用,但對高層建筑也無能為力。國外有直升飛機應用于高層建筑消防的先例,但國內使用和推廣都受到一定的限制。基于高層建筑火災現場的特征及傳統消防設備的上述缺欠,很有必要研制一種能夠應用于高層建筑的消防救援機器人[2]。
2 國內外消防機器人的發展現狀
高層建筑消防機器人屬于消防機器人的一種類型,是機器人家族新近涌現出的一名成員,國際上較早開展消防機器人研究的是美國和蘇聯,而英國、日本、法國、德國等國家也紛紛開始研究該類技術。
目前,已有很多種不同功能的消防機器人用于救災現場。從各國的研究情況來看,消防機器人應具有三個方面的作用:在短時間內實現對火情的偵察;能夠對被困火中的人員進行有效地救助;能夠攜帶一定量的滅火劑進行滅火。
消防機器人按其智能化程度可分為三代。第一代屬于簡易的遙控消防機器人,第二代是具有感覺功能的計算機輔助遙控消防機器人,第三代是智能化消防機器人。目前,工業發達國家正在加快開發具有不同功能的實用型第二代消防機器人和第三代低級智能化消防機器人,著手研究第三代高級智能機器人,并且把研究開發消防機器人列入國家技術發展規劃,將它作為經濟發展的一個重要保證手段。
目前,日本在消防機器人的研究方面處于世界領先地位,投入應用的消防機器人最多,共有5種消防機器人。
(1)遙控消防機器人。1986年第一次使用了這種機器人。當消防人員難于接近火災現場或有爆炸危險時,可使用這種機器人。這種機器人裝有履帶,較大行駛速度可達10km/h,每分鐘能噴出5t水或3t泡沫。
(2)噴射滅火機器人。這種機器人于1989年研制成功,屬于遙控消防機器人的一種,用于在狹窄的通道和地下區域進行滅火。機器人高45cm、寬74cm、長120cm,由噴氣式發動機或普通發動機驅動行駛。當機器人到達火災現場時,為了撲滅火焰,噴嘴將水流轉變成高壓水霧噴向火焰。
(3)消防偵察機器人。消防偵察機器人誕生于1991年,用于收集火災現場周圍的各種信息,并在有濃煙或有毒氣體的情況下支援消防人員。機器人有4條履帶,一只操作臂和9種采集數據用的采集裝置,包括攝像機、熱分布指示器和氣體含量測量儀。
(4)攀登營救機器人。攀登營救機器人于1993年第一次使用。當高層建筑物的上層發生火災時,機器人能夠攀登建筑物外墻壁調查火情,并進行營救和滅火工作。該機器人能沿著從建筑物頂部放下來的鋼絲繩自己用絞車向上提升,然后利用負壓吸盤在建筑物上自由移動。這種機器人可以爬70m高的建筑物。
(5)救護機器人。救護機器人于1994年第一次投入使用,能夠將受傷人員轉移到安全地帶。機器人長4m、寬1.74m、高1.89m,質量為3860kg。它裝有橡膠履帶,較高速度為4km/h。它不僅有信息收集裝置,如電視攝像機、易燃氣體檢測儀、超聲波探測器等,還有兩只機械手,機械手可將受傷人員舉起送到救護平臺。
目前國內消防機器人的研究工作正蓬勃展開,但大多屬于在移動小車的基礎上加裝高壓水槍或其它滅火劑發射裝置,智能化水平仍待進一步提高[2]。
3 高層建筑消防機器人實現方案
3.1 直升機懸吊式的高空消防機器人
國外科研人員研制的直升機懸吊式消防平臺,由直升機上的絞車控制消防平臺的上升或下降,到達火災處由平臺上的消防機器人使用自身攜帶的消防工具進行滅火和救援。消防機器人的主體結構,如圖1所示。機器人外框用鋁合金型材和板材搭建而成,并在其關鍵的受力區域進行焊接,框架內放置著蓄水裝置和調節機器人重心的調重塊以及控制中心,頂部安裝有6個風扇和絞車分別作為機器人的推進系統和提升系統,底部安裝著滅火槍和底輪[3]。

3.2 采用懸吊支撐機構的消防機器人
針對高層建筑火情現場,時間就是生命,需要迅速在第一時間到達現場的消防作業特點,機器人采用懸吊支撐機構,其整體運動學考慮以快速移動、簡單壁障為主,快速移動時不對本體姿態作要求,在到達指定位置后再調整姿態。本體運作如圖2所示。圖3分別是高層建筑消防機器人三維造型圖和機構原理圖。該機器人主要分為爬升機構、吸附機構、破障機構、伸縮臂探測機構、載物箱和照明系統等。高層建筑消防機器人在地面動力系統的作用下,由載物箱攜帶一定數量的滅火和救生設備,沿懸掛鋼索攀爬至目標位置,伸縮臂繞旋轉支座俯仰至水平狀態,吸附桿和吸附盤先后吸附壁面進行定位,并由破障機構破碎壁障,伸縮臂深入火災現場進行火情探測和信息的反饋[4]。


