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(1.深圳供電局有限公司, 廣東 深圳 518001； 2.中國科學(xué)院沈陽自動化研究所機(jī)器人學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽 110016)

0 引言

高壓配電室作為變電站的核心區(qū)域[1-2]，安裝有起開閉和分配電能作用的高壓配電裝置。隨著我國電力需求量的不斷增長、電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，無人值守變電站越來越廣泛。當(dāng)發(fā)生起火、冒煙或不明原因斷電時(shí)，搶修人員無法靠近事故現(xiàn)場第一時(shí)間處理。

為解決該問題，開展了高壓室消防機(jī)器人設(shè)備[3-6]的研究。機(jī)器人設(shè)備主要由地面移動車和控制終端組成[2,7-11]。地面移動車搭載消防裝置完成對高壓室電柜觀察窗的破拆和消防處理，提高了高壓室的消防處理效率，減少了人員意外傷害，為變電站高壓配電室安全運(yùn)行提供了可靠的保障。

1 高壓配電室消防機(jī)器人系統(tǒng)

消防機(jī)器人的主要任務(wù)是完成對高壓配電室的狀態(tài)監(jiān)測和消防作業(yè)，因此消防機(jī)器人系統(tǒng)主要由消防機(jī)器人本體和控制終端組成[12-13]。2個(gè)子系統(tǒng)的基本功能如圖1所示，操作人員可以通過遠(yuǎn)程控制終端遙控消防機(jī)器人進(jìn)行作業(yè)，消防機(jī)器人在移動過程中可自主避障和自主靠近對齊配電柜。消防機(jī)器人可通過帶有紅外功能的攝像頭設(shè)備對環(huán)境信息進(jìn)行采集，并實(shí)時(shí)上傳至控制終端[9]。當(dāng)發(fā)生火情時(shí)，消防機(jī)器人可及時(shí)到達(dá)著火地點(diǎn)，對觀察窗進(jìn)行破拆并滅火。

圖1 消防機(jī)器人系統(tǒng)

與消防機(jī)器人的基本功能相對應(yīng)，機(jī)器人系統(tǒng)需要包括機(jī)械本體、驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和上位機(jī)軟硬件等，系統(tǒng)的組成如圖2所示。其中，控制系統(tǒng)包括主控制模塊、運(yùn)動控制模塊、傳感器模塊、圖像采集模塊和消防處理模塊；上位機(jī)軟硬件包括無線通訊模塊、圖像顯示模塊、圖像接收模塊和信息顯示模塊。

圖2 系統(tǒng)的組成

2 消防機(jī)器人本體設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)破拆和滅火功能，消防機(jī)器人由可任意半徑轉(zhuǎn)向的移動車體和末端執(zhí)行裝置組成，如圖3所示。

圖3 機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)

移動車體可實(shí)現(xiàn)任意半徑的轉(zhuǎn)動，主要包括電機(jī)、減速機(jī)、驅(qū)動器、傳感器和帶有紅外功能的高清攝像頭等各種零部件，從而實(shí)現(xiàn)驅(qū)動、監(jiān)測和避障等功能。

末端執(zhí)行裝置主要由中空旋轉(zhuǎn)平臺、三自由度機(jī)械臂、轉(zhuǎn)盤、電動開孔器、電動推桿2、滅火器和攝像頭等組成。中空旋轉(zhuǎn)平臺固定于轉(zhuǎn)盤和車體之間，三者軸心位于同一條直線上，可帶動轉(zhuǎn)盤實(shí)現(xiàn)任意角度的旋轉(zhuǎn)。三自由度機(jī)械臂由線性滑臺和電動缸組成，線性滑臺與轉(zhuǎn)盤固定連接，兩者垂直布置且軸心位于同一條直線上。電動缸通過連接板與線性滑臺上的滑塊固定連接，兩者垂直布置，可隨著線性滑臺上的滑塊沿線性導(dǎo)軌實(shí)現(xiàn)400 mm行程的自由移動。電動缸的絲桿端部安裝有方形板，通電時(shí)絲桿可帶動方形版沿著導(dǎo)軌實(shí)現(xiàn)150 mm行程的自由移動。電動開孔器和電動推桿2平行布置。電動推桿2的行程為100 mm，電動推桿上安裝有連接支架，連接支架的分別與電動缸推桿、滅火器的噴管和開孔器連接，滅火器噴管和開孔器處于同一豎直平面內(nèi)。

