作品描述 1 项目背景 仓库是物资集中储存仓储机器人销售电话的场所，包括由国家、集体和个体经营储存物品仓储机器人销售电话的各类仓库、堆栈、货场，一旦发生火灾，经济损失巨大，社会各方面影响恶劣，后果严重。如2015年8月12日天津塘沽特大爆炸事故的发生，其教训非常惨痛。仓库火灾之所以能造成如此大的经济损失及人员伤亡，其根本原因是仓库火灾具有以下几点特殊性： (1) 火灾初期阶段阴燃时间长，不易被发现，具有烧大火的条件仓储机器人销售电话； (2) 扑救难度大，作战时间长，消防用水量大，燃烧面积大，经济损失大； (3) 危险物品对仓库火灾危害大，容易产生二次伤害，施救难度高，极易造成事故； (4) 在大型仓库发生火灾时，消防队员无法及时获取火场信息，采用高压水枪等措施进行灭火，没有针对性，并很难进入仓库中灭火，如果强行打开门窗进行救援，则会加快空气流动，加剧火情，而且即使消防队员进入到仓库中，也无法及时找到火源位置。 综合分析以上特点得出：在仓库火灾预防以及施救方面，单靠人的力量还具有一定的局限性。因此，我们电子系统研究所员工通过查阅大量资料和实际市场调研，提出仓库自动消防机器人平台的设计方案，该平台的主要作用在于帮助人们实现对火灾的预防以及对已发生火灾进行紧急施救工作。 2 项目实施方案 2.1 整体方案的设计 仓库自动消防机器人是典型的机电一体化装置，它是机械、电子、控制、检测、通信和计算机的有机融合。机器人的制作是一个跨学科、多技术、智力和动手能力高度统一的系统工程，涉及到机械设计、检测传感技术、机电一体化技术、单片机技术、机器人学等学术领域。因此在设计过程中需要用到机械原理、机械设计、材料工程、传感检测、单片机控制等方面的知识。 研究过程中按照由整体到局部，机械系统与控制系统相互结合的方法。在机械结构的设计中，采用多种方案相互对比的方法，比较各种方案的优缺点，然后进行选择，再进行机械的设计。 由于仓库火灾的现场条件十分复杂，要求消防机器人能够快速灵活的在仓库中移动，并且可以在狭小的空间范围内完成诸如火源检测、火情预处理、信息反馈、抢救物资和转移危险物品等任务。根据上述要求，可以确定消防机器人应具有走行底盘、机械手、机械臂、灭火等功能模块，如图1所示。

图1 仓库自动消防平台整体示意图

2.2 底盘架构及组成 针对目前广泛使用的三种走行方式，分别进行了研究。 第一种是步行式，其主要是模仿人或动物的行走机理，采用腿足行走方式，这是目前智能化水平较高的一种走行方式。其优点就在于对于地形的适应能力强，但是由于现在这方面的技术还不太成熟，要求的控制系统较为复杂，在要求灵活性和准确可靠性的仓库中不便于使用。 第二种是履带式，其主要的优点是着地面积大，与地面的粘着力较好，可以在凹凸不平的地面上行走，有效地适应了地形，但是由于履带式机器人没有专门的转向机构，要靠两个履带的速度差实现转弯的任务，转弯的阻力大，而且在前面方向、与前进方向垂直的方向都会出现滑移，转动的精度不高，不适于在仓库中精确地码放货物。 第三种是轮式结构，其主要优点是结构简单，速度快，适合在平整地面上进行精确地行走，这样的优点正适合在仓库中码放货物。然后分别对三轮式底盘和四轮式底盘进行了模拟仿真。三轮式底盘采用双后轮驱动，前轮是一个万向轮，只起到导向和支撑作用，三个轮子成等腰三角形排列，依靠两后轮的转速差实现转向。四轮式底盘同样采用双后轮驱动，前面两个轮子都是万向轮，四个轮子成矩形排列，同样通过两后轮的转速差实现转向。通过模拟，我们发现，在四轮式底盘的行走过程中，如果整个机身的重心偏离其几何中心，四个轮中就会有一个轮翘起而不着地，这样导致只有三个轮子着地，其稳定性与可靠性受到了很大影响，最终，我们选择了三轮式底盘，如图2所示。

