李梓鋮 王田怡 臧志

摘 要 在日常生活中，火災(zāi)對(duì)我們有著很大的威脅?；馂?zāi)的特點(diǎn)是發(fā)生頻率高、突發(fā)性強(qiáng)、破壞性大。在火災(zāi)救援的過程中，空氣中會(huì)產(chǎn)生煙霧、有害氣體，這些惡劣的條件給救災(zāi)人員帶來了很多的困難。隨著科技的不斷進(jìn)步，消防機(jī)器人成為了一個(gè)新興而富有挑戰(zhàn)的科研領(lǐng)域。本文主要講述一種火災(zāi)探測機(jī)器人的功能和其控制臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞 火災(zāi) 消防 機(jī)器人 控制臺(tái)

中圖分類號(hào)：TP242 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0745（2021）11-0005-03

隨著科技的發(fā)展和時(shí)代的進(jìn)步，機(jī)器人開始與各行各業(yè)進(jìn)行有效的結(jié)合，消防機(jī)器人也隨之而生。消防機(jī)器人的存在，大大提高了救援的效率，保護(hù)了受害者與消防員的生命安全。

1 消防機(jī)器人的現(xiàn)狀

1.1 消防機(jī)器人的背景

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，高樓、地鐵、石油化工企業(yè)等不斷增加，使火災(zāi)、爆炸、燃燒等相關(guān)事件的數(shù)量，救援難度，危險(xiǎn)系數(shù)急劇增加。因此，需要對(duì)事故現(xiàn)場的環(huán)境提前進(jìn)行勘察、分析、反饋，保障消防官員的人身安全問題刻不容緩，而無生命損傷、可重復(fù)利用率高的特種機(jī)器人——消防機(jī)器人就此應(yīng)運(yùn)而生。

1.2 消防機(jī)器人的主要類型

當(dāng)今，市面上流通的消防機(jī)器人按功能可分為滅火機(jī)器人、火場偵察機(jī)器人、危險(xiǎn)物品泄露探測機(jī)器人、破拆機(jī)器人、救人機(jī)器人、多功能消防機(jī)器人等，[1]其中火場偵察機(jī)器人作為消防行動(dòng)的先行者，將為消防員提前偵察火災(zāi)現(xiàn)場，盡可能的規(guī)避危險(xiǎn)，大大減少消防員的傷亡率，為提高消防救援的速度做出了不可磨滅的貢獻(xiàn)。

1.3 消防機(jī)器人控制臺(tái)的類型

目前市場上用于人機(jī)交互領(lǐng)域的控制器種類有無線手柄、鍵盤鼠標(biāo)、無線搖桿控制器。手柄的特點(diǎn)如下：手柄的按鍵較為集中，可以充分發(fā)揮手的靈活性;體積較小，方便攜帶，適應(yīng)性強(qiáng)，很適合單人車載機(jī)器人的控制工作;操作簡單，容易上手，熟練度高。

2 控制臺(tái)的研究過程

2.1 消防機(jī)器人研究過程

本文所設(shè)計(jì)的消防機(jī)器人具有防水防爆耐高溫的功能，主要由移動(dòng)系統(tǒng)、環(huán)境檢測系統(tǒng)、電源系統(tǒng)組成。[2]

移動(dòng)系統(tǒng)：為滿足消防機(jī)器人在狹窄樓道的通過能力，提高消防機(jī)器人躲避障礙物的靈活度，消防機(jī)器人采用履帶式移動(dòng)底盤，在保證速度的情況下，采用緊湊型設(shè)計(jì)，提高消防機(jī)器人的路面適應(yīng)能力。

環(huán)境勘探系統(tǒng)：機(jī)器人的圖像傳輸包括前后兩個(gè)攝像頭，分別位于機(jī)器人的前后兩端，輔助小車的正常行駛。本次設(shè)計(jì)的傳感器包括紅外火焰?zhèn)鞲衅?，主要由紅外敏感元件構(gòu)成?？梢酝ㄟ^不同的紅外波長，反映火災(zāi)溫度。消防機(jī)器人還配置多種傳感器，機(jī)器人將收集到的各類環(huán)境數(shù)據(jù)（氧氣濃度、風(fēng)向等）與圖像實(shí)時(shí)反饋至數(shù)據(jù)分析平臺(tái)及顯示屏上。[3]

