高层建筑灭火机器人设计与研究

第一章绪论1.1研究的背景和意义1.1.1高层建筑灭火机器人系统研究的背景随着国家经济的快速发展，人员密集、结构复杂的高层建筑越来越多。一旦发生火灾，就会给消防活动带来巨大的危机和困难。高层建筑火灾的性质与普通建筑火灾不同，具有火势蔓延快、群众疏散困难、火灾扑救困难大等特点。[1]由于火势蔓延迅速，消防装置无法及时到达起火楼层的高度，有可能造成重大的经济损失。截止2019年底，全国拥有8层以上、超过24米的高层建筑34.7万幢，百米以上超高层6000多幢，数量均居世界第一。与此同时，我国高层建筑火灾也呈不断上升的趋势，而且火灾规模越来越大，危害也越来越严重。据《中国消防年鉴》统计，近十年全国共发生高层建筑火灾3.1万起，死亡534人，直接财产损失17.6亿元。近三年来，火灾致死发生在住宅的比例逐年升高，2016年有1269人在住宅火灾中死亡，占火灾致死总数的80.21%。[2]据公安部统计的数据表明，我国城市社区火灾逐年呈明显上升趋势，尤其是高层建筑火灾占相当比例，因此针对高层建筑现有的火灾隐患状况、分析评价其风险，并提出有效对策具有重要的现实意义。目前消防人员在救援过程中受伤概率居高不下，个人防护装备的应对能力有限，在大火面前难以保障人身安全和灭火效率。尤其是森林大火和仓库火灾，两者伴随着温度升高会产生无法控制的局部强风，高温气流对消防员的伤害不容忽视，并且随着火灾的扑救进行会深入火源地带，随时发生的爆燃和复燃对毫无防备的消防员伤害极大。“3·28”森林火灾中四川省、木里县先后组织森林消防、地方专业扑火队伍、应急民兵以及群众等扑火人员2838人灭火，调集救援车辆1365台、灭火炮5门参与火灾扑救，最终19名消防员不幸殉职。[3]高层火灾若是在最初阶段得不到及时控制会逐渐向上下蔓延，对来不及撤离的群众威胁极大，所以需要及时对火灾现场进行控制和降温。影响消防速度的关键因素是拥挤的住宅区不适合大型消防设备的进入，消防队员大多使用消防水炮在外围喷洒泡沫水，火灾内部的火源难以触及，只能延缓火灾的蔓延而不能有效控制火灾的规模。1.1.2高层建筑灭火机器人系统研究的意义消防机器人具有可靠的侦察和救援功能，以及良好的机动性能，对化学、生物、放射性等危险品的生产、运输、贮存和使用场所的灾害预防，对有毒、有害化学物品泄漏(非易燃易爆)、易坍塌等灾害现场的侦察和处置、易爆物品的搬运，障碍物的清除、遇难人员的抢救等工作起到重要的作用。将能替代消防人员进行现场抢险救援，对灾害现场的灭火、洗消、破拆等救援作业的展开具有十分重要的作用。[4]灭火机器人在实际应用过程中也存在很多缺点。如果灭火机器人的机械结构不合理，移动不方便，进入火灾阵地时间长，就会限制其优势的发挥。传感器等机器人作业模块的精度和可用性不高，在具体的消防救援活动开展过程中，通信容易中断，影响作业进程，如火焰检测、监控距离、监控人体的模块之间的相互干扰等。灭火机器人在实用应用机制方面还不完善，人类相关发展水平落后。这在一定程度上影响了灭火机器人的作用和普及。[5]通过对灭火机器人系统的深入研究可以了解，尝试解决这些问题来促进相关产业和研究的发展。这对促进灭火机器人的普及有着重要作用，也能克服程序的一些弊端，减少为保障安全付出的无意义资源。1.2高层建筑灭火机器人国内外研究现状1.2.1国外研究现状最早关于消防机器人的研究始于二十世纪五十年代至六十年代的苏联和美国，经过多年发展后日本率先在全国大范围应用消防机器人作为救灾力量。1986年日本第一次使用了“彩虹5号”消防机器人参与灭火行动，其使用三个电机驱动轮式移动设备，采用干粉灭火剂扑灭火源。