消防機(jī)器人進(jìn)入高壓配電室，基于攝像頭傳輸回來的圖像信息，操作人員控制車體到達(dá)火災(zāi)位置，調(diào)整車體角度，使電動缸與觀察窗保持垂直，控制線性滑臺上的滑塊上下移動，使其距離地面的高度與觀察窗中心距離地面的高度相同，控制電動缸沿著線性導(dǎo)軌移動，使電動開孔器的端部與觀察窗接觸，控制電動開孔器使其在觀察窗上鉆孔。鉆孔結(jié)束后，控制電動缸，使電動開孔器退出到距離觀察窗約30 mm的位置，控制線性滑臺上的滑塊向下移動，使噴管上的噴嘴與鉆孔的軸線處于同一條直線上，控制電動推桿2，使其推桿帶著噴管進(jìn)入鉆孔內(nèi)，控制滅火器上的電動推桿1收縮，打開滅火器，使滅火器噴出干粉，從而進(jìn)行滅火。滅火結(jié)束后，控制電動缸回到原來的位置。

3 消防機(jī)器人性能分析

在高壓配電室消防機(jī)器人本體設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，對機(jī)器人的性能進(jìn)行分析，包括狹窄區(qū)域通過性分析、穩(wěn)定性分析和抗傾覆能力分析，為高壓室消防機(jī)器人設(shè)計(jì)方案的制定、結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供技術(shù)和理論支持。

3.1 狹窄區(qū)域通過性分析

消防機(jī)器人工作環(huán)境(高壓室)的平面布局如圖4所示。

圖4 高壓消防室平面布局

由圖4可知，黑色部分為高壓室外壁和內(nèi)部開關(guān)柜，視為移動消防機(jī)器人的障礙，白色空間為機(jī)器人的活動空間，白色區(qū)域最窄空間的寬度為660 mm。為了保證消防機(jī)器人能在高壓室中順利行進(jìn)并完成破拆滅火工作，設(shè)計(jì)消防機(jī)器人車體的寬度為600 mm，使得消防機(jī)器人能在室內(nèi)最狹窄區(qū)域順利通過。

3.2 穩(wěn)定性分析

由于安裝在機(jī)械臂上的開孔器在對配電柜觀察窗進(jìn)行破拆鉆孔時(shí)，會使消防機(jī)器人本體受到一個(gè)與鉆孔方向相反的反作用力，這就需要對消防機(jī)器人本體做穩(wěn)定性分析。當(dāng)消防機(jī)器人移動到發(fā)生事故的配電柜位置，準(zhǔn)備進(jìn)行破拆滅火工作時(shí)，消防機(jī)器人車輪停放狀態(tài)有2種情況，如下所述。

a．當(dāng)消防機(jī)器人驅(qū)動輪的軸線與配電柜觀察窗所在面垂直時(shí)，其主要受力情況如圖5a所示(萬向輪受力不考慮)。

設(shè)開孔器鉆孔時(shí)，消防機(jī)器人本體受到的反作用力為T1，受力點(diǎn)距移動平臺軸線距離為k，2個(gè)移動輪受到的阻力分別為F1和F2，移動平臺的半徑為r，則由力學(xué)分析知：

T1k=F2r+F1r

(1)

其中，F(xiàn)1=F2=F，則有T1·k=2F·r，進(jìn)而有：

(2)

因?yàn)閞/k>1，所以T1>2F。

b．當(dāng)消防機(jī)器人驅(qū)動輪的軸線與配電柜觀察窗所在面平行時(shí)，其主要受力情況如圖5b所示(萬向輪受力不考慮)。

圖5 車輪軸線與觀察窗不同位置的受力分析

設(shè)開孔器鉆孔時(shí)，消防機(jī)器人本體受到的反作用力為T2，受力點(diǎn)距移動平臺軸線距離為k，2個(gè)驅(qū)動輪所受到的阻力分別為F1和F2，移動平臺的半徑為r，則由力學(xué)分析知：

F·2r=T2(k+r)

(3)

其中，F(xiàn)1=F2=F，則有：

(4)

故由a和b分析結(jié)果知，除消防機(jī)器人本體車輪停放狀態(tài)外，在相同破拆觀察窗條件下，在條件a時(shí)機(jī)器人本體停放的狀態(tài)更加穩(wěn)定。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)情況，在k=0時(shí)，條件a和條件b都能滿足要求?？紤]到開孔器不能正常停止進(jìn)給運(yùn)動時(shí)，條件b的安全性更高，所以設(shè)計(jì)的開孔器軸線位置與移動平臺軸線位置重合(即k=0)。