消防機(jī)器人工作流程：（1）由操作人員在安全區(qū)域內(nèi)打開機(jī)器人電源，通過操作臺(tái)傳達(dá)運(yùn)輸指令，加速進(jìn)入消防現(xiàn)場;（2）抵達(dá)消防現(xiàn)場后，減速慢行，將火災(zāi)圖像實(shí)時(shí)傳遞至顯示屏上;（3）消防機(jī)器人通過探測各類數(shù)據(jù)，傳至分析平臺(tái)，由分析平臺(tái)預(yù)測未來火勢走向，再傳至顯示屏上（如圖 1所示）。同時(shí)，分析平臺(tái)還會(huì)利用這些

數(shù)據(jù)分析機(jī)器人的最佳救援途徑，確保救援效率（如圖2所示）;（4）當(dāng)機(jī)器人發(fā)現(xiàn)疑似人形物體時(shí)，將自動(dòng)標(biāo)記，并使操作臺(tái)發(fā)生震動(dòng)，改變救援路線;（5）機(jī)器人到達(dá)被困者處，由操作員進(jìn)行對(duì)話，對(duì)于有自主行動(dòng)能力的被困者，機(jī)器人將指引正確的路徑，幫助逃生;對(duì)于有意識(shí)但無行動(dòng)能力的被困者，操作人員將通過通訊裝置安撫情緒，同時(shí)通知消防員趕到;對(duì)于無意識(shí)的被困者，操作人員通過通訊裝置通知消防員立即救助。

2.2 控制臺(tái)的研究過程

2.2.1 控制臺(tái)的材料說明

控制臺(tái)外殼采用具有一定的韌性，抗腐蝕性能好，加工產(chǎn)品表面光潔的ABS樹脂時(shí)，手持部分用小圓點(diǎn)增加摩擦力;內(nèi)部按鈕需要高頻率使用，因此采用不易折斷且具有較高的彈性、耐熱性好、拉伸強(qiáng)度高的硫化橡膠;外部按鈕采用PC塑料，沖擊強(qiáng)度高，尺寸穩(wěn)定性和耐磨性較好。背面采用磨砂噴涂，在確保手感的同時(shí)還能有效防滑。而符合人體工程學(xué)的螺紋指槽位，在確保舒適的同時(shí)，在一定程度上也能緩解操作者疲勞。在救援過程中如果發(fā)生電源不足的情況，可通過頂部的type-c接口，進(jìn)行充電使用。

2.2.2 控制臺(tái)的鍵位功能分析

功能分析如下：

左搖桿：控制消防機(jī)器人的移動(dòng)。

右搖桿：控制攝像頭的移動(dòng)。

十字鍵：切換不同的視角傳至主界面。

電源顯示鍵：當(dāng)手柄處于開啟狀態(tài)時(shí)，指示燈就會(huì)發(fā)光，電源充足時(shí)發(fā)綠光，電量不足一半時(shí)發(fā)黃光，電量不足百分之二十時(shí)發(fā)閃爍紅光，提醒充電。

左前按鈕：負(fù)責(zé)與被困人員通話，第一次按下時(shí)，消防機(jī)器人將重復(fù)播放“有人嗎”，第二次按下時(shí)，將建立與被困人員的對(duì)話聯(lián)系;第三次按下時(shí)，語音將關(guān)閉。

右前按鈕：加速鍵，按下時(shí)消防機(jī)器人將持續(xù)加速，松開按鈕將維持最后速度前行。

左扳機(jī)：確認(rèn)鍵，與十字鍵配合使用，只有按下左扳機(jī)屏幕才會(huì)發(fā)生相對(duì)應(yīng)的變化。

右扳機(jī)：減速鍵，按下時(shí)消防機(jī)器人將持續(xù)減速，松開按鈕后將維持最后的速度前行。

綠鍵：放大鍵，界面放大，按一下在最原始基礎(chǔ)上放大30%。

紅鍵：縮小鍵，界面縮小，按一下在最原始基礎(chǔ)上縮小30%。

藍(lán)鍵：對(duì)話鍵，第一次按下時(shí)，將建立與消防員的對(duì)話，指引消防員至被困者附近;第二次按下時(shí)，語音將關(guān)閉。

2.3 控制臺(tái)按鍵的研究分析

將電源顯示按鈕放中間可以讓操作者在一開始就對(duì)手柄的電量做一個(gè)初步的判斷。

對(duì)于大多數(shù)人而言，右手是習(xí)慣用手，右手會(huì)顯得更加靈活，所以將想要長時(shí)間操作的移動(dòng)功能放到右邊，同時(shí)搖桿本身就不會(huì)讓操作者的手指做出高強(qiáng)度的運(yùn)動(dòng)，給人體帶來的肌肉疲勞度小，對(duì)人體工學(xué)的要求低，對(duì)于操作者而言，移動(dòng)用右搖桿控制，會(huì)更加的輕松，也可以更靈活的控制機(jī)器人的移動(dòng)。