在日本福岛核事故发生后派出了6个机器人，包括5个圆柱体潜水机器人(直径25厘米、长约110厘米)和1个小型箱式船(高约18厘米、宽约20厘米、长约45厘米)进行现场探查，同时也使用了履带式机器人对反应堆清污和障碍排除。美国同样派出鱼雷型潜水机器人（长97厘米，最大直径50厘米）进入高辐射区域探测事故现场，履带型机器人沃特可以使用工具排除障碍物和简单清扫辐射区。事故后东芝和通用公司合作研发新型抗辐射机器人进入现场执行后勤任务，机器人的出现使得这类严重事故灾害应对中可以最大地降低二次伤害和对人体的影响。[6]机器人同样的优势还体现在高危环境中和严酷自然环境中的活动里，例如矿场开发和探测、深海地区资源的搜寻、沙漠地区全天候的观测等等。随着机器人参与人类活动的增加，生产力和安全性都得到了不小提升。机器人技术是20世纪最大的人类发明之一，1960年代初期引进后经过40多年的开发，取得了很大的进步。在工业机器人的诞生、成长、成熟的背景下，工业机器人是制造业不可或缺的基础机器，世界上约75000台工业机器人正与工人和伙伴们战斗着。作为机器人家庭的新星，用途广泛的特殊机器人得到普及，人型机器人、农业用机器人、整备用机器人、水中机器人、医疗用机器人、军用机器人、娱乐用机器人等各种用途的特殊机器人登场。并迅速向实用化发展。近年来，人类活动的领域越来越扩大，机器人领域也从制造领域向非制造领域发展。海洋开发、宇宙探索、矿业、建设、医疗、农业和林业、服务、娱乐等产业都提出了自动化和机器人化的要求。与制造业相比，这些产业的主要特征是没有构造化、不确定的工作环境，所以对机器人的要求也变高了。[7]国际上机器人的应用针对特定场景和用途，具备广泛使用潜力的机器人都具有模块化设计的特征，并且针对特定需求需装备特定的工具。消防类机器人多数使用模块化机器人进行改进和特化，在功能上专一的同时操作难度也发生不同的变化，这对消防机器人的普及和应用带来了一定的阻力。[8]在九十年代后消防机器人的发展缓慢，但是针对高楼的消防措施不断完善后逐渐发现对消防机器人的需求增长使得消防机器人在近十年的进步明显，尤其在面对森林火灾和高层建筑火灾上有着重要改进。现代城市的开发速度正在加快，高层建筑从地面上越来越高，人们在面对生命安全相关的问题，也就是高度的防火和救助问题的同时，享受着现代生活。针对这些问题，虽然采取了很多对策，但是高层建筑和内部的火灾现场很难看到，云梯到达等，以前的灭火方法的利用被大幅度限制等，面临着很大的困难。[9]由于有一定高度限制、地上高压水枪、不能准确配置的有限范围的消防炸弹，人们会考虑使用特殊的消防机器人，但在这些机器人中，他们有的可以沿着墙壁爬上去，但是因为早期爬墙机器人的动作太慢，可以搭载的负荷太轻，无法在实战中取得足够好的效果。研发新型消防机器人的需求日益增加，促进了相关行业的发展也带来的新的可能性。1.2.2国内研究现状国内消防机器人的研究从二十世纪九十年代的863计划开始，经历多年发展之后已经具备相当的研究经验。目前有企业着力于新型消防机器人的研究和量产，各地消防机构陆续添置消防机器人作为消防任务中的补充力量。目前消防机器人的应用集中在破拆防爆、区域探测、特种作业和设备搬运上，针对灭火功能的机器人甚少，甚至应用方面不考虑。这主要是由于消防机器人目前不具备独立运行能力，需要由操作员进行远程控制，而操作员的培训并不完善需要长时间建立一套培训体系。并且消防机器人的灭火能力有限，使用的专用装备价格高昂，在狭小空间难以施展。[10]消防机器人的优势是可以在恶劣环境中运行，例如矿场、隧道火灾现场、石油化工设备中等等。多数消防机器人参与的都是极端环境下的消防任务，配合多功能的夹手和工具消防机器人能出色地完成搜救、破拆、数据收集、火情控制等任务，帮助消防员完成对火灾的扑灭。