多功能智机器人
摘 要：针对于灾区情况复杂多变，多种救援工具难以在短时间内聚集使用的缺陷，我们设计了多功能智能安防机器人。多功能智能安防机器人利用各类传感器完全实现智能远程控制，可以实现堵漏救援、道路除障、自动消毒、火灾救援等多种功能。文中对其结构、功能进行了细致说明，同时也对作品的设计和制作过程及在设计过程中遇到的一些问题进行了详细的叙述，总结了设计体会与心得。
关键词：机器人；多功能；智能；安防
1 应用背景
近年来，随着智能机器人技术的不断发展，智能机器人的领域正在不断的扩大，世界上许多国家都在研制各种不同的危险作业机器人，如：军用机器人、扫雷机器人、排爆机器人和消防机器人等。救灾机器人是机器人的一个新兴发展领域，属于危险作业机器人的一个分支，具有危险作业机器人的特点[1]。
在世界各地，由于自然灾害、恐怖活动和各种突发事故等原因，灾难经常发生。在灾难救援中，救援人员只有非常短的时间用于在倒塌的废墟中援救幸存者。在这种紧急而危险的环境下，救灾机器人可以为救援人员提供帮助，将具有自主智能的救灾机器人用于危险和复杂的灾难环境下“搜索和营救”(SAR)幸存者，是机器人学中的一个新兴而富有挑战性的研究课题[2]。
在我国，石油化工等基础工业有了飞速的发展和进步，生产过程中的易燃易爆和剧毒化学制品急剧增长，由于设备以及管理等方面的原因，导致化学危险品和放射性物质泄漏以及燃烧，爆炸的事故隐患越来越多。并且由于煤矿大多数为人工开采，不安全因素很多，灾害事故危害重，伤害多，中断生产时间长，损毁井巷工程或生产设备。然而，煤矿事故中，一般救护人员无法进入危险区域，只能通过提升绞车、移动式风车等设备清除垃圾，向井下通风，然后再搜救遇险矿工。这种方式危险性大，救灾周期长，往往效率低而伤亡人数多。随着科技的发展，机器人也将被应用到煤矿救灾领域[3]。
同时，随着工业化、城市化、市场化建设进程加快，高层建筑、地下空间、石油化工易燃易爆场所大量涌现，火灾发生的机率和危险性、复杂性、扑救难度空间增大，特别是有些地方盲目地搞一些违规建设，这个区域里火灾发生比较多，已成为现实生活中的严重问题。一旦事故发生，假如没有有效的方法、装备及设施，救援人员将无法进入事故现场，而要冒然采取行动，往往只会造成生命的无辜牺牲, 付出惨重代价，采用机器人，可以替代消防队员接近火灾现场实施有效的灭火救援作业，开展各项火场侦察任务，尤其是在危险性大或者消防队员不易接近的场合。机器人的应用将大大提高消防部门扑灭恶性火灾的能力，对减少国家财产损失和灭火救援人员的伤亡具有重要的作用[4]。
为了更好地应对各种自然灾害和人为灾害中的抢险救灾工作，急需一款集多种场合下抢险救灾功能为一体的多功能智能安防机器人。
2 国内外研究状况
2.1 国内安防机器人的发展状况
我国大约有30家左右的高等院校和研究院所在从事各类机器人的研究工作，在40多年来，已在机器人的感觉识别，操作、移动技术，人机接口技术, 智能化技术等方面取得了可喜的成就。部分科研成果, 如工业装配、焊接、喷涂，搬运、探伤、水下作业、过程测量机器人已进入实用阶段，某些控制、传动元器件的产品技术已接近国际先进水平。
在863计划资助下，中国科学院沈阳自动化研究所开展了多项危险作业和极限作业机器人研究，其中救援机器人是重要的一个部分。如蛇形机器人，旨在用于非结构环境中探测和灾难救援作业。该蛇形机器人可以根据地面状况采用蜿蜒、伸缩、侧移和翻滚等多种运动步态，在监控系统的无线控制下，具有一定的三维运动能力，并可通过安装在蛇头上的微型摄像头将现场图像传回监控系统。在蛇形机器人研究的基础上，从模块化、可重构和自动变形的角度研制出了一种履带式灾难救援可变形模块机器人样机，该三模
块机器人具有9种运动构形和3种对称构形，具有直线、三角和并排等多种形态；而其研制的水面救援机器人，可以在l km范围内，对其进行无线控制。由沈阳自动化所和广州卫富公司承担的“危险作业机器人”课题，成功研制出能完成反恐、防暴等综合任务的“危险作业机器人”产品样机；沈阳自动化研究所最近研制出的基于复合机构的非结构环境移动机器人，它能够在高低不平、障碍物和楼梯等复杂多变的环境中使用，适用于探测、排查、搬运、消防和销毁等危险作业。
2005年9月l2日，“中日救援及安全机器人技术研究中心”在沈阳揭牌成立，该中心由中国科学院沈阳自动化研究所与日本国际灾难救援系统研究院合作成立，旨在实现强强联合，推动机器人技术在灾难救援中的应用[5]。
2009年5月，中科院沈阳自动化所机器人学国家重点实验室与中国地震应急搜救中心联合研制的40kg 级旋翼飞行机器人公开亮相，该机器人成功完成自主起飞、空中悬停、航迹点跟踪飞行、超低空信息获取、自主降落等科目，实现了对地震废墟区域的快速信息获取与实时影像回传[6]。
2009年12月沈阳新松机器人公司研制出了国内首台具有生命探测功能的井下探测救援机器人。该机器人上的拾音器可以捡拾呼救声音，红外热成像仪可以探测到人体，机器人还可以配载食品、水、急救包等物品[7]。
抢险救援机器人的研制正在国内蓬勃发展，并受到政府的极大重视，“救灾救援危险作业机器人”项目被列为国家“863”计划重点项目。
2.2 国外安防机器人的发展状况
国际上较早开展安防机器人研究的是美国和前苏联，稍后，英国、日本、法国、德国、等国家也纷纷开始研究该类技术。目前已有很多种不同功能的消防机器人用于救灾现场。灾难救援机器人技术正从理论和试验研究向实际应用发展。在2005年6月份日本神户召开的IEEE 安全、防卫、救援国际研讨会(IEEE SSRR ’05) 上，会议的主旨定为：“在今后的减灾和救援中，机器人作为一种有效的手段，将成为社会基础设施中不可缺少的部分”。