图2 三轮式底盘行走模块

2.3 转盘及传动系统 为了能够很好的解决机械手不能移动和转动的弊端，我们将机械手安装到一个带有提升机构的转盘上。机械手借助转盘的360度旋转和丝杠的上下提升，能够在到达空间允许范围内的任意一点。大大增加了机械手的活动空间，提高工作的灵活性，打破工作环境的局限性，提高了应对复杂多种工作情况的能力。 为了达到机械手精准定位，对转盘的旋转速度要求不能过高，防止转速高后出现控制精准度低、难度加大、减速时加速度大、以及离心加速度大的缺点。为此我们对电机输出进行减速处理，采用传动精度比较高的同步带实现传动和减速。一方面实现了限制转盘转速的目的，同时也避免了电机直接装在底盘下面而造成底盘高度被迫抬升的弊端。 因为转盘上面要承受丝杠、滑槽、导向轨、机械手、电推杆等物体的重力，如果将这部分重力直接加在轴承上，则对轴承的破坏作用极大，严重缩短轴承的使用寿命。故此，需要增加其他附加机构来分担这部分轴向力，或者选用一个能承受较大轴向力的轴承。单一用轴承来承受较大的轴向力和径向力显然是不合理的，我们选用第一种方案，外加其他承载机构来承受抵消这部分轴向力。我们把圆盘尺寸在限定范围内做的稍微大一点，这样以来便可以能够承受较大的倾覆力矩，再在圆盘的周边安置三个万向轮，主要来承受上体产生的轴向载荷，同时能够满足转动时的灵活性要求。这样以来，不仅避免了轴向力对轴承的损害作用，而且还使得圆盘和轴的旋转变得更加灵活，摩擦阻力大大减小，对电机的要求降低，可以选用较小的功率的电机即可将整个圆盘带动起来，如图3所示。

图3 转盘及传动系统

2.4 提升与伸缩机构 为了能够抓取不同高度的重物我们采用丝杠提升机构，带动机械手上下移动。被广泛使用的提升机构还有： 1、剪叉式升降平台 剪叉式升降平台通常由平台、剪叉式起升机构和底座三个部分组成。具有结构紧凑、承载量大、通过性强和操作性好的特点，但该机构对动力源的要求较高，而且占用空间较大，如图4所示。

图4 剪叉式升降平台

2、有轨升降 此种方式就是单级提升方式。待提升机构以滑块形式沿着固定的轨道上升、下降。轨道只起导向作用，驱动方式多种多样，如图5所示。

图5 有轨升降

这种有轨提升中，轨道的精度对提升机构影响很大。由于直线运动具有摩擦低、精度高的特点，因此在机器人中广泛应用。丝杠提升就是其中一种升降方式。 丝杠提升相对于其他提升机构来讲，具有提升精度高，结构简单，易于控制。刚性好，能精确定位，断电后也能自锁。 系统结构简单、紧凑，无须各种复杂的泵阀、油箱或气源及管路系统等。无噪音、无流体泄漏，对环境污染小，是一种较理想的绿色环保产品。可构成闭环伺服控制系统，实现自动化控制，如图6所示。