[11]2002年6月，由公安部上海消防科学研究所，上海交通大学和上海市消防局3家单位共同承担的国家863项目“履带式，轮式消防灭火侦查机器人”研制成功并顺利通过国家验收，机器人如图1所示。[12]图1履带式消防灭火侦察机器人目前，我国现有的消防救援措施主要依靠传统装备。例如消防梯和高压水枪等，向建筑物外部喷射水柱和二氧化碳进行灭火。但是，由于地面设备工作高度有限，无法准确定位，梯子移动迟缓等，现在的消防设备只适用于中低层建筑。高层建筑发生火灾的话，电源的供给会中断，内部的状况变得复杂，楼梯的通道会因为火的气势和烟而关闭。高压水枪和消防梯由于工作性能的限制而不能进行消防救援，消防救援工作处于非常被动的状态，延误了灭火救援的最佳时机，影响了群众的生命财产，造成重大损失。1.2.3消防灭火机器人的主要分类和发展趋势按灭火救援技术，消防灭火机器人可进行如下四种分类：（1）按消防机器人在灭火救援中的功能，可分为：灭火机器人，排烟机器人，火场侦察机器人，危险物品泄漏探测机器人，救人机器人，破拆机器人及多功能消防机器人。不同种类的消防机器人可以通过更换配件来实现另一种功能，也可以在任务中途更换来提高效率。火场中各个机器人负责的位置有限，有时需要通过配合来达到控场灭火的目的，每个机器人之间的信息交互需要通过通用信道接口来传输，例如无线/有限局域网、蓝牙以及中央信息台。（2）按消防机器人的控制方式，可分为：线控消防机器人，无线遥控消防机器人，自适应消防机器人等。自适应消防机器人是控制技术和方法比较先进的一种。通常情况下机器人拥有一定的自我协调适应环境的能力，面对瞬息万变的现场环境可以减轻操作员的压力提高成功率和意外防护能力。（3）按消防机器人灭火救援中的行走方式，可分为：轮式行走消防机器人，履带式消防机器人，履带轮式行走消防机器人等。轮式机器人适用于平地和缓坡较多的室内室外，通过配备不同组的轮可以具备一定的攀爬能力，移动速度较快，灵活度较高。履带式机器人可以在沟壑和地表条件较差的地区顺利移动，但是移动速度较慢，攀爬能力好，灵活度高。行走机器人的发展较短，目前多数处于早期设计阶段，实用价值不高，暂不讨论。（4）按消防机器人的感觉功能，可分为：视觉消防机器人，嗅觉消防机器人，温感消防机器人，烟感消防机器人及触觉消防机器人等。不同的感受器可以赋予机器人对环境不同的探测能力，列如使用嗅觉和温感模组的机器人可以快速甄别火场危险物品从而达到预警的作用，触觉模组则能让机器人搬运易损易碎物品，在一定程度上避免二次人员伤亡。（5）按消防机器人的智能化程度，可分为：程序化控制消防机器人，具有感觉功能计算机辅助控制消防机器人和智能化消防机器人等。程序化控制消防机器人是第一代消防机器人，具有感觉功能计算机辅助控制消防机器人是第二代消防机器人，而智能化消防机器人是第三代消防机器人。[13]未来的消防机器人会拥有更强的AI判别能力和更稳定的远程无线连接，在功能增加的同时耐候性也会提高，从而在严苛环境下也能从容工作。得益于人工智能的发展，操作员的操作需求会降低，机器人能够自行完成简单的动作和任务，低要求高质量的数据收集是未来消防机器人必备的特性。现在消防用机器人有各种各样的功能，但是高层建筑和超高层建筑的消防救援装置还没有被开发。研究高层建筑和超高层建筑消防救援设备关键技术，发展爬楼消防设备，解决国内外消防救援难题。为高层建筑和超高层建筑消防救援提供新型可靠装备，可提高防火和抗灾应急装备水平。这是全世界消防技术发展的共同趋势。[14]1.3研究成果与社会、环境、文化、经济和环保等关系 灭火机器人的设计旨在帮助消防员参与灭火，在火势控制中起到辅助的作用，其功能主要集中在一定的火源扑灭能力、现场情况探查能力和快速部署能力上。