日本作为一个多核能、多地震国家，在救援机器人方面开展了相对全面的工作。日本东京工业大学的广濑是最早从事救援机器人研究的学者之一，他所领导的广濑研究室，从仿生的角度和基于超机械系统的思想先后研制了“ACM ”， “GENBU ”与“SORYU ”等多系列救援机器人样机；日本电气通信大学忪野文俊研究室研制出的信息搜集用机器人“MA ．1” ；冈山大学大学院自然科学研究科永谷圭司研制出的不平整地面移动救援机器人“RESDOG ”，它底部的履带支撑为多个从动三角形辊架，具有较好的灵活性以适应地形；日本神户大学高森年等研制的UMRS 系列机器人，可以将机器人用于废墟瓦砾中的探察作业。
美国在9.11事件之后，开始日益重视抢险救灾机器人。Inuktun 公司的Micro Traces体积小，质量轻，十分适用于救援作业；Foster-Miller 公司的Talon ， SOLEM 和Urbot 具有很好的传感和承载能力，且速度快。SOLEM 被用于废墟堆中的作业，Talon 和Urbot 被用于建筑物的内部检测。在美国，多个高校的研究中心、国家研究机构和公司也同时进行了救援机器人的研究。南佛罗里达大学灾难救援机器人研究中心MURPHY 等研制出安装有医学传感器的救援机器人Bujold 底部采用可变形履带驱动具有较高的运动和探测能力，同时机器人能够在灾难现场获取幸存者的生理信息和环境信息，并将其传送到外界。加利福尼亚工业大学HELMICK 等研制出的多传感器救援机器人，该种机构结构简单易控，具有快速爬楼梯的能力。南加利福尼亚大学SHEN 等研制出的一种模块化可重构的救援机器人CONRO ，它可以根据灾难现场环境的需要重组成蛇形、六足形及环行等多种构形。
灾难救援机器人研究逐步从试验研究转入到实际应用，多种技术融合化、多智能体网络化是今后灾难救援机器人研究的发展方向。防灾、减灾和救灾事关人民生命和财产安金，是国家公共安全的重要组成部分。救援机器人技术是国家发展迫切需要的战略必争的核心技术之一，将在国民经济和安全中起着重要作用并具有重大的战略意义。
3 设计目标与实现方案描述
根据世界各国救援机器人技术的研究现状，结合救援机器人在实际应用中取得的经验和教训，归纳和
总结出救援机器人的关键性能为：存活能力、运动能力、感知能力、通信能力和作业能力。
我们团队自主研制的多功能智能安防机器人，它是一款新型的智能化移动式机器人，集安全与防护于一体，并且拥有安防系统的三个基本要素：探测、环境监控和周界管理出入控制。多功能智能安防机器人功能显著，不再受单一的功能局限，而是采用了综合型的创新思维，向全方位发展走多元化道路，是一种全新全面的安防机器人。它不仅可以在日常生活中起到安全防范作用，而且可以在多种灾难处理中起到不可代替的作用。
它集合了多种功能，具有救援、除障、灭火、消毒、堵漏等多项功能，充分体现了其多元化的特性。以往的安防类机器人都只是具有单一的功能，或是简单的警报，或是除障，或是灭火，但是这款多功能智能安防机器人我们克服了各个功能之间的配合问题，集聚了大多数的安防类机器人的功能，把它们完全的综合在一起，不再体现其单一的价值，而是采用合作协调的基本思路，把两个甚至几个不同的功能同时进行不同的作业，以能够更好更快捷的完成任务。
多功能安防智能机器人能够通过程序自动完成任务同时也能通过远程遥控控制。控制装置主要利用各类不同的传感器实现远程控制。感应装置主要是各类不同的传感器，有光敏传感器，热敏传感器，声敏传感器等，以及高清的摄像头拍摄装置，这些装置可以把收集而来的各类信息转换成为数字信号进而传输到电脑中进行各类的转换以及实现多元化的控制体系。
摄像头和传感器安装在图示可伸缩和旋转的连杆上，使其可以从各个高度和各个方向进行探测，极大地扩大了感测范围。远程控制系统流程框图如图1。
其结构上可实现的操作目标分别如下：
包含除障装置、旋转台和升降装置、机械手装置、堵漏装置四大主要部分。
可实现的主要功能：
1) 可排除机器人前面较小的障碍物；
2) 可升降物体；
3) 可实现自动消毒功能；
4) 可实现火灾救援险情报警；
5) 可定点取物送物；
6) 可在堵漏时，减少接近物体时的压力；
7) 可实现精确定位喷浆型堵漏。
各主要组成部分实现方案如下：
图2 总体机构图
3.1
除障机构
图3 除障盘
图3为除障盘图。除障盘具有安全排障的功能，它是由安装在车轮正前端具有两个大转盘构成，装置简单实用。它们随着机器人的向前运动而在不停做旋转运动，大转盘产生的回转力会自动扫除机器人前行时所遇到的障碍物，能够及时有效的清理道路。特别是在发生灾难后的救援工作中，运输道路的堵塞往往会造成一系列难以预计的严重后果，而除障盘可以在机器人操作其他作业的同时进行堵塞清理，这样使得救援更加的快捷有效。
主要技术指标：
通过对除障台最外沿处的力分析，我们可以定性的判断除障台所能扫除的物体的最大质量。令发动机转速为1n , 除障台转速为2n ，与发动机直接相连的齿轮齿数为1z ，与除障台直接相连的齿轮齿数为2z ，除障台半径为a, 质量为m, 则1212n z z n ×=，除障台最外沿的角速度2
1122π2π2ωz z n n ==， 最外沿对障碍物可施加的力为：22
212122
2π4ωz z n ma ma F ==。 假设障碍物所在路面的摩擦系数为f, 障碍物质量为M ，g 为重力加速度， 则除障台可以扫除的障碍物最大质量为：fg
z z n ma M 2221212max π4=。 当除障台实际应用时，根据采用的制作材料即可求出其所能扫除的最大障碍物质量，可见发动机转速越大，21z z 越大，所能扫除的障碍物越重。
3.2旋转台和升降装置
