高层建筑系泊侦察机器人结构设计.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2024 年 01 月 02 日 作者简介：宋子诏（2001），男，汉族，山东青岛人，潍坊学院，研究方向为机器人设计与制作。-69-高层建筑系泊侦察机器人结构设计 宋子诏 毛哲群 李玉婧 潍坊学院，山东 潍坊 261061 摘要：摘要：随着高层建筑愈发密集且建筑设施高度逐年增加，消防无人飞行器经常被应用于各类高空侦察作业。为了解决无人飞行器受载重和飞行稳定性限制导致的无法长时间、近距离滞空侦查问题，本文设计了高层建筑系泊侦察机器人，机器人搭载有自适应壁面系泊，通过将自身吸附于高层建筑或设施表面，实施抵近灵活动态侦察，机器人通过观测待侦察物壁面的材质选择真空吸附或电磁吸附，极大的提升作业范围并提高滞空观测时间，有效提高了消防侦察的维度，增强了应急救援的智能化程度和安全水平。关键词：关键词：消防无人飞行器；高层建筑侦察；高空壁面系泊；结构设计 中图分类号：中图分类号：TH122 0 引言 消防机器人是特种机器人中占比最高的一类在高危环境中使用的机器人，其在侦察、灭火和抢险救援中发挥着举足轻重的作用1。按照工作高度分类，包括地面型消防机器人和空中消防机器人。当前，尤其在高层建筑内发生火灾后，主要依靠消防人员采用绳索或登高云梯等装备进入现场侦察，待摸清现场灾情状况后再依靠消防人员或地面举高灭火机器人启动灭火设备实施灭火或救援作业2-3。通常采用无人飞行器进行高空侦察，完成各类消防作业任务4-5。然而，随着高层建筑或设施逐渐增多，传统无人飞行器受载重和飞行稳定性差、续航能力弱等问题的限制，为了保证飞行安全，无法靠近待侦察建筑物进行近距离侦察作业，因此很难看清建筑物内部情况，导致侦察效果大打折扣，影响对火灾现场的救援判断，这次问题日益显现6-7。此外，由于无人飞行器需携带较多的观测装备，如摄像机、红外摄像机等，而自身的能源消耗较大且所携带的电池容量有限，从而带来无人飞行器高空悬停滞留时间较短、带负载差等难题，机器人无法实现长时间的滞空侦察探测，给现场应急救援带来不便8。随着近年来消防应急问题的凸显，这类问题愈发严重、亟待解决4,9。针对上述问题，本文设计了高层建筑系泊侦察机器人，基于多旋翼无人飞行器平台，设计了自适应壁面系泊和回转探测等组件，可实现对光滑、导磁性等壁面的稳定吸附，实现低功耗长航时滞空观测，为一类在高空长时观测无人装备研发和应用奠定了理论基础。1 结构设计 为了实现无人飞行器从地面站释放并吸附至高层建筑等壁面上，高层建筑系泊侦察机器人包括：地面控制台、无人飞行器、回转机构、起降架、壁面自适应系泊组件和控制及能源模组等模块，其结构组成如图 1 所示。图 1 高层建筑系泊机器人整体结构图 无人飞行器作为升空平台，控制和能源模组设置在其主体框架内部，起降架与地面上的储存释放机构弹性连接，无人飞行器与起降架固定连接，无人机可实现从地面储存释放机构中起飞和回收。无人飞行器的底部前端固定有回转机构，壁面自适应系泊组件连接在回转机构的前端，实现对待侦察结构的可靠系泊附着，从而达到降低无人飞行器能量消耗的目的；无人飞行器、回转机构、壁面自适应系泊组件、控制和能源模组均与控制台通过无线遥控连接。中国科技期刊数据库 工业 A-70-高层建筑系泊侦察机器人一般设置在地面储藏系统中，或由地面移动型机器人装载，并通过起降架实现可分离式连接。移动机器人到达指定作业地点后，由储藏机构释放，无人飞行器携带上述回转和自适应系泊组件起飞实现侦察。1.1 回转机构设计 回转机构主要实现两个功能：（1）当无人飞行器悬停作业，通过回转机构可实现对真空、电磁附着机构的航向角度调节，以便更好的实现壁面贴合和吸附；（2）当无人飞行器系泊于壁面时，可通过回转机构反向调节无人飞行器航向角，实现飞行器对目标点的多方位探测，扩大观测视角和范围。