基于方位实时调整功能的消防灭火机器人系统设计

针对消防机器人在后方水带充满水的负载情况下机器人不能灵活进行方位灵活变换及快速位置部署的问题，本文提出一种具备方位实时调整功能的消防灭火机器人系统。该系统主要包括消防灭火机器人、水带主动位移机构、水带被动位移机构，其中水带主动位移机构的全向移动轮系可实现全方位移动，还可实现对水带被动位移机构的吸附功能。水带主动位移机构、水带被动位移机构组成级联系统可实现对水带方位实时变换，避免了机器人因二次位置部署导致的水带摘除和排水等难题，有效提高消防机器人快速部署和方位变换效率。

随着经济和科学技术的飞速发展，石油、化工企业、地铁、隧道等的不断增加，危险化学品和放射性物质泄漏及燃烧、爆炸、坍塌事故也在增多。灾害事故发生时，高温、黑暗、有毒和浓烟等对消防救援人员和事故现场的被困人员的安全都会构成极大威胁。目前，消防人员在高危火场等事故现场救援或勘察中存在许多劣势，例如在面临易燃易爆气体、有毒有害、高温浓烟等灾害情况时，容易给消防员带来中毒、烧伤甚至死亡威胁[1]。

因此， 现在越来越多的消防灭火机器人逐渐代替人工在火灾等现场作业。

我国的消防机器人研制工作将会越来越得到有关部门的大力重视和支持，越来越多的消防指战员已经认识到消防机器人的重要性，随着消防机器人的技术不断完善，消防机器人的市场正在逐渐形成[2] [3]。

目前存在的消防机器人[4] [5]，上方都设置有水炮，水炮后方留有水带接口，通过拖动未充水的水带进入救援区域， 通过控制消防车高压泵开关实现水流喷射灭火功能[6] [7]。

消防机器人尽管可以代替消防员实现近距离灭火功能，但是机器人上装的消防水炮灭火距离和范围有限，而消防水带内充满水后，水带自身重量很重、且水带与地面摩擦力很大，导致机器人进行位置移动变得极为困难，非常不利于大型火灾的机器人快速位置部署，反而限制现场救援的灵活机动性。机器人若要实现方位变换，需消防人员上前从机器人后方摘下水带，若水带长度较短、消防人员数量足够多，则可人工移动水带后重新将水带接入消防机器人；若消防员数量小、消防水带较长，则只能人工将水带内的水挤压出去，重新将空水带接入机器人，从而实现消防机器人的方位变换功能[8] [9]。但是以上两种方式均存在很多弊端，如需要较多数量的消防员或需要消防员上前摘除消防水带等[10] [11]， 这与使用机器人代替人工在高危场所作业的初衷背道而驰。另外，火灾等救援现场分秒必争，这两种机器人位置变换方法非常费时，这容易为火灾等高危环境下的抢救贻误“战”机。

现有的消防机器人绝大多数侧重于如何提高机器人的越障性能、承载性能上等问题，而忽略了最重要的在后方充满水的水带负载下如何提高机器人方位灵活变换和快速机动部署问题。目前，市面上尚未出现就如何提高机器人在工作一段时间后，如何拖动充满水带进行转弯等方位变换的实际用途进行的研