图4 升降装置 图5 旋转台 如图4、图5所示，上下升降旋转装置是多功能安防机器人的一个主体部分，它可以带动机器人上下升降，配合底盘的转动可以做多自由度的作业。机器人底座圆盘可以实现360º的旋转；机器人的上下升降装置有两个，一处可以使机械手上下自由升降，另一处可以使注射机构的纵向螺杆、横向滑杆上下移动，从而使机器人更具有灵活性。
主要技术指标：
旋转和升降装置的速度由电动机转速及齿轮齿数、螺距决定。
设旋转台电动机输出转速为2n ，升降装置电动机输出转速为3n ，蜗杆一齿数为3z ，蜗杆二螺距为p ，齿轮三齿数为5z 。
°360旋转台的转速为24
34n z z n ×=。 升级装置的转速为p n n ×=35。
3.3 机械手装置
(a) (b)
图6 机械手装置 机械手装置是一个安置在升降台上的装置，如图6，由于底座的圆盘可以进行360º的水平选择，立式支架应用蜗杆机构可以实现上下灵活升降，因而在水平杆顶端所装的灵活机械手，它不但可以进行多自由度的旋转，而且还可以自由的进行伸缩抓取物体、精确地定位堵漏位置以达到一些特殊场合的应用。机械手装置结合了以往的搬运机器人、灭火机器人等功能，充分利用它们的共性，结合各自的用途而制作的一个部件。
主要技术指标：
通过分析机械手末端的受力情况可以得出机械手所能抓取重物的最大质量，通过分析可以知道机械手
部分相当于一个悬臂梁（见图7），在末端受力F 时，机械臂向下弯曲的最大绕度EI
Fl B 33
=ω应不超过许可绕度[ω],即3
][3l EI F ω≤。
图7 悬臂梁受力示意图
3.4 平面定位装置
机械手360°旋转并在升降装置的配合下精确给堵漏材料定位，把堵漏材料定位在漏洞口。利用笛卡尔坐标系的原理，设计了两根可以上下左右灵活移动的杆，将注射机构固定于连杆之上，通过纵向螺杆、横向滑杆在平面内任意移动，堵漏液喷头安装在机构头部，可实现平面内任意点的精确定位，同时，考虑到结构上要与位于前方的机械手配合使用，将横向滑杆设计为两根L 行支杆，确保堵漏材料四周能够紧密的覆盖堵漏液，使漏洞能够被牢牢地堵住。图8为机器人的平面定位装置。
针对于堵漏处高压、机器人难以接近的情况，装置通过机械手抓取多孔材料交替覆盖的方式逐渐接近
堵漏处，从而使机器人顺利接近目标，实现堵漏的功能。
图8 平面定位装置
主要技术指标：
1）上下升降及左右移动速度（分析见3.2升降装置）。
2）横向L 形滑杆最大支撑力（分析见3.3机械手装置）。
4 功能实践介绍
多功能智能安防机器人功能显著，不再受单一的功能局限，而是采用了综合型的创新思维，向全方位发展走多元化道路，是一种全新全面的安防机器人。它不仅可以在日常生活中起到安全防范作用，而且可以在多种灾难处理中起到不可代替的作用。
它集合了多种机器人的功能，具有救援、破障、灭火、消毒等多项功能，充分体现了其多元化的特性。以往的安防类机器人都只是具有单一的功能，简单的警报，除障，灭火，但是这款多功能智能安防机器人我们克服了各个功能之间的配合问题，集聚了大多数的安防类机器人的功能，把它们完全的综合在一起，不再体现其单一的价值，而是采用合作协调的基本思路，把两个甚至几个不同的功能同时进行不同的作业，以能够更好更快捷的完成任务。
4.1 灾区道路除障
4.1.1 设计说明
如今自然灾害频频发生，特别是地震、洪水等，这些自然灾后的救援工作总是存在着很大的问题，不
能及时的进行救援导致的人生财产损失不计其数，而这些灾后的救援工作总是存在着各式各样的困难。由于灾区的道路毁损严重导致车辆无法正常运行，救援物资无法正常送达，从而延长了救援的时间，延误救援时机等现象屡见不鲜。而我们设计的多功能安防机器人除障部分设计目标是能够清理灾区道路各种障碍物，能够在灾后输送救援物资的同时进行道路的清理除障，使得救援工作快捷有效的进行。
4.1.2 机构分析
除障功能主要体现在安防机器人车轮正前端的两个除障盘，在安防机器人前行的同时除障盘在电动机的带动下会进行不停的旋转，一旦遇到障碍物时，除障盘靠着旋转力扫除前进方向上的障碍物，同时防止障碍物卡住车轮，有效地保证了机器人的顺利前进。
虽然多功能智能安防机器人所带的除障盘可以很快的清理一些小障碍，但是如果在遇到大型的障碍物或者难以清除的障碍时，那即使是在机械手的配合下也很难快速的进行除障，然而在救灾中往往时间就是生命，所有我们希望设计我们的机器人不仅能够进行除障功能而且能够攀爬或者跳跃以能够跨越过这些大型障碍，这个方案还在改进之中。
4.2 自动消毒
4.2.1 设计说明
随着社会经济的进步，生活水平的提高，人们吃穿住行等方面有了很大的改善，特别是在饮食方面，“野味”已经逐渐使人们餐桌上常见的一道菜，而作为病菌的携带体的野味也就这样与人们又了一个大幅度的接触，从曾经的“SARS ”到如今的猪流感，在人类日常生活中和动物之间的接触爆发出来的一系列病毒，都在很大程度上影响着人类正常生活，并且给人们的人生安全财产带来了不小的损失。
另一方面地震、火灾、水灾等大型自然灾害过后总是最容易发生细菌感染，产生瘟疫病菌的传播，每次在这些灾难过后，防止瘟疫病乱也是一个非常艰巨的任务，为了不使一些病毒孳生以及扩散，我们总需要花费大量的人力物力去控制解决。
为此，我们设计思路是设计一种可以自动对指定目标进行消毒的机器人，它可以携带一定量消毒剂自主进行目标消毒任务，不仅可以节省人力资源，通过用机器代替人的方法更能够最大程度上的降低人员直接接触污染源，从而减轻甚至消除工作中出现的人员伤亡，大大降低了危险系数。
4.2.2 结构分析
自动消毒功能主要是由在安防机器人的机械手带动，由机器人进行自主运动，当行进到消毒区时，通过控制装置机器人将自动开启消毒装置，由机械手抓取药液喷撒装置，从中喷射出事先准备好的消毒液，对目标区域进行消毒。