图6 滚珠丝杠

至于推动机构也有各种各样的形式，基本形式还是跟提升机构差不多，只是提升的角度改到了水平方向而已。这里我们采用电推杆作为推动机构，该机构具有明显的优越性。气动、液压的工作形式被普遍的用到直线运动机构里，电动推杆也可作为直线运动机构，从而在某些情况下可以代替气缸、液压缸达到同样的工作效果，而在自动化控制中，更容易实现控制的简单化。电动推杆在使用中的优点：电动推杆是一种将电动机的旋转运动转变为推杆的直线往复运动的电力驱动装置。电动推杆可用于各种简单或复杂的工艺流程中做为执行机械使用，以实现远距离控制、集中控制或自动控制。与液压气动等执行机械相比，具有如下优点：造价低，省去了油泵、油箱、空压机以及许多复杂的管路和其它辅助设施；能耗低，由电机直接驱动省去了中间的能量转化环节，整机效率高，从而降低了能耗；无油液污染，由于避免采用油或气体传动，无油液的渗漏，使污染问题得到了根本解决；保护功能完善，精心设计在推杆内部的行程和过载保护装置，使整机外部无多余附件，且调整方便、安全可靠。当推杆运行到设定距离或过载时，能自动切断电源，不至引起机件损坏或造成其他事故；安装维护极为简单方便，只需简单地将推杆安装在支架或吊架上，接通电源，即可使用。 行程控制装置：经电机齿轮上的涡杆带动涡轮转动，使涡轮内的小丝杆作轴向移动，由连接板带动限位杆相应作轴向移动，至所需行程时，通过调节限位块压下行程开关断电，电动机停止运转（正反控制相同）。 过载保护装置：推杆机体内设有过载自动保护装置，当推杆行程至极限位置或超过额定推（拉）力时，载荷压缩弹簧，使滑座轴向移动，通过滑座上的拔杆压下过载行程开关断电，推杆自动停机，达到过载保护目的，如图7所示。

图7 电推杆

为了方便控制伸缩机构的伸缩，在机器人的伸缩机构前端安装了接近开关，当其距离物体到达一定的位置后，伸缩机构前端的限位开关会检测到物体，使伸缩电机停止运动。提升时，为了防止丝杠上的滑块冲出滑轨，在丝杠的上下两端安装了限位开关，当滑块接触到限位开关时，丝杠会停止运动。在提升需要到达的高度上，由于不能安装限位开关，在机器人设计的过程中，选择了光电对管作为丝杠高度提升的传感器，光电对管原理是其内部有一个红外发射管和接收管，当凹槽内有遮挡时接收管就无法接收到发射信号，无遮挡时输出低电平，有遮挡时输出高电平。 2.5 机械手模块 机械手主要由手部和运动机构组成。手部是用来抓持工件（或工具）的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。运动机构，使手部完成各种转动（摆动）、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度。为了抓取空间中任意位置和方位的物体，需有6个自由度。自由度是机械手设计的关键参数。自由度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。一般专用机械手有2～3个自由度。 为了能够夹持多种物体，单一的机械手肯定是满足不了要求的，因此，我们考虑把机械手做成可拆卸的，即可以将多种不同特点的机械手安装在同一个机器人身上。对于不同的被夹持物，可以根据它的外形特点换用不同的机械手工作，从而增大了机械手的适应范围。 1号机械手：该机械手采用一个并行输出机构，将舵机的转动转化为机械手角度变化，从而实现夹取货物的目的。该机械手能够夹取体积较大的货物，因为它有一个较大的开口角度，同时也具有一定的局限性，因机械手臂不是平行移动的，而是通过缩小角度来实现夹取货物，因此夹取货物不是特别容易。但该机械手结构简单，容易实现，如图8所示。

图8 1号机械手

2号机械手：该机械手的具有以下几大特征：并行输出，仅仅通过一个舵机的转动即可转化为左右两个手的夹持动作；手臂平动加紧，传统机械手臂一般都是成一定角度，通过缩小角度来夹持物体，但那样反而会使物体在夹持的过程中从手臂中被挤出。 因此在每个手臂根部采用平行四边形机构，变传统的角度夹持为平动夹持，这样可以防止物体在夹持的过程中被挤出，同时夹持时还会产生一个向手心的夹持力，使物体不易滑落，如图9所示。

图9 2号机械手

3号机械手：该机械手又称万能机械手，因为它能夹取外形任意变化的物体，即不受限于物体的外形，都能成功的抓取货物。机械手中有两根钢丝，一根是拉紧用的，另一根是松弛用的。两者的绕行方式略有差别。当该机械手靠近货物时，只要拉紧钢丝一拉紧，手臂便会沿着物体的边沿轮廓贴合，最终将货物夹紧。当需要把货物放下时，只需放松松弛钢丝，机械手臂便会松弛下来，货物自然脱落。该机械手最大特点是能适应各种不同外形的物体，灵活多变，易于操作，实现容易。但挠度偏大，用时宜避开。如图10所示。