随着高层建筑火灾的普遍发生，现场消防救援力量的快速抵达往往是对火情控制的关键因素，大多数高楼虽有消防救灾通道但在火灾突发时并不能保障消防人员进场的速度，而且火灾所在层数越高对救援的难度增加越多。[15]这时对能快速部署提供消防力量的设备需求提高，为了应对这一情况，在复杂的火情面前通过高效部署高层灭火机器人能对火灾的扑灭提供很多支持。本次研究所设计的高层灭火机器人采用市场上常见的结构件，操作简单易懂，在不对消防原有设备进行大量改动的前提下可以提升消防队控制火灾的能力，有利于维护社会稳定和人民财产安全，同时也能促进灭火机器人这一细分市场的进步，帮助更多同类产品出现。针对高层建筑火灾的设备出现的增加可以避免更多的社会损失和环境污染，无论是对个体还是对社会整体都是有利无害的，相关行业的发展也能带动灭火机器人的升级，从而达成正向的有利循环。1.4本文主要内容本文主要设计高层灭火机器人的设计和配重，相关灭火装置的装配，使用合理的机械设计完成针对高层建筑的消防机器人构建。使用软件验证消防无人机的结构合理性。针对无人机结构的应力分析。针对高层火灾中可能出现的情况进行分析和模拟。第一章主要探讨高层灭火机器人的设计目的和现实意义，第二章会介绍灭火机器人的主要机构和参数，包含灭火机器人本体的建模过程和分析过程。第三章介绍的是灭火机器人的框架和力学分析。高层灭火机器人的设计目标是：灭火机器人有高空飞行能力；在消防员的操作下能火灾现场提供火情控制；具备持续作业能力；灭火机器人的信号传输稳定。

第二章高层建筑灭火机器人系统的结构设计本次设计的高层灭火机器人采用无人机为基础框架，在其上添加高层建筑灭火所需的功能性构件和相关模块从而实现远程控制灭火和信息采集的功能。总设计视觉图如图2.1所示，设计的灭火机器人目标性能是最大飞行高度达到40m、能持续飞行而不用频繁更换电源、体积适合消防车安置并能在狭窄楼宇间飞行。最终决定灭火机器人的最大体积为1500mm×500mm，根据市售量产无人机的调查发现相近尺寸的无人机最大载荷在20kg~27kg之间。图2.1高层建筑灭火机器人（a）（b）（c）图2.2高层建筑灭火机器人三视图2.1高层建筑灭火机器人的主要机构所设计的应用于高层建筑灭火的飞行机器人主要机构有：旋浆、动力装置（马达）、信息采集和传输装置、机械臂和灭火装置。2.1.1旋浆如图，采用类对称旋浆，最大长度40.1mm，最大宽度22mm。工程塑料材质。采用螺孔固定的方式与电机相连。桨叶的形状一定程度上决定了电机提供升力的极限，所以设计时为了提供最大向上升力将桨叶长度最大延长，又为了避免相邻桨叶出现干扰和共振，相邻的桨叶旋转方向是互逆的。图2.3高层建筑灭火机器人的旋翼2.1.2动力装置图2.4DJI2312s直流电机使用电机型号为DJI2312s，八颗电机一共可以提供约25kg最大载重，峰值功耗约130w。供电来自消防车上的发电机和电池，通过电源线直接连接无人机控制平台，pwm调速控制转速。电机的要求是运转平稳，能耗比较高，在无人机上能较好适配。无人机动力来源为消防车上的发电机或者电池，通过线缆直接连接到灭火机器人上，这种供能方式可以令灭火机器人长时间工作而不必频繁更换电池，而且摈弃电池供能之后还能提高载荷，在长时间作业时电机的负载降低，避免高负载工作导致稳定性降低。2.1.3信息采集和传输使用复式摄像头模组进行图像采集，可提供彩色图像和红外图像，视角约120°，可进行4X缩放，画面通过有线光缆传输到操作台。除了提供图像外通过多个摄像头的配合还能提供火灾现场的大致物理坐标和尺寸，热传感摄像头能带来精准的火情资料。