消毒部件是一个可以独立取下的部件，在当需要时可将其加在安防机器人上，由机器人完全代替人为的进行灾区的消毒工作。当到达制定区域之后，安防机器人会自动进行喷撒消毒液。由多自由度的机械手，以及360º的底座转盘，可以使得机器人进行全方位的消毒。
4.3 火灾救援
4.3.1 设计说明
现代社会生活的节奏越来越快，然而人们生活中火灾的频繁发生，对人们的生活安全和财产安全构成了极大的隐患。虽然如今的科学技术正处于飞速发展的阶段，而且生活中的消防措施也越来越完善，但是火灾通常来势凶猛，在一些无法布置自动灭火装置的地方，一旦出现火源，火势就会迅速的扩散，从而发生人们不愿看到的灾难场景。针对这样的现象，我们设计的多功能安防机器人它可以解决这样一个现象，自带的喷水灭火系统使它可以实现在小区、厂房、楼道等地方一旦发现有危险火源就会立即自动启动喷水灭火装置开关，及时的对火源进行扑灭，从而将灾难扼杀在最初状态，将损失降到最低。我们作品的灭火装置的设计目标是利用传感器精确寻找火源位置同时启动灭火设施，在短时间内迅速扑灭火源，从而将火灾损失降低到最低下限。
4.3.2 结构分析
此机器人灭火的系统是建立在原本的安防机器人基础上的，灭火设备安装在机械手旁多方位移动的横杆端。安防机器人通过热敏传感器、温度传感器感测火源的具体位置，及时发出报警信号，并将火警信号
反馈到控制中心；同时自动启动灭火设备，对火源进行扑灭。
在技术成熟经过改进后，机器人将携带干冰灭火器，干粉灭火器等多个灭火器罐，这些灭火罐固定在一个旋转盘上，通过智能或控制中心辨别出火源种类后，通过旋转盘的转动来调节与喷头相连的灭火罐，这样以达到有针对性灭火的目的，可以适应不同场合的灭火需求。
4.4 堵漏救援
4.4.1 设计目的
在现代社会的各项工程中，常有储存各种气体或液体的管道和其他容器，由于腐蚀、机械破坏和其他的各种原因常常会出现泄漏问题。如果泄露的是有毒害或易燃易爆物质，通过人前往堵漏，堵漏时，抢险人员处在易燃气体包围之中，随时可能遇火星爆炸伤及抢险人员。我们设计的这款智能安防机器人的功能之一就是可以代替人完成堵漏工作，降低人员伤亡率。该部分设计目标是摆脱目前常用的人工堵漏方式，利用远程传感、控制技术，通过机械手装置和注射装置的配合精确定位堵漏处以及快速堵漏封锁。同时注射装置在堵漏的过程中喷洒水或其他特殊物质，达到稀释泄漏物和降温等目的。
4.4.2 结构说明
堵漏装置是多功能安防机器人重点和创新装置。目前市场还未出现智能堵漏机器人，而我们的多功能智能安防机器人完美融合了堵漏技术。多功能安防机器人可自动移动，操作手360°旋转并能够上下自由升降，注射机构可在程序的控制下精确定位目的物，并通过摄像头装置实现精确的远程遥控，以使智能安防机器人能准确的到达漏洞的目的。
据网上收集到的专业堵漏公司的堵漏方式，一般是采用水溶性氰，丙凝双液注浆，环氧高压注浆等堵漏试剂以注射等方式来实现漏洞的封堵。我们设计的智能安防机器人包含机械手和注射装置，可以根据不同的堵漏面采用不同的堵漏方式，同时注射装置在堵漏的过程中喷洒水或其他特殊物质，达到稀释泄漏物和降温等目的，提高堵漏的安全性。
针对于曲面，机械手360°旋转并能自由升降准确给堵漏材料定位，把堵漏材料定位在漏洞口。当堵漏处压力太大，机器人难以接近堵漏处的时候，机械手可以抓取多孔薄膜交替贴近堵漏处，从而可以顺利实现减压的目的，使机器人接近堵漏处顺利实现堵漏。注射机构附着在平面定位机构上，堵漏液喷头安装在机构头部，能对任意点喷射堵漏液，确保堵漏材料四周能够紧密的覆盖堵漏液，使漏洞能够被牢牢地堵住。此过程完全智能化运行，不需人工上去操作，减少了安防人员的危险。
针对于平面，除了具有上述针对于曲面的方法机械手将夹板通过注射装置固定在堵漏临近处。然后机械手将多孔薄膜通过夹板贴于堵漏处，再通过注射机构固定。
关于压力大时堵漏时的减压方法：
（1）通过多重材料重叠来逐层降压
图9中所示堵漏材料有三层，通过机械手把第一层红色堵漏材料粘结堵住漏洞，由于材料上有小孔，因此可以起到降压的作用，第二层用同样方法，堵在漏洞点，第二层上开的小孔位置与第一层上小孔有错开。覆盖在第一层上。第三层上没有开小孔，完全堵住漏洞。粘结剂喷在圆形材料周围。
图9 减压方法（1） 图10 减压方法（2）
（2）通过卡槽来限制堵漏材料自由度起到减轻机身压力的作用
图10中所示为一个管道，管道中有一个漏洞孔。红色物件为堵漏材料，黄色物件为卡槽，先用机械手抓住黄色卡槽，用粘结剂喷在物件四周，把它固定在小孔边上。再用机械手抓住红色堵漏材料从右端插
入卡槽，慢慢的向小孔移动。当材料覆盖住漏洞口的时候，用粘结剂粘住材料四周，堵住漏洞。此堵漏方式具有以下优点：（a ）从侧面慢慢移动覆盖住漏洞口，比从正面直接覆盖压力小。（b ）堵漏材料受到的压力全部传到了卡槽上，如果卡槽和管道粘结的牢固，机身受到很小的压力
5 作品创新特色
在以高科技与信息技术为核心的知识经济21世纪，安防机器人的发展迎来了一个跨越式、发展性的崭新阶段。我们的作品是一个具有时代特性鲜明，操作功能强大的新型智能机器人，它具有以下创新特色：
（1）多元化设计。我们设计的智能安防机器人集合了多种机器人的性能，具有救援、破障、灭火、消毒等多项功能，充分体现了其多元化的特性。以往的安防类机器人都只是具有单一的功能，简单的警报，除障，灭火，但是这款多功能智能安防机器人我们克服了各个功能之间的配合问题，集聚了大多数的安防类机器人所拥有的特性，把它们完全的综合在一起，不再体现其单一的价值，而是采用合作协调的基本思路，把两个甚至几个不同的功能同时进行不同的作业，以能够更好更快捷的完成任务。