图10 3号机械手

4号机械手：该机械手是在2号机械手的基础上改进的。适宜抓取上下不等截面的旋转体。机械手臂不再是单一的一对手臂，而是改为两对上下相互独立而又紧密配合的手臂，两个手臂通过两个舵机分别控制。同时为了夹取上下截面不一的旋转体，我们在机械手臂前端安置两对圆弧辅助机构，另外再给该机构加一个自由度，使该辅助机构在包裹货物的过程更加灵活可靠。两个舵机分别控制，机械手臂的张开角度可以根据物体的截面大小自由调整，以期达到稳定抓取的目的。如图11所示。

图11 4号机械手

3工作原理 3.1 自动巡逻系统 自动巡逻系统是通过各种传感器系统感知外界环境和自身状态， 在复杂的已知或者未知环境中自主按特定的轨迹移动并实时监测火源信息，当有火情发生时，小车停止巡线行走，启动超声波避系统，由目前的位置直接到达火源附近，然后进行相应火情预处理。自动巡逻预警系统工作流程图如图12所示：

图 12 巡逻预警系统的工作流程图

整个巡逻预警系统包括一下五大模块，如图13所示。

图13 自动巡逻预警系统

1、主控模块，作为整个消防机器人的“大脑”，将采集光电传感器、超声波等传感器的信号，根据控制算法做出控制决策，驱动电机完成对整个小车的控制。 2、电源模块，为整个系统提供合适而又稳定的电源。 3、电机驱动模块，驱动直流电机帮助完成消防小车的加减速控制和转向控制。 4、路径检测模块，作为消防车的“眼睛”，可以通过一定的前瞻性，提前感知前方的信息，为消防车的“大脑”做出决策提供必要的依据和充足的反应时间，保证小车按规划路径进行巡逻预警。 我们的目的是设计一种利用红外反射式传感器来实现小车自动寻迹导航移动平台，借助超声波传感器、光电接近开关传感器满足在一定的复杂环境中完成自主寻迹移动、避障任务。 通过学习和研究相关技术资料了解到，路径识别模块是系统的关键模块之一，路径识别方案的好坏，直接关系到最终性能的优劣，因此确定路径识别模块的类型是决定系统总体方案的关键。随着科学技术的发展，机器人的感觉传感器种类越来越多，其中视觉传感器成为自动行走和驾驶的重要部件。视觉的典型应用领域为自主式智能导航系统，对于视觉的各种技术而言图像处理技术已相当发达，而基于图像的理解技术还很落后，机器视觉需要通过大量的运算也只能识别一些结构化环境简单的目标。视觉传感器的核心器件是摄像管或CCD，目前的CCD已能做到自动聚焦。但CCD传感器的价格、体积和使用方式上并不占优势，因此在不要求清晰图像只需要粗略感觉的系统中考虑使用接近觉传感器是一种实用有效的方法。机器人要实现自动导引功能就必须要感知导引线，感知导引线相当给机器人一个视觉功能。使得小车自动识别路线，准确区分路面和货物，选择正确的行进路线。采用与地面颜色有较大差别的线条（黑色线条）作引导，使用传感器感知导引线和障碍判断。 (1)、传感器选择 实现机器人的视觉和接近觉功能有多种方式：a、可使用CCD摄像头进行图象采集和识别方法，但是不适用在小体积系统使用，并且还涉及图象采集、图象识别等领域；b、电容式接近传感器，基于检测对象表面靠近传感元件时的电容变化；c、超声波传感器，根据波从发射到接收的传播过程中所受到的影响来检测物体的接近程度；d、红外反射式光电传感器，它包括一个可以发射红外光的固态发光二极管和一个用作接收器的固态光敏二极管（或光敏三极管）。 根据使用场合的具体情况，传感器要感知的对象是物体的有无和物体的接近程度，与精确的测距系统有相似之处，但又有不同，只要求判断出简单的阈值或提供远、近分档的距离。因此使用较简单的接近传感器实现小车寻迹和避障是有依据可循的并且是可行的。为了简单起见，系统中使用了八个红外反射式光电传感器，其中三个用于寻迹，三个用于障碍判断，两个用于主动轮测速。 (2)、红外反射式光电传感器特性与工作原理 反射式光电传感器的光源有多种，常用的有红外发光二极管，普通发光二极管，以及激光二极管，前两种光源容易受到外界光源的干扰，而激光二极管发出的光的频率较集中，传感器只接收很窄的频率范围信号，不容易被干扰但价格较贵。理论上光电传感器只要位于被测区域反射表面可受到光源照射同时又能被接收管接收到的范围就能进行检测，然而这是一种理想的结果。因为光的反射受到多种因素的影响，如反射表面的形状、颜色、光洁度，日光、日光灯照射等不确定因素。如果直接用发射和接收管进行测量将因为干扰产生错误信号，采用对反射光强进行测量的方法可以提高系统的可靠性和准确性。红外反射光强法的测量原理是将发射信号经调制后送红外管发射，光敏管接收调制的红外信号原理如图14所示。 反射光强度的输出信号电压Vout 是反射面与传感器之间距离x的函数，设反射面物质为同种物质时，x与Vout 的响应曲线是非线性的，如图15所示。设定输出电压达到某一阈值时作为目标，不同的目标距离阈值电压是不同的。 (3)、具体设计与实现 由于接近传感器应用场合不同，感觉的距离范围从几毫米到几米不等，所以我们在选择时也要分类讨论。对于自动寻迹和小车轮子的测速传感器，反射距离都在１cm左右，探测环境都在阴影之下，不易受到可见光的干扰。因此，这两种探测的传感器都选用FS-359F反射红外传感器，048W型封装。该封装形状规则，便于安装。对于障碍物的检测，可以使用超声波传感器，效果也较好，但电路系统庞大，还需占用大量MCU时间。激光传感器虽然性能不错，但价格较贵。最终选用了价格、性能基本适合的043W封装的反射红外传感器。在使用约40ｍA的发射电流，没有强烈日光干扰的房间里，探测距离能达８cm，完全能满足探测距离要求。红外传感器的电路有多种形式，在这里为了安装调试方便，我们采用了图16的电路形式。