3.3 抗傾覆能力分析

為了保證消防機(jī)器人正常穩(wěn)定工作，當(dāng)開孔器在對配電柜觀察窗進(jìn)行破拆鉆孔時(shí)，同時(shí)需要對消防機(jī)器人本體做抗傾覆能力分析。當(dāng)消防機(jī)器人移動到發(fā)生事故的配電柜所在位置，準(zhǔn)備進(jìn)行破拆滅火工作時(shí)，消防機(jī)器人車輪停放狀態(tài)也有相同的2種情況：

a.當(dāng)消防機(jī)器人驅(qū)動輪(移動輪)的軸線與配電柜觀察窗所在平面垂直時(shí)，其主要受力情況如圖6a所示。

設(shè)開孔器鉆孔時(shí)，消防機(jī)器人本體受到的反作用力為F1，受力點(diǎn)距地面高度為h，消防機(jī)器人本體受到的總重力為G，移動平臺的半徑為r，傾覆點(diǎn)為移動輪上的M點(diǎn)。則由力學(xué)分析知：若F1h

F1h=72.5×1 206=87 435 N·mm

Gr=500×300=150 000 N·mm

因?yàn)镕1h

b.當(dāng)消防機(jī)器人驅(qū)動輪(移動輪)的軸線與配電柜觀察窗所在面平行時(shí)，其主要受力情況如圖6b所示。

圖6 驅(qū)動輪軸線與觀察窗受力分析

設(shè)開孔器鉆孔時(shí)，消防機(jī)器人本體受到的反作用力為F2，受力點(diǎn)距地面高度為h，消防機(jī)器人本體受到的總重力為G，移動平臺的半徑為r，傾覆點(diǎn)為萬向輪上的M點(diǎn)，則由力學(xué)分析知：若F2h

F2h=72.5×1 206=87 435 N·mm

Gr=500×300=150 000 N·mm

因?yàn)镕2h

綜上所述，在a和b情況下消防機(jī)器人本體均具有良好的抗傾覆能力性能。

通過上述計(jì)算分析可知，該消防機(jī)器人具有良好的狹窄區(qū)域通過性能、穩(wěn)定性能，以及良好的抗傾覆性能。

4 實(shí)驗(yàn)研究

消防機(jī)器人上位機(jī)可以通過局域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)對機(jī)器人的遠(yuǎn)程操控，進(jìn)行前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎、繞行、開孔和滅火等一系列操作。

4.1 開孔實(shí)驗(yàn)

操作人員通過上位機(jī)控制消防機(jī)器人的移動轉(zhuǎn)向，使機(jī)器人移動動到距離配電柜觀察窗合適的位置，然后控制機(jī)械臂通過開孔器對目標(biāo)進(jìn)行開孔實(shí)驗(yàn)。開孔實(shí)驗(yàn)如圖7所示，實(shí)驗(yàn)表明消防機(jī)器人能夠順利開孔。

圖7 開孔實(shí)驗(yàn)

4.2 滅火實(shí)驗(yàn)

操作人員通過上位機(jī)控制機(jī)械臂，使得滅火器噴管移動到開孔器的開孔處，通過電動缸推桿將噴管送入孔內(nèi)，此時(shí)干粉滅火器打開進(jìn)行滅火，完成后推桿收回，機(jī)械臂回零位，滅火動作完成。滅火實(shí)驗(yàn)如圖8所示。

圖8 噴射干粉

4.3 自主避障實(shí)驗(yàn)

在機(jī)器人進(jìn)行滅火的途中，遇到狹窄的空間不方便依靠攝像頭圖像信息操控機(jī)器人時(shí)，可切換為自助避障模式，使機(jī)器人能夠順利通過狹窄區(qū)域。自主避障實(shí)驗(yàn)如圖9所示。

圖9 自主避障實(shí)驗(yàn)

5 結(jié)束語

根據(jù)高壓室消防機(jī)器人的作業(yè)需求，設(shè)計(jì)了一種用于高壓配電室消防機(jī)器人系統(tǒng)，用于高壓消防室的監(jiān)測和消防作業(yè)。對消防機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行了組成分析和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，詳細(xì)介紹了機(jī)器人的結(jié)構(gòu)組成。通過對消防機(jī)器人的狹窄區(qū)域通過能力、穩(wěn)定性和抗傾覆能力分析，確認(rèn)了所設(shè)計(jì)的消防機(jī)器人具有較好的性能。通過開孔實(shí)驗(yàn)、滅火實(shí)驗(yàn)和自主避障實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了高壓室消防機(jī)器人能夠有效完成預(yù)定的作業(yè)任務(wù)。