（2）环境适应性强。多功能智能安防机器人能够在各种不同的环境中代替人类进行救援作业，适应各类突发事件救援以及自然灾害的灾后救援，能够适应高温、粉尘、浓烟等恶劣的环境，在极其恶劣的环境中只需对其关键部分进行防腐蚀、防爆处理，保证其处于稳定工作状态，以确保顺利完成任务。
（3）与堵漏技术的完美结合。目前市场还未出现智能堵漏机器人，而我们的多功能智能安防机器人完美融合了堵漏技术。机械手360°旋转并能自由升降准确给堵漏材料定位，把堵漏材料定位在漏洞口。当堵漏处压力太大，机器人难以接近堵漏处的时候，机械手可以抓取多孔薄膜交替贴近堵漏处，从而可以顺利实现减压的目的，使机器人接近堵漏处顺利实现堵漏。注射机构通过纵向螺杆、横向滑杆在平面内任意移动，堵漏液喷头安装在机构头部，确保堵漏材料四周能够紧密的覆盖堵漏液，使漏洞能够被牢牢地堵住。此过程完全智能化运行，不需人工上去操作，减少了安防人员的危险。
6 应用前景
随着科技的进步和实践的需要，人们越来越关注对机器人的研究、开发与改进。机器人参与的各类灾难救援确实帮助人们解决了很多困难，也减少了相关人员可能会遭受的各种风险，并且保障了人们的生命财产安全。
在“以人为本、科技强警”的现代化的今天，我们在救援中必须首先要考虑保护救援队员和被救援人员的生命安全。目前我国机器人用于救援的工作还刚刚起步，但也有了一定的进展，如沈阳无人驾驶消防车的问世填补了我国消防车辆的空白。上海强师消防装备有限公司生产的消防灭火机器人，在全国得到了广泛应用，江苏、云南、湖北等地陆续配备了这种具有世界先进水平的装备。但是我国的技术装备还远远不够，试想，如果能够开发、研制搜救机器人、破拆机器人，应用到救援，必将大大降低在各类灾难救助中的伤亡人数，挽回灾难带来的巨大损失。
近年来多发的自然灾害如地震、火灾、洪水，人为的恐怖祸害如恐怖活动、武力冲突，以及由炭疽热、SARS 、禽流感等生化病毒和有毒物质、辐射性物质等带来的恐怖，威胁着人们的安全。如果仅靠人工救援，不仅容易延误最佳救援时间，而且会产生许多无谓的人员牺牲，将机器人技术、营救行动技术、灾难学等多学科知识有机融合，研制与开发用于搜寻和营救的灾难救援机器人已经成了全世界学者研究的重点。[8]
我们设计的多功能智能安防机器人，融合了灾后除障、火灾救援、矿井救援、气体泄漏预警及堵漏、灾区消毒及物质输送等诸多功能，能够在多种环境中进行工作，相信在日后的灾难救援工作中必将起到举足轻重的作用。
致谢
本文是在我们的指导老师张兴国老师的严格要求和悉心指导下完成的。从作品的选择到研制工作的每一步进展，自始至终都得到了张老师的耐心指导和热心帮助，使我们得以顺利地完成作品的研制和说明书的撰写。张老师为人和善，平易近人，同时严谨求实的治学态度、孜孜不倦的工作作风和丰富有效的实践经验，为我树立了今后学习和工作的典范。在此，特向张老师致以最诚挚的敬意和衷心的感谢!
感谢南通市特勤中队在堵漏技术方面给予我们的详细指导。同时，我们还要感谢曾经帮助过我们的老师们，感谢朱益民老师、莫亚梅老师，感谢他们在我们的学习和作品研制期间给予的关心和帮助。感谢同一学院的研究生陈建春、李娟、严奎、吴静雅，感谢他们在作品研制 期间给予的帮助。同时感谢同一学院、本科三年级冯永平同学对本说明书的完成提供了很多的帮助，并对说明书提出了一些宝贵的建议。还要感谢学弟杨杰的细心校对。感谢所有帮助过我们的同学和朋友。
最后，我还要感谢百忙中抽出时间审阅我们作品说明书的老师，对他们的付出表示深深的谢意。
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[5] 中国教育和计算机科研网．中日救援及安全机器人技术研究中心成立[EB/OL]．http://www.edu.cn/gao_xiao_zi_xun_1091
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联系人：刘小西；Email ：393745361@qq.com。
多功能智机器人
摘 要：针对于灾区情况复杂多变，多种救援工具难以在短时间内聚集使用的缺陷，我们设计了多功能智能安防机器人。多功能智能安防机器人利用各类传感器完全实现智能远程控制，可以实现堵漏救援、道路除障、自动消毒、火灾救援等多种功能。文中对其结构、功能进行了细致说明，同时也对作品的设计和制作过程及在设计过程中遇到的一些问题进行了详细的叙述，总结了设计体会与心得。
关键词：机器人；多功能；智能；安防
1 应用背景
近年来，随着智能机器人技术的不断发展，智能机器人的领域正在不断的扩大，世界上许多国家都在研制各种不同的危险作业机器人，如：军用机器人、扫雷机器人、排爆机器人和消防机器人等。救灾机器人是机器人的一个新兴发展领域，属于危险作业机器人的一个分支，具有危险作业机器人的特点[1]。
在世界各地，由于自然灾害、恐怖活动和各种突发事故等原因，灾难经常发生。在灾难救援中，救援人员只有非常短的时间用于在倒塌的废墟中援救幸存者。在这种紧急而危险的环境下，救灾机器人可以为救援人员提供帮助，将具有自主智能的救灾机器人用于危险和复杂的灾难环境下“搜索和营救”(SAR)幸存者，是机器人学中的一个新兴而富有挑战性的研究课题[2]。
在我国，石油化工等基础工业有了飞速的发展和进步，生产过程中的易燃易爆和剧毒化学制品急剧增长，由于设备以及管理等方面的原因，导致化学危险品和放射性物质泄漏以及燃烧，爆炸的事故隐患越来越多。并且由于煤矿大多数为人工开采，不安全因素很多，灾害事故危害重，伤害多，中断生产时间长，损毁井巷工程或生产设备。然而，煤矿事故中，一般救护人员无法进入危险区域，只能通过提升绞车、移动式风车等设备清除垃圾，向井下通风，然后再搜救遇险矿工。这种方式危险性大，救灾周期长，往往效率低而伤亡人数多。随着科技的发展，机器人也将被应用到煤矿救灾领域[3]。