图16 红外光电传感器电路

传感器的使用数量应该尽量少以减少单片机的信号处理量，寻迹小车一共安装有八个红外光电传感器，选用运算放大器LM324，光电传感器检测到的信号经放大器放大整形送微处理器判断、运算、控制。LM324是14脚DIP封装，内置四个运算放大器的集成器件，用两个LM324便能完成所有传感器与MCU的连接，并且电路简单，响应速度快，波形规则，调试简单。 寻迹用接近传感器安装位置如图17所示，Ａ、Ｃ传感器骑在黑线两测用于检测是否跑偏，Ｂ传感器在黑线范围内用于辅助检测，以确保小车机器人随时在以如图9的状态运行。测障碍传感器安装位置分别位于小车前、左、右三个方向，用于检测前方、左边和右边的障碍（详见超声波避障模块）。测速度传感器安装在紧靠车轮两侧。

图17 寻迹传感器安装位置示意图

5、超声波避障模块，当有火源发生时，小车停止巡逻预警，开启超声波避障模块，由现在的方位直接向火源方位行驶，在小车行驶过程中可以准确避开货物以及地面障碍物，使得小车可以选择最优路径到达着火附近。 在多种探测手段中， 超声波传感器系统由于具有成本低， 安装方便， 易受电磁、光线、被测对象颜色、烟雾等影响且时间信息直观等特点， 对于被测物处于黑暗、有灰尘、烟雾、电磁干扰、有毒等恶劣的环境下有一定的适应能力， 因此我们主要采用超声波传感器进行准确避障绕行。 超声波是指频率高于20KHz的机械波。为了以超声波作为检测手段，必须产生超生波和接收超声波。完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声波换能器或超声波探头。超声波传感器有发送器和接收器，但一个超声波传感器也可具有发送和接收声波的双重作用。超声波传感器是利用压电效应的原理将电能和超声波相互转化，即在发射超声波的时候，将电能转换，发射超声波；而在收到回波的时候，则将超声振动转换成电信号。 超声波测距的原理一般采用渡越时间法TOF（time of flight）。首先测出超声波从发射到遇到障碍物返回所经历的时间，再乘以超声波的速度就得到二倍的声源与障碍物之间的距离。 传感器用一段时间发射一串超声波束，只有待发送结束后才能启动接收，设发送波束的时间为D，则在D时间内 从物体反射回的信号就无法捕捉；另外，超声波传感器有一定的惯性，发送结束后还留有一定的余振，这种余振经换能器同样产生电压信号，扰乱了系统捕捉返回信号的工作。因此，在余振未消失以前，还不能启动系统进行回波接收，以上两个原因造成了超声传感器具有测量一定的测量范围。此超声波最近可以测量5cm，最远可以测量3m，完全符合要求。 在机器人底盘前端的前、左、右三个方位上分别安装了超声波传感器，通过三个超声波传感器控制机器人下一步的走行方向，判断的情况如下： (1) 当前方的超声波传感器检测到障碍物，左、右都未检测到障碍物时，机器人将向左（或右）转弯； (2) 当前、左两个超声波传感器检测到障碍物时，机器人将向右转弯； (3) 当前、右两个超声波传感器检测到障碍物时，机器人将向左转弯； (4) 当前方超声波未检测到障碍物时，机器人继续前进。 