3.3 數控氣動爬梯子消防機器人
針對密集程度大的高層建筑火災,結合仿生學和機械連桿機構的設計方法,設計了一種能夠應用于高層建筑的消防救援的“數控氣動爬梯子消防機器人”。這種爬梯子消防機器人可以攜帶攝像頭、水槍等消防器具沿梯子上爬到高空,在高空、高溫、濃煙等一系列惡劣的環境下有效實現消防工作,這對減少國家財產損失和滅火救援人員的傷亡將產生重要的作用。
此方案利用壓縮空氣作為動力源,采用單片機和電磁閥來控制和切換氣源,驅動單出桿雙作用氣缸,使機器人實現沿梯子直上直下爬行動作,完成高空消防和救援任務。如圖4所示,整個機器人系統由機器人、梯子、空氣壓縮氣泵組成。機器人系統最重要的部分就是機器人機身,其特征在于:機器人機身由4個電磁換向閥、3個氣缸、機身架、定軸轉鉤、動軸轉鉤、聯桿裝置、磁鐵吸附裝置、導向輪裝置、單片機控制電路、若干個接觸開關及其他輔助機械零件裝配而成。具體裝配關系如下:在機身架正面中間位置用2個螺釘將長矩形雙活塞桿雙作用氣缸縱向固定,氣缸活塞伸出口向前;用2個螺釘將短矩形雙活塞桿雙作用氣缸固定在長矩形雙活塞桿雙作用氣缸上面,氣缸活塞伸出口向前;將4個二位五通電磁換向閥各用2個螺釘分別對稱固定在氣缸兩邊的機身上,一邊2個,同側換向閥前后放置;在機身后兩側分別安裝一個磁鐵吸附裝置并用螺釘固定好;機身兩側前后左右分別安裝導輪軸架、導輪軸、導輪,用螺釘固定,導輪與導輪軸間隙配合,使導輪能夠自由轉動,實現機器人的上下[5]。


3.4 高層建筑爬墻消防機器人
此方案為一種高層建筑爬墻消防機器人,結構如圖5所示,每一臺機器人配有一臺筆記本式電腦和一名消防人員控制其運行,使用機器人代替了消防人員進行滅火工作,保證了消防人員的安全。傳統的救火方式中高壓水槍的射程無法對較高的樓層進行滅火作業,而機器人可以通過用單片機作為控制系統的核心部件,用以傳遞所有的信號及控制指令,控制水槍(2)、水淋器(18)、監控攝像頭(3)、(19)、水泵(5)、機械臂(10)、(11)的運行。機器人向著火的高層爬行,然后控制水槍(2)滅火,從而解決了高層建筑滅火難的問題。還可以通過機器人箱體背面的活動吊框(22)搭載被困人員,使得被困人員可以逃離火災樓層,保證了人員安全[6]。

圖5 高層建筑爬墻消防機器人結構示意圖
3.5 日本研制成功撲救高層建筑火災的復合型機器人系統
復合型機器人系統是在這樣的情況下研制成功的。它是以目前很多高層建筑都有的用于擦拭玻璃窗等大樓外部保養用的吊艙為基礎,增加了消防功能的機器人系統。這種世界上尚屬首創的撲救高層建筑火災用“復合型機器人系統”平時用作大樓外部的保養和大樓的警備工作,發生火災時支援消防活動。
復合型機器人系統由下述各部分組成:1、放下吊艙,在屋頂的鋼軌上運行的屋頂部分;2、用鋼纜吊著,沿大樓外墻上下左右運行的吊艙部分;3、配備再吊艙上的消防裝備部件,包括見識火災用的電視攝像機和紅外線攝像裝置、機器人主體冷卻用的自衛噴霧噴嘴以及各種傳感器等消防必須的機器設備[7]。
4 存在的主要問題及研究方案設想
我國大約有30家左右的高等院校和研究院所在從事各類機器人的研究工作,自1971年以來,已在機器人的感覺識別、操作、移動技術、人機接口技術、智能化技術等方面取得了可喜的成就,部分科研成果,如工業裝配、焊接、噴涂、搬運、探傷、水下作業、過程測量機器人等已進人實用階段,某些控制、傳動元器件的產品技術已接近國際先進水平,為消防機器人的研制創造了良好的環境條件。從上世紀八十年代開始,我國消防機器人的研制工作得到了政府有關部門的支持,并且已有研究成果正式裝備消防部隊,但用于高層建筑的消防機器人大多處于實驗室研發階段,尚有很多技術難題需要攻克。
由于我國高層建筑之間樓間距的限制,國外采用的直升機懸吊式的高空消防機器人在國內很難實現,而采用爬梯或爬墻方式行進的消防機器人爬行速度太慢,無法完成消防滅火救人的特殊任務。日本研制成功的撲救高層建筑火災的復合型機器人系統對我們有一定的借鑒作用。
研究了其他方案后,特提出此方案設想:將消防機器人控制系統及消防機器人安裝于高層建筑頂部,并在頂部外圍一周安裝滑行軌道。在沒有消防任務的情況下,控制系統在常規模式下運行,消防機器人執行高層建筑外部保養清潔和警備等工作。一旦建筑內有消防警報響起或消防系統監控到有火災跡象,控制系統立刻進入消防模式,消防機器人裝備相應消防設備后,沿頂部外圍滑行軌道滑行至火災地點正上方,在重力作用下迅速下降至火災所在樓層進行滅火、救人或偵查工作。
以上僅為一種方案設想,還存在很多問題及不足,例如投入的基礎設備過于復雜,在普及推廣上有一定難度。在具體問題研究上還有很多難題需要解決。

參考文獻
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[2] 馬宏偉.高層建筑攀爬型救援消防機器人技術初探[J].消防科學與技術,2007,26(2):178-180.
[3] 史強.懸吊式高空消防機器人的設計及姿態控制原理[J].機械設計與制造,2012,12:162-164.
[4] 楊建元.高層建筑消防機器人的機構研究與分析[J].機床與液壓,2006,6:17-19.
[5] 王立新.數控氣動爬梯子機器人[J].機械工程師,2009,11:30-32.
[6] 曾盛琦.一種高層建筑爬墻消防機器人:中國,102671333[P].2014-03-19.
[7] 吳蘭娣.日本研制成功撲救高層建筑火災的“復合型機器人系統”[J].上海消防,2001,6:36-37.


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