图2.5影像模组摄像头安装在中央框架的下前缘，配合自身的角度可以提供正前方110°范围内的影像，通过光缆将图像信号传输到控制台，控制台通过监视器可以从灭火机器人的视角观察现场火情，也能通过接收到的信息进行分析。2.1.4灭火装置由于无人机的负载有限，而灭火过程中频繁罐装水罐再进行灭火的方式效率很低，所以本文设计的无人机灭火采用输水管供水的方式来提供水源。消防车可提供的水压可分为三个等级：A：低压消防车出水口压来力一般不会超过0.6MPA，也就是我们说的4－5个大气压，能打水40－50米。B：中压消防车出水压力会达到1.6MPA。C：高压消防车的高压部分，出水压力会达到3－4MPA。【15】除了低压消防车其他种类的消防车输出水压可以满足30米~50米高度的建筑灭火需求。限制无人机灭火机器人工作范围的主要是无人机的负载，按25kg最大负载来计算，无人机可连接25mm直径的帆布输水管在44.03米的最大飞行高度进行灭火。帆布输水管与图2.4所示转接头连接后将水流输送到机械臂上的喷管处。（a）转接头 （b）帆布输水管图2.62.2高层建筑灭火机器人系统建模2.2.1飞行器骨架图2.7飞行器骨架建模如图2.7所示，无人机框架使用开源模型作为飞行器的骨架作为设计基础，使用SolidWorks建模。飞行器的中央框架部分由上下两块铝合金板同过螺栓和碳纤维管连接，中央有加固件，其下通过另外的螺栓和碳纤维起落架相连。八根碳纤维管的末端安装电机，将升力传递到中央框架。骨架主要由碳纤维管、中央框架和起落架组成，连接方式主要为螺栓连接。电机和旋桨在碳纤维管末端固定，另一端连接中央框架。起落架由三个独立支架组成三点支撑结构，在中央框架的中央使用螺栓结构与起落架相接，起落架下方可连接法兰盘后加装机械臂和输水管。框架的基本结构可分为四边形、六边形和八边形，随着机体的增大需要相应增加框架的边数，否则可能会导致机体受力不平衡或者应力集中。八边形框架适用于大型机体结构，在工业和农业无人机上应用广泛，本次设计的主体框架基于八边形结构，最大轴距为1204mm，满足小型设备的载荷要求，八边形也是最为稳定的框架结构，八个电机在末端提供的升力为机体提供稳定均匀的上升力。【16】起落架部分使用的是碳纤维材料，三点式承重结构。为了给机械臂留有最大活动余地放弃使用传统的双连杆式起落架，机械臂在起落架正中央可以实现上下100°左右120°的活动范围。为了减轻机体质量，起落架和中央框架采用镂空式设计，最大程度上保证负载的能力。2.2.2机械臂本节机构设计来自于同组学生吴筱之论文。本节机构设计来自于同组学生吴筱之论文。灭火机器人需通过机械臂来控制末端的喷头从而控制水流的方向和形状，机械臂有六个自由度，包含一个关节和两个活动构件，如图2.6所示。可以实现一定空间内的自由动作。由于灭火机器人起落架附近空间和靠近的部件的限制，活动空间没有达到完全的大小，为了不与其他部件有空间上的冲突而限制了活动范围。通过灭火机器人本体的空间移动配合机械臂的角度可以满足绝大部分的使用情况，因为灭火机器人设计结构的限制无法向上喷射水流。图2.8机械臂机械臂通过固定盘连接起落架，机械臂本体重0.756kg，负载最大为2kg，材质为铝合金。通过灭火机器人同一个控制器操作。机械臂由轴承、舵机、外壳、承重台、电机和框架型力臂组成。2.2.3雷达，控制模块和视觉模块图2.9雷达、控制模块和视觉模块安装图图2.7中，机器人顶部安装雷达（蓝色）、视觉模块（紫色）、定位模块（红色）以及控制模块（绿色）的效果。通常来说飞行器在现场会有较大的信号干扰，所以会加装一个屏蔽盖在顶部来实现电磁抗干扰的效果。定位模块需配合地面上的定位信号发射器使用，这种定位方法相对GPS定位方式的最大优点是可以实现厘米级精确定位，在环境较为复杂的地区可以保证灭火机器人处在安全而能有效灭火的位置。