机器人通过判断三个超声波传感器传回的数据，确定行进的方向，实现机器人的直线运动和转弯等动作。 6、辅助调试模块主要用于智能车系统的功能调试、行走工作状态监控等方面。 3.2 火源监测识别 在火灾发生时，为了让机器人能够自己找到火源的位置，我们设计了2种火源监测方案，当机器人检测到火焰后，会向机器人和控制中心同时发送信息，机器人会自己寻找火源前去进行灭火。火焰传感器如图18所示，其主要的原理是利用红外线对火焰非常敏感的特点，使用特制的红外线接收管来检测火焰，然后把火焰的亮度转化为高低变化的电平信号，输入到中央处理器中，中央处理器根据信号的变化做出相应的程序处理，以实现消防机器人对火焰的检测。

图18 A710系列火焰探测器及其外形图

本设计中采用火焰探测器，其优点在于以下方面： 1、防误报能力强：通过特定的传感器选型、火焰识别技术、软件算法，使得活火焰探测器对日光、电弧焊、人工光源、热辐射、电磁干扰等具有极强的防误报警能力； 2、灵敏度高：能够有效识别背景噪声，结合软件算法，对火焰辐射敏感； 3、自适应、自检测功能：可靠的故障自诊断，自动根据探测窗口污染情况调节探测灵敏度； 4、监视范围大：轴线探测距离长（最长大60米）、监视角度大（120度），保护范围大； 5、防护等级高：防尘、防水、防爆，适用于各种恶劣环境； 6、维护成本低：探测器在日常使用一段时间后，需进行清洗维护工作，一般可直接用水清洗，对存在油污等情况下可直接用酒精清洗外监视窗口，无需专人、专用工具。 A710系列火焰探测器的设计选型如下表：

第一种火源监测方案：我们将3个火焰探测器以夹角为120°安装在消防车的顶部，在小车进行巡逻的过程中，这3个探测器同时进行监测，由于采用的探测器最大探测角度为120°，最长距离为60米，从而保证了火源探测系统可以在360°范围内进行探测，可靠性高。 第二种火源监测方案：我们将火焰探测器装在仓库中，在消防机器人上只装一个信号接收器，当有火源产生时，火焰探测器将火源的信息传送到机器人的接收器上，接收器再将信号传到主控模块，从而使消防小车做出相应的判断进行灭火。 具体布置方式如下： ①用一只探测器监视房间，适用于中等大小的空间，边长小于42米，对角线小于60米，如图19所示。 ②用两只探测器监视房间，适用于方形较大空间，最大边长小于42米、对角线距离大于60米，如图20所示。

图19一个探测器监测图

图20 两个探测器对角放置

③用两只探测器监视房间，适用于狭长空间，窄边小于42米，长边大于42米，小于84米，如图21所示。

图21两个探测器并列放置

④用四只探测器监视房间，适用于超大空间，最大边长小于84米，对角线距离小于120米，如图22所示。

图22四个探测器对角放置

在安装的过程中，对于类似于隧道等狭长的仓库，火焰探测器之间的距离必须掌握好，否则出现盲区现象。经计算可得，两个探测器之间的距离应小于50米，如图23(a)、(b)、(c)所示。