同时，随着工业化、城市化、市场化建设进程加快，高层建筑、地下空间、石油化工易燃易爆场所大量涌现，火灾发生的机率和危险性、复杂性、扑救难度空间增大，特别是有些地方盲目地搞一些违规建设，这个区域里火灾发生比较多，已成为现实生活中的严重问题。一旦事故发生，假如没有有效的方法、装备及设施，救援人员将无法进入事故现场，而要冒然采取行动，往往只会造成生命的无辜牺牲, 付出惨重代价，采用机器人，可以替代消防队员接近火灾现场实施有效的灭火救援作业，开展各项火场侦察任务，尤其是在危险性大或者消防队员不易接近的场合。机器人的应用将大大提高消防部门扑灭恶性火灾的能力，对减少国家财产损失和灭火救援人员的伤亡具有重要的作用[4]。
为了更好地应对各种自然灾害和人为灾害中的抢险救灾工作，急需一款集多种场合下抢险救灾功能为一体的多功能智能安防机器人。
2 国内外研究状况
2.1 国内安防机器人的发展状况
我国大约有30家左右的高等院校和研究院所在从事各类机器人的研究工作，在40多年来，已在机器人的感觉识别，操作、移动技术，人机接口技术, 智能化技术等方面取得了可喜的成就。部分科研成果, 如工业装配、焊接、喷涂，搬运、探伤、水下作业、过程测量机器人已进入实用阶段，某些控制、传动元器件的产品技术已接近国际先进水平。
在863计划资助下，中国科学院沈阳自动化研究所开展了多项危险作业和极限作业机器人研究，其中救援机器人是重要的一个部分。如蛇形机器人，旨在用于非结构环境中探测和灾难救援作业。该蛇形机器人可以根据地面状况采用蜿蜒、伸缩、侧移和翻滚等多种运动步态，在监控系统的无线控制下，具有一定的三维运动能力，并可通过安装在蛇头上的微型摄像头将现场图像传回监控系统。在蛇形机器人研究的基础上，从模块化、可重构和自动变形的角度研制出了一种履带式灾难救援可变形模块机器人样机，该三模
块机器人具有9种运动构形和3种对称构形，具有直线、三角和并排等多种形态；而其研制的水面救援机器人，可以在l km范围内，对其进行无线控制。由沈阳自动化所和广州卫富公司承担的“危险作业机器人”课题，成功研制出能完成反恐、防暴等综合任务的“危险作业机器人”产品样机；沈阳自动化研究所最近研制出的基于复合机构的非结构环境移动机器人，它能够在高低不平、障碍物和楼梯等复杂多变的环境中使用，适用于探测、排查、搬运、消防和销毁等危险作业。
2005年9月l2日，“中日救援及安全机器人技术研究中心”在沈阳揭牌成立，该中心由中国科学院沈阳自动化研究所与日本国际灾难救援系统研究院合作成立，旨在实现强强联合，推动机器人技术在灾难救援中的应用[5]。
2009年5月，中科院沈阳自动化所机器人学国家重点实验室与中国地震应急搜救中心联合研制的40kg 级旋翼飞行机器人公开亮相，该机器人成功完成自主起飞、空中悬停、航迹点跟踪飞行、超低空信息获取、自主降落等科目，实现了对地震废墟区域的快速信息获取与实时影像回传[6]。
2009年12月沈阳新松机器人公司研制出了国内首台具有生命探测功能的井下探测救援机器人。该机器人上的拾音器可以捡拾呼救声音，红外热成像仪可以探测到人体，机器人还可以配载食品、水、急救包等物品[7]。
抢险救援机器人的研制正在国内蓬勃发展，并受到政府的极大重视，“救灾救援危险作业机器人”项目被列为国家“863”计划重点项目。
2.2 国外安防机器人的发展状况
国际上较早开展安防机器人研究的是美国和前苏联，稍后，英国、日本、法国、德国、等国家也纷纷开始研究该类技术。目前已有很多种不同功能的消防机器人用于救灾现场。灾难救援机器人技术正从理论和试验研究向实际应用发展。在2005年6月份日本神户召开的IEEE 安全、防卫、救援国际研讨会(IEEE SSRR ’05) 上，会议的主旨定为：“在今后的减灾和救援中，机器人作为一种有效的手段，将成为社会基础设施中不可缺少的部分”。
日本作为一个多核能、多地震国家，在救援机器人方面开展了相对全面的工作。日本东京工业大学的广濑是最早从事救援机器人研究的学者之一，他所领导的广濑研究室，从仿生的角度和基于超机械系统的思想先后研制了“ACM ”， “GENBU ”与“SORYU ”等多系列救援机器人样机；日本电气通信大学忪野文俊研究室研制出的信息搜集用机器人“MA ．1” ；冈山大学大学院自然科学研究科永谷圭司研制出的不平整地面移动救援机器人“RESDOG ”，它底部的履带支撑为多个从动三角形辊架，具有较好的灵活性以适应地形；日本神户大学高森年等研制的UMRS 系列机器人，可以将机器人用于废墟瓦砾中的探察作业。
美国在9.11事件之后，开始日益重视抢险救灾机器人。Inuktun 公司的Micro Traces体积小，质量轻，十分适用于救援作业；Foster-Miller 公司的Talon ， SOLEM 和Urbot 具有很好的传感和承载能力，且速度快。SOLEM 被用于废墟堆中的作业，Talon 和Urbot 被用于建筑物的内部检测。在美国，多个高校的研究中心、国家研究机构和公司也同时进行了救援机器人的研究。南佛罗里达大学灾难救援机器人研究中心MURPHY 等研制出安装有医学传感器的救援机器人Bujold 底部采用可变形履带驱动具有较高的运动和探测能力，同时机器人能够在灾难现场获取幸存者的生理信息和环境信息，并将其传送到外界。加利福尼亚工业大学HELMICK 等研制出的多传感器救援机器人，该种机构结构简单易控，具有快速爬楼梯的能力。南加利福尼亚大学SHEN 等研制出的一种模块化可重构的救援机器人CONRO ，它可以根据灾难现场环境的需要重组成蛇形、六足形及环行等多种构形。