为了实现无人飞行器及前方的附着模组灵活转向，本文设计研发了回转机构，该装置由圆柱转台、转台齿轮、驱动主齿、框架、回转电机、滑台基座、同步传送带、同步滑块、位移检测模块和位移电机等组成，其结构详细组成如图 2 所示。位移检测模块固定设置于滑台基座最前端，用以实现滑台相对本体的位移量，从而确定对壁面自适应系泊组件前后推进的距离。位移电机与同步传送带轴性连接，同步传送带套接在滑台基座上，位移电机转动时带动同步传送带回转进而驱动同步滑块前后移动。当飞行器飞临至待观测结构物前方时，此时若调整飞行器继续靠近并控制真空或电磁附着机构实施吸附时，则容易造成飞行器多旋翼动力桨与壁面撞击，存在坠机风险。为了解决这个问题，系统中的控制器通过实时监测壁面自适应系泊组件与前方壁面间的距离，控制飞行器进行轻微距离调整。当机体与壁面距离到达设定距离时，飞行器实施精准悬停。此时，通过控制位移电机，带动同步滑块反向作业，滑台底座被动带动壁面自适应系泊组件向前相对飞行器本体滑移，缩短与壁面间的距离并控制系泊组件准备实施附着操作。与此同时，回转机构上还设计有回转组件，转台齿轮与圆柱转台的底部固定连接，圆柱转台固定在无人飞行器机架的底部下端面，控制器通过驱动转台齿轮及依次连接的机架转动，回转电机动作时，整套的回转滑台通过驱动齿轮组件实现相对机架的艏向角调整，当系泊组件在位移电机驱动靠近壁面时，回转电机则起到带动系泊组件相对飞行器机架左右水平角度调整的工作，从而实现系泊组件相对无人飞行器灵活的转向功能，完成对不同曲率、不同构型的壁面进行稳固附着，增强机器人系统的鲁棒附着特性。图 2 回转机构结构图 1.2 壁面自适应系泊组件设计 壁面自适应系泊组件主要实现无人飞行器对高层建筑等外壁面的可靠吸附，结构组成如图 3 所示，主要包括：主动艏向角调节机构、系泊附着本体、真空附着机构、电磁附着机构。其中系泊附着本体作为其它零件部的框架，真空和电磁附着机构可实现对待侦察区域表面的吸附功能，艏向角调节机构则可完成系泊组件的水平姿态调节功能。图 3 壁面自适应系泊组件结构图 本文考虑常规玻璃壁面和高空导磁性设备两大类场景，分别采用真空和电磁吸附实现无人机系泊。其中，真空附着机构为了实现对待侦察物体或结构物实施系泊附着功能，其固定在系泊附着本体的最前端。电磁附着机构则固定连接在真空附着机构的下方，系泊附着本体的顶部设有多传感侦察组件，多传感侦察组件与控制台无线连接，多传感侦察组件可将检测的壁面或前方环境参数传输至地面控制台和无人飞行器的控制模块中供分析决策。中国科技期刊数据库 工业 A-71-为了实现吸附组件的柔性灵活特性，在壁面自适应系泊组件前端还设计了主动艏向角调节机构，其主要由铰链 A、铰链 B、艏向调整铰轴、摆向驱动电机、支撑座、弹性元件和支撑凸台等模块或结构组成。铰链 A 与铰链 B 通过艏向调整铰轴铰接连接，摆向驱动电机受控制台无线遥控，摆向驱动电机转动带动铰链 B及系泊附着本体绕艏向调整铰轴摆向转动，可实现随动自适应摆动功能，保证无人飞行器靠近并接触待侦察物时实现高度自适应贴合附着，从而扩充不同曲率、角度的侦察结构体构型。在较多的高空侦察场景中，待侦察的结构物材质可能为非导磁性物体，在这类应用场合所，电磁吸附模组功能失效，必须要考虑另外的系泊附着方法。本文基于当前场景需要，设计了基于真空的附着装置。具体如下：真空附着机构依靠真空附着实现在光滑壁面上稳定吸附，结构上主要包括负压吸盘、吸附框架、导流机构、导向支撑弹性元件、测距阵列模组、导向弹性元件固定座、气流管路、泵送装置、摆动模块。其中，负压吸盘设有多个并形成矩阵式模组，每个负压吸盘的前端设有若干测距阵列模组，每个负压吸盘的顶部设有导流机构，导流机构通过气流管路与泵送装置连接，泵送装置与控制台无线连接，管道支撑座固定设置于滑台基座的底部，每个负压吸盘的后端通过摆动轴与摆动轴承连接在吸附框架的顶部和底部，相邻的两个负压吸盘的导向弹性元件固定座之间通过导向支撑弹性元件连接，从而实现每个负压吸盘可适应不同角度的壁面。