图23(a) 正视图

图23(b) 侧视图

图23(c) 俯视图

3.3 火情预处理 火情预处理仓库消防机器人的主要功能，机器人在进入灭火射程时，根据遥控指令或者通过对自身传感器信息的处理，能够喷射相应的灭火剂进行灭火。 危险化学品仓库着火后，首先要根据危险化学品的不同性质，正确选用灭火剂，积极采取针对性的灭火措施。 1、大多数易燃，可燃液体火灾都能用泡沫扑救。其中水溶性的有机溶剂应使用抗溶性泡沫扑救，如醇、醚类火灾； 2、可燃气体火灾使用二氧化碳、干粉等灭火剂扑救； 3、有毒气体和酸、碱液可以使用喷雾、开花射流或设置水幕进行稀释； 4、遇水燃烧物质，如碱金属、碱土金属火灾，不能用水和二氧化碳进行扑救，应使用干粉、干沙土或水泥粉等覆盖灭火； 5、遇水反应物质，如乙硫醇、乙酰氯等，与水和水蒸气接触能发生反应，产生有毒或易燃气体，因此，此类火灾不能用水扑救，应使用二氧化碳、干粉、水泥粉、干沙土等扑救； 6、粉状物品，如硫磺粉、粉状农药等，不能用强水流冲击，可用雾状水扑救，以防止发生粉尘爆炸，扩大灾情。 消防小车上装有碳纳米管传感器，该传感器是利用碳纳米管的独特结构、电子、界面、场致诱导效应、声学和力学等性能而构建的一类新型敏感检测元件，在不同种类的危化品检测方面有很好的应用前景。检测到火源信息后，通过自身的判断启动小车上自带的消防装置，喷射针对性的灭火剂进行火情处理。 3.4 信息反馈系统 为了采集火灾发生现场的实时图像，我们在机器人的顶部安装了摄像头，可以传回现场的图像，在控制中心的屏幕上显示，以方便工作人员查看现场的情况，在火灾发生时，也可以通过了解现场的信息而控制机器人。 火场中危化品的种类、性质、有毒气体浓度、火源发展形势等也通过消防平台反馈给控制终端，终端进而控制机器人和仓库中的各类灭火装置，确保火情扑救成功。 4市场分析 经过查阅相关文献、整体方案设计、机械结构设计、各类传感器的选择与布置、计算校核，最终机器人能够完成设想的仓库消防巡逻预警、火源定位识别、火情预处理、信息反馈、危险品转移与物资抢救等几大功能。在设计的过程中，也发现了机械本体存在的问题，目前仍在改进中。仓库消防机器人由于其灵活、高效的特点，使其在仓库火灾抢险中具有广阔的市场应用前景。 5竞争力分析 按照消防机器人的发展过程，消防机器人大概可以分为三代：第一代为遥控消防机器人，第二代为具有传感器的遥控消防机器人，第三代为智能消防机器人。 国外从20世纪80年代开始研制消防机器人，日本研制的“彩虹5号”消防机器人，具有轮式移动和履带式移动两种运动模式。在平坦的地面上运动时采用轮式移动，速度较快；在遇到障碍或地面不平坦时，可以运用履带式运动在困难路段行进，实现越障功能；并能通过遥控机器人随身携带的灭火器进行灭火。英国在80年代末研制的机器人消防车，装有双臂、水枪、探测器、红外线装置等，可以在火灾现场的外围进行灭火，并能通过遥控装置对机器人进行控制，实现搬移物品等动作。随着耐高温材料的发展，美国在90年代研制的消防机器人外壳采用阻燃材料，能够承受火灾现场的高温，可以有效地保护机器人自身的安全，更好的完成消防任务。 进入21世纪后，国外开始发展第三代智能消防机器人，英国、美国研制的消防机器人已经可以通过传感器采集现场信息，通过机器人自身的控制器对信息进行有效地处理，并将现场信息传回控制中心，控制中心通过观察现场信息，远程遥控机器人进行灭火和救援任务，该消防机器人实现了信息采集、灭火等功能，已经是具有低智能的消防机器人。图24为日本研制的消防机器人，该机器人还可以在火灾现场实现对受伤人员的快速转移。