灾难救援机器人研究逐步从试验研究转入到实际应用，多种技术融合化、多智能体网络化是今后灾难救援机器人研究的发展方向。防灾、减灾和救灾事关人民生命和财产安金，是国家公共安全的重要组成部分。救援机器人技术是国家发展迫切需要的战略必争的核心技术之一，将在国民经济和安全中起着重要作用并具有重大的战略意义。
3 设计目标与实现方案描述
根据世界各国救援机器人技术的研究现状，结合救援机器人在实际应用中取得的经验和教训，归纳和
总结出救援机器人的关键性能为：存活能力、运动能力、感知能力、通信能力和作业能力。
我们团队自主研制的多功能智能安防机器人，它是一款新型的智能化移动式机器人，集安全与防护于一体，并且拥有安防系统的三个基本要素：探测、环境监控和周界管理出入控制。多功能智能安防机器人功能显著，不再受单一的功能局限，而是采用了综合型的创新思维，向全方位发展走多元化道路，是一种全新全面的安防机器人。它不仅可以在日常生活中起到安全防范作用，而且可以在多种灾难处理中起到不可代替的作用。
它集合了多种功能，具有救援、除障、灭火、消毒、堵漏等多项功能，充分体现了其多元化的特性。以往的安防类机器人都只是具有单一的功能，或是简单的警报，或是除障，或是灭火，但是这款多功能智能安防机器人我们克服了各个功能之间的配合问题，集聚了大多数的安防类机器人的功能，把它们完全的综合在一起，不再体现其单一的价值，而是采用合作协调的基本思路，把两个甚至几个不同的功能同时进行不同的作业，以能够更好更快捷的完成任务。
多功能安防智能机器人能够通过程序自动完成任务同时也能通过远程遥控控制。控制装置主要利用各类不同的传感器实现远程控制。感应装置主要是各类不同的传感器，有光敏传感器，热敏传感器，声敏传感器等，以及高清的摄像头拍摄装置，这些装置可以把收集而来的各类信息转换成为数字信号进而传输到电脑中进行各类的转换以及实现多元化的控制体系。
摄像头和传感器安装在图示可伸缩和旋转的连杆上，使其可以从各个高度和各个方向进行探测，极大地扩大了感测范围。远程控制系统流程框图如图1。
其结构上可实现的操作目标分别如下：
包含除障装置、旋转台和升降装置、机械手装置、堵漏装置四大主要部分。
可实现的主要功能：
1) 可排除机器人前面较小的障碍物；
2) 可升降物体；
3) 可实现自动消毒功能；
4) 可实现火灾救援险情报警；
5) 可定点取物送物；
6) 可在堵漏时，减少接近物体时的压力；
7) 可实现精确定位喷浆型堵漏。
各主要组成部分实现方案如下：
图2 总体机构图
3.1
除障机构
图3 除障盘
图3为除障盘图。除障盘具有安全排障的功能，它是由安装在车轮正前端具有两个大转盘构成，装置简单实用。它们随着机器人的向前运动而在不停做旋转运动，大转盘产生的回转力会自动扫除机器人前行时所遇到的障碍物，能够及时有效的清理道路。特别是在发生灾难后的救援工作中，运输道路的堵塞往往会造成一系列难以预计的严重后果，而除障盘可以在机器人操作其他作业的同时进行堵塞清理，这样使得救援更加的快捷有效。
主要技术指标：
通过对除障台最外沿处的力分析，我们可以定性的判断除障台所能扫除的物体的最大质量。令发动机转速为1n , 除障台转速为2n ，与发动机直接相连的齿轮齿数为1z ，与除障台直接相连的齿轮齿数为2z ，除障台半径为a, 质量为m, 则1212n z z n ×=，除障台最外沿的角速度2
1122π2π2ωz z n n ==， 最外沿对障碍物可施加的力为：22
212122
2π4ωz z n ma ma F ==。 假设障碍物所在路面的摩擦系数为f, 障碍物质量为M ，g 为重力加速度， 则除障台可以扫除的障碍物最大质量为：fg
z z n ma M 2221212max π4=。 当除障台实际应用时，根据采用的制作材料即可求出其所能扫除的最大障碍物质量，可见发动机转速越大，21z z 越大，所能扫除的障碍物越重。
3.2旋转台和升降装置
图4 升降装置 图5 旋转台 如图4、图5所示，上下升降旋转装置是多功能安防机器人的一个主体部分，它可以带动机器人上下升降，配合底盘的转动可以做多自由度的作业。机器人底座圆盘可以实现360º的旋转；机器人的上下升降装置有两个，一处可以使机械手上下自由升降，另一处可以使注射机构的纵向螺杆、横向滑杆上下移动，从而使机器人更具有灵活性。
主要技术指标：
旋转和升降装置的速度由电动机转速及齿轮齿数、螺距决定。
设旋转台电动机输出转速为2n ，升降装置电动机输出转速为3n ，蜗杆一齿数为3z ，蜗杆二螺距为p ，齿轮三齿数为5z 。
°360旋转台的转速为24
34n z z n ×=。 升级装置的转速为p n n ×=35。
3.3 机械手装置
(a) (b)
图6 机械手装置 机械手装置是一个安置在升降台上的装置，如图6，由于底座的圆盘可以进行360º的水平选择，立式支架应用蜗杆机构可以实现上下灵活升降，因而在水平杆顶端所装的灵活机械手，它不但可以进行多自由度的旋转，而且还可以自由的进行伸缩抓取物体、精确地定位堵漏位置以达到一些特殊场合的应用。机械手装置结合了以往的搬运机器人、灭火机器人等功能，充分利用它们的共性，结合各自的用途而制作的一个部件。
主要技术指标：
通过分析机械手末端的受力情况可以得出机械手所能抓取重物的最大质量，通过分析可以知道机械手
部分相当于一个悬臂梁（见图7），在末端受力F 时，机械臂向下弯曲的最大绕度EI
Fl B 33
=ω应不超过许可绕度[ω],即3
][3l EI F ω≤。
图7 悬臂梁受力示意图
3.4 平面定位装置