第三章高层灭火机器人的整体力学分析3.1分析平台本次采用的平台是Ansys软件平台。Ansys软件是美国Ansys公司开发的大规模通用有限元素分析（FEA)软件（图3.1），世界上增长最快速的计算机辅助工程(CAE)软件中,有最多的计算机辅助设计(CAD,ComputerAidedDesign)软件和接口，实现数据的共享和交换。例如Creo、NASTRAN、Algor、I-DEAS、AutoCAD等；是集成构造、流体、电场、磁场、音场分析为一体的大规模通用有限要素分析软件。本次使用的功能主要有静力学分析，材料性能参数导入，有限元划分和模型创建，其功能主要在Ansysmechanical中使用。【16】图3.1公司LOGO3.2基础模型用于分析灭火机器人受力的模型基于SolidWorks所建模型简化而来，图3.2与图3.3分别是简化前与简化后的模型。为了演算便利，将无人机中央框架简化为实体圆盘，但是保留了碳纤维管的模型特征，因为这里是应力集中的地方需要谨慎校核。在灭火机器人工作时起落架并没有为机体的强度提供加固所以只需在碳纤维管和中央框架上进行分析。图3.2灭火机器人简化前的SolidWorks模型图3.3灭火机器人框架在ANSYS中的简化模型经过网格化之后，将材料特性添加到模型中，所使用的为铝合金（aluminumalloy）以及碳纤维（carbonfiber,290Gpa）。之后添加力，分别为重力、升力和载荷产生的向下（x轴正方向）力。载荷的大小为无人机承载力的最大值，为255N。3.3分析结果图3.4灭火机器人刚度分析图3.5刚度分析数据如图3.4，灭火机器人框架的形变在碳纤维管末端最为明显，由梁弯曲转角方程θ=FxlEI−在图3.6中可以看出无人机整体的应力集中区域，在碳纤维管与框架连接处产生了最大应力，[σ]max约为6.4904e7Pa，查询碳纤维管最大许用应力[σ*]=8.527e7Pa并与[σ]max相校核可得：[σ]max<0.8[σ*]=6.8e7Pa。符合校核要求。（0.8为默认安全系数。）图3.6灭火机器人框架的应力图图3.7应力分析数据安装完整部件后通过SolidWorks查看质心位置可知：X=177.06mmY=194.34mmZ=1703.64mm，如图3.4所示，通过测定质心与形心最大水平偏移距离为1.22mm，在飞行过程中对机器人少有影响。（a）（b）（c）图3.8质心的三视图

第四章结论本文的设计目标是设计一种用于高层建筑消防救援工作的新型设备，可以实现短时间内快速布置，在建筑四周飞行辅助灭火作业，收集现场资料，搜寻被困人员。它综合了机器人学，机械和飞行器多个领域的知识。本课题确定了灭火机器人的主体结构，对部件进行了选型和设计，通过对参数的确定和计算，设计了灭火机器人的工作范畴和具体性能。运用建模软件和分析软件对整体进行力学特性分析、有限元分析。本课题的成果体现在以下方面：通过调研收集资料，研究飞行器在高层灭火中的作用，确定了灭火机器人整体结构和应用场景。对飞行器做了针对性改进，用以满足消防救援需求。根据灭火机器人选型的数据，计算得出其载荷范围和工作高度分别为0~25kg，44.03米。通过调整结构件的型号对整体做轻量化处理。应用SolidWorks软件进行建模，使用ANSYS软件来分析结构合理性。在灭火机器人这一领域提供了一种新的设计思路，针对飞行器类灭火机器人进行了改进。

参考文献[1]彭勇.上海配置直升机用于高层建筑消防救援之我见[J]．交通与运输，2010(4)：p28-30．[2]戎虎仁,顾静宇,