图24 日本研制的消防机器人

国内的消防机器人起步较晚，从上世纪80年代开始主要针对远程遥控消防机器人的研究，并取得了一定的成果。进入21世纪，国家863项目“ZXPJ01型自行式消防水炮”的研制，填补了我国消防机器人领域的空白，它可以实现灭火、危险场所救援等任务。该机器人已经在陕西、内蒙古等地投入使用，并完成了多次消防救援任务。在此基础上，我国又自行研制了消防机器人“梦幻一号”，如图25所示，它可以实现远程遥控功能，在火灾现场外围进行灭火，它还可以通过远程遥控冲入火灾现场，实现更近距离的消防救援。

图25 消防机器人“梦幻一号”

近几年来，有更多的研究公司加入到研究消防机器人的行列中，也取得了一定的成果。安徽明光消防车厂生产出遥控灭火消防车，抚顺起重工程有限公司也研制出“多功能消防机器人”，这些消防机器人都可以完成外围消防救援的任务。江苏、辽宁、云南、湖北等地的消防部队先后陆续配备了一部分国产消防机器人。 目前，国内消防机器人的发展较为迅速，但是和发达国家相比还有一定差距，各机器人研究部门也在努力开发更加实用的消防机器人。 消防机器人进行灭火的主要方法是在火灾现场外围运用消防炮等设备进行灭火，由于大型火灾具有初始阶段阴燃时间长，不易被发现，现场危险品多等特点，采用消防炮灭火，空气的流通使得氧气得到了补充，初始火源会继续蔓延，增加消防难度。所以灭火的最好方法就是能够转“外部围攻”为“内部突破”，在现场内部进行针对性的灭火，在火灾还没有扩大之时就进行扑灭。日本正在研制的消防机器人，能够在火灾发生时冲入现场，通过自身携带的传感器采集现场信息，并通过对信息的处理作出一定的决策，以实现灭火和救援等任务。这种可以在火灾发生时冲入现场的方式，可以有效提高灭火的效率。 从消防机器人的发展过程我们可以看出，随着计算机技术和控制方法的发展，智能消防机器人是目前消防机器人的主要发展方向，即在火灾现场较为复杂的环境中可以通过采集现场的信息，自主的作出决定，在一定程度上降低盲目性，可以更加有效地实现灭火功能。 除了智能化消防机器人，消防机器人还有以下几个发展方向： （1）多传感器融合技术的应用。为了应对仓库火灾现场极其复杂的情况，机器人应该具有多种传感器。为进一步提高机器人的智能化和适应性，多种传感器的融合使用是关键技术，其研究热点在于有效可行的多传感融合算法。 （2）新材料技术。消防机器人的工作环境具有高温的特点，所以对消防机器人来说，如何保证自己的安全是极其重要的，新材料的发展可以保证机器人在高温下正常工作，我国正在研制纳米防火阻燃材，该材料使用后，机器人可以在火灾时冲入现场而自身不受到伤害。 （3）多功能融合技术。多功能融合是指消防机器人与其他的机器人功能相互融合，如日本已经研制出的爬楼梯消防机器人，可以适应更加大型的仓库，可与消防机器人融合的功能还有排障、越障等。 仓库火灾与一般的现场火灾有所区别，仓库是物资集中的场所，具有烧大火的条件，一旦发生火灾，发生危险的可能性极大，所以需要在火灾刚发生时就给予有效地控制，这就需要专门的仓库消防机器人，能够在仓库火灾发生时迅速找到并到达火源地点完成消防和救援任务。由于仓库火灾的特殊性，仓库消防机器人的应用对于减少仓库火灾的损失具有明显的作用，可以在初始火源还没有充分燃烧的时候就将火灭掉，与传统的消防炮等仓库灭火方法相比，该消防机器人可以更早的对火源进行处理，为灭火争取宝贵的时间。 6投资预算 表1 仓库自动消防机器人平台投资预算

注：表1中给出的预算适用于面积小于400平方米的仓库。