加速、減速過程中需要一直按鍵，因?yàn)橛沂质种副茸笫质种父辛猓詫u桿放右邊，使操作者只需用到左大腦，起到緩解疲勞的作用。

左手大拇指的快捷移動(dòng)區(qū)域是左上方和右方，所以把移動(dòng)攝像頭的功能與切換屏幕的功能放在右搖桿對(duì)稱點(diǎn)的左上方與右方。移動(dòng)攝像頭的要求比較靈活，所以采用搖桿結(jié)構(gòu)，相比切換屏幕而言移動(dòng)攝像頭的頻率較高，所以放在左上方。

由于放大縮小的功能只有在切換屏幕的時(shí)候才能用到，放在右邊可以充分利用左右大腦，更加方便。

在使用對(duì)話按鈕的時(shí)候，都是在發(fā)現(xiàn)人的時(shí)候下，這時(shí)候機(jī)器人需要大幅度的移動(dòng)和小部分的視角移動(dòng)。如果對(duì)話按鈕放右邊，會(huì)影響機(jī)器人的靈活移動(dòng)。

確認(rèn)鍵的使用頻率小，為了符合對(duì)稱美，將確認(rèn)鍵放到了左邊。

2.4 控制臺(tái)的尺寸分析

參考《中國成年人人體尺寸（GB/T 10000-1988）》中手的規(guī)格，綜合來說，我們?cè)O(shè)計(jì)手柄的規(guī)格為165*115*70（單位為毫米）。

右搖桿是由右手的大拇指來控制的，它的面積要大于拇指指甲蓋的面積，我們?cè)O(shè)計(jì)它的直徑為14毫米，搖桿底盤的直徑比按鈕的直徑要大，設(shè)為24毫米。右手的操作較為頻繁，拇指擺動(dòng)的幅度較大，所以將這個(gè)按鈕放在偏右下方的位置。按鈕的圓心到手柄右下角的距離為大拇指的長度再加30毫米，約為78毫米，與水平方向呈40度角，它的厚度為10毫米。

左搖桿是由左手的大拇指來控制的，它與右搖桿的大小、厚度一樣。按鈕的圓心到手柄左下角的距離為78毫米，與垂直方向呈20度角。

十字中心鍵的長度和寬度一樣，為20毫米。這個(gè)按鈕的中心與右搖桿的圓心關(guān)于手柄對(duì)稱，按鈕的中心到手柄左下角的距離也為78毫米，與水平方向呈40度角，厚度為3毫米。

手柄正中央的按鈕的直徑為22毫米，它的圓心到底邊的距離為72毫米。

右上角三個(gè)小圓鍵的直徑為10毫米，它們的圓心連接到一起可以組成一個(gè)等邊三角形，這個(gè)等邊三角形的中心到手柄右下角的距離約為85毫米，與水平方向呈60度角。它的厚度為3毫米。

手柄前面的四個(gè)按鈕分成了兩排，關(guān)于手柄的中心對(duì)稱。按鈕的中心到手柄前面中軸線的距離為30毫米，厚度均為3毫米。第一排的按鈕是由兩個(gè)食指來控制的，按鈕的寬度近似食指的寬度為12毫米，長度為40毫米。第二排的按鈕是由兩個(gè)中指來控制的，寬度為30毫米，長度為12毫米，這兩排按鈕的間距約為10毫米。

3結(jié)語

救援人員在進(jìn)行救災(zāi)的過程中會(huì)遇到很多的困難，也會(huì)面臨著付出生命的代價(jià)。消防機(jī)器人在一定程度上可以協(xié)助救援人員進(jìn)行救災(zāi)，提高救災(zāi)效率，降低他們的風(fēng)險(xiǎn)。隨著科技的不斷進(jìn)步，消防機(jī)器人在救災(zāi)的領(lǐng)域也會(huì)不斷地創(chuàng)新、突破。

參考文獻(xiàn)：

[1] 胡傳平.面向新世紀(jì)的我國消防機(jī)器人展望[J].消防科學(xué)與技術(shù)，1999（04）：57-58，4.

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[3] 張偉，阮鵬程，徐岳，張茂春，于檸源，王海磊.變電站消防機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].消防科學(xué)與技術(shù)，2020，39（09）：1301-1303.