电磁附着机构基于电磁感应吸附原理，对导磁类的壁面如化学反应罐、高空建筑塔等建筑物体实施附着，在结构上包括电磁主动吸附阵列、柔性支撑垫、电磁吸附框架和柔性连接筋。其中，电磁主动吸附阵列的前端面处固定有柔性支撑垫，相邻的电磁吸附框架之间通过柔性连接筋连接，实现弹性摆动功能。当电磁附着机构靠近不同构型的待侦察壁面时，通过随动摆动机构实现自适应贴合稳固附着，保证无人机在不适用动力桨悬停时依旧牢固系泊。2 工作方法 高层建筑系泊侦察机器人可实现从地面或无人飞行器储存装置中释放后，飞行至待观察点，靠近高空建筑或玻璃等壁面后，利用电磁或真空吸附组件实时壁面系泊，飞行器此时可关闭动力套件实现能耗进而增强续航水平，进而实现长时间稳定侦察作业，其工作流程如图 4 所示，具体工作方法如下：（1）高空系泊无人飞行器从地面开始升空，期间多传感侦察组件对飞行环境周边及目标物进行侦察。（2）无人飞行器飞行靠近待侦察物壁面时，根据壁面材质选择真空吸附或电磁吸附策略。（3）测距阵列模组实时监测负压吸盘与待侦察物壁面之间的距离，控制台控制泵送装置运行使得负压吸盘吸附于待侦察物壁面上，控制台还可通过无线通讯控制摆向驱动电机转动，实现负压吸盘与待侦察物壁面之间吸附角度的主动调整，最终实现无人飞行器系统对待侦察物壁面的稳固贴合与附着，以利于多传感侦察组件对待侦察物壁面内部进行稳定侦察。（4）当待侦察物壁面为导磁性壁面时，电磁主动吸附阵列吸附于待侦察物壁面上，柔性支撑垫防止无人飞行器系统撞击待附着物表面，柔性连接筋能够实现电磁主动吸附阵列随待侦察物壁面的独立调节，实现飞行器对待侦察物壁面的可靠贴合及附着。（5）无人机停止多旋翼动力套件，降低悬停能量消耗，通过壁面自适应系泊组件实现自身稳定系泊侦察；（6）侦察接触，无人机启动多旋翼动力套件，旋翼产生动力；此时控制器驱动自适应系泊组件反向脱离壁面，无人机逐渐远离壁面并逐渐降落至地面或储存机构中实现回收工作。图 4 机器人起飞-悬停-系泊侦察流程 3 结束语 中国科技期刊数据库 工业 A-72-本文针对高层建筑或设施发生灾害后，无人侦察救援设备无法实现长时滞空侦察等缺陷，设计了具备真空和电磁多模态吸附的系泊侦察机器人。机器人携带有自适应系泊组件，可直接飞临至待观测物前方并实现高可靠稳定附着，无人侦察机器人则可通过吸附模组节省升空飞行能源，大大延长滞空时长，有效对高空火灾等现场实施近距离、高精准侦察，进一步实现了对高空火灾现场的处理效率和智能化程度，对后续高空作业机器人智能化、大时长作业提供了有效参考。参考文献 1谢厚正,魏龙海,王延学等.消防机器人发展展望J.中国设备工程,2023(12):44-45.2邓朝亮.高层建筑救援中举高消防车使用研究J.消防界,2023,9(4):57-59.3韩冀.高层建筑消防安全现状及防火对策研究J.消防界,2022,8(15):104-106.4黄小龙,郭一冉,高阳臻等.消防机器人研究进展与分析J.消防科学与技术,2021,40(10):1501-1504.5张悦鸣,郑珺文,刘雨庆等.无人多功能安全救援消防设备研究J.科技资讯,2021,19(22):57-59.6朱瑛,张银成,赵建村等.高层建筑用消防飞行机器人研究J.消防科学与技术,2015,34(4):504-506.7张慧贤,杨海军,马利民,等.消防机器人作业环境智能感知与识别关键技术J.机械制造与自动化,2021,50(6):186-189.8钱文庆.消防灭火救援领域无线遥控无人飞行器运用探究J.中国高新科技,2023(19):44-46.9罗捷.无人飞行器在消防灭火救援实战中的应用J.今日消防,2023,8(8):33-35.