机械手360°旋转并在升降装置的配合下精确给堵漏材料定位，把堵漏材料定位在漏洞口。利用笛卡尔坐标系的原理，设计了两根可以上下左右灵活移动的杆，将注射机构固定于连杆之上，通过纵向螺杆、横向滑杆在平面内任意移动，堵漏液喷头安装在机构头部，可实现平面内任意点的精确定位，同时，考虑到结构上要与位于前方的机械手配合使用，将横向滑杆设计为两根L 行支杆，确保堵漏材料四周能够紧密的覆盖堵漏液，使漏洞能够被牢牢地堵住。图8为机器人的平面定位装置。
针对于堵漏处高压、机器人难以接近的情况，装置通过机械手抓取多孔材料交替覆盖的方式逐渐接近
堵漏处，从而使机器人顺利接近目标，实现堵漏的功能。
图8 平面定位装置
主要技术指标：
1）上下升降及左右移动速度（分析见3.2升降装置）。
2）横向L 形滑杆最大支撑力（分析见3.3机械手装置）。
4 功能实践介绍
多功能智能安防机器人功能显著，不再受单一的功能局限，而是采用了综合型的创新思维，向全方位发展走多元化道路，是一种全新全面的安防机器人。它不仅可以在日常生活中起到安全防范作用，而且可以在多种灾难处理中起到不可代替的作用。
它集合了多种机器人的功能，具有救援、破障、灭火、消毒等多项功能，充分体现了其多元化的特性。以往的安防类机器人都只是具有单一的功能，简单的警报，除障，灭火，但是这款多功能智能安防机器人我们克服了各个功能之间的配合问题，集聚了大多数的安防类机器人的功能，把它们完全的综合在一起，不再体现其单一的价值，而是采用合作协调的基本思路，把两个甚至几个不同的功能同时进行不同的作业，以能够更好更快捷的完成任务。
4.1 灾区道路除障
4.1.1 设计说明
如今自然灾害频频发生，特别是地震、洪水等，这些自然灾后的救援工作总是存在着很大的问题，不
能及时的进行救援导致的人生财产损失不计其数，而这些灾后的救援工作总是存在着各式各样的困难。由于灾区的道路毁损严重导致车辆无法正常运行，救援物资无法正常送达，从而延长了救援的时间，延误救援时机等现象屡见不鲜。而我们设计的多功能安防机器人除障部分设计目标是能够清理灾区道路各种障碍物，能够在灾后输送救援物资的同时进行道路的清理除障，使得救援工作快捷有效的进行。
4.1.2 机构分析
除障功能主要体现在安防机器人车轮正前端的两个除障盘，在安防机器人前行的同时除障盘在电动机的带动下会进行不停的旋转，一旦遇到障碍物时，除障盘靠着旋转力扫除前进方向上的障碍物，同时防止障碍物卡住车轮，有效地保证了机器人的顺利前进。
虽然多功能智能安防机器人所带的除障盘可以很快的清理一些小障碍，但是如果在遇到大型的障碍物或者难以清除的障碍时，那即使是在机械手的配合下也很难快速的进行除障，然而在救灾中往往时间就是生命，所有我们希望设计我们的机器人不仅能够进行除障功能而且能够攀爬或者跳跃以能够跨越过这些大型障碍，这个方案还在改进之中。
4.2 自动消毒
4.2.1 设计说明
随着社会经济的进步，生活水平的提高，人们吃穿住行等方面有了很大的改善，特别是在饮食方面，“野味”已经逐渐使人们餐桌上常见的一道菜，而作为病菌的携带体的野味也就这样与人们又了一个大幅度的接触，从曾经的“SARS ”到如今的猪流感，在人类日常生活中和动物之间的接触爆发出来的一系列病毒，都在很大程度上影响着人类正常生活，并且给人们的人生安全财产带来了不小的损失。
另一方面地震、火灾、水灾等大型自然灾害过后总是最容易发生细菌感染，产生瘟疫病菌的传播，每次在这些灾难过后，防止瘟疫病乱也是一个非常艰巨的任务，为了不使一些病毒孳生以及扩散，我们总需要花费大量的人力物力去控制解决。
为此，我们设计思路是设计一种可以自动对指定目标进行消毒的机器人，它可以携带一定量消毒剂自主进行目标消毒任务，不仅可以节省人力资源，通过用机器代替人的方法更能够最大程度上的降低人员直接接触污染源，从而减轻甚至消除工作中出现的人员伤亡，大大降低了危险系数。
4.2.2 结构分析
自动消毒功能主要是由在安防机器人的机械手带动，由机器人进行自主运动，当行进到消毒区时，通过控制装置机器人将自动开启消毒装置，由机械手抓取药液喷撒装置，从中喷射出事先准备好的消毒液，对目标区域进行消毒。
消毒部件是一个可以独立取下的部件，在当需要时可将其加在安防机器人上，由机器人完全代替人为的进行灾区的消毒工作。当到达制定区域之后，安防机器人会自动进行喷撒消毒液。由多自由度的机械手，以及360º的底座转盘，可以使得机器人进行全方位的消毒。
4.3 火灾救援
4.3.1 设计说明
现代社会生活的节奏越来越快，然而人们生活中火灾的频繁发生，对人们的生活安全和财产安全构成了极大的隐患。虽然如今的科学技术正处于飞速发展的阶段，而且生活中的消防措施也越来越完善，但是火灾通常来势凶猛，在一些无法布置自动灭火装置的地方，一旦出现火源，火势就会迅速的扩散，从而发生人们不愿看到的灾难场景。针对这样的现象，我们设计的多功能安防机器人它可以解决这样一个现象，自带的喷水灭火系统使它可以实现在小区、厂房、楼道等地方一旦发现有危险火源就会立即自动启动喷水灭火装置开关，及时的对火源进行扑灭，从而将灾难扼杀在最初状态，将损失降到最低。我们作品的灭火装置的设计目标是利用传感器精确寻找火源位置同时启动灭火设施，在短时间内迅速扑灭火源，从而将火灾损失降低到最低下限。
4.3.2 结构分析
此机器人灭火的系统是建立在原本的安防机器人基础上的，灭火设备安装在机械手旁多方位移动的横杆端。安防机器人通过热敏传感器、温度传感器感测火源的具体位置，及时发出报警信号，并将火警信号
反馈到控制中心；同时自动启动灭火设备，对火源进行扑灭。
在技术成熟经过改进后，机器人将携带干冰灭火器，干粉灭火器等多个灭火器罐，这些灭火罐固定在一个旋转盘上，通过智能或控制中心辨别出火源种类后，通过旋转盘的转动来调节与喷头相连的灭火罐，这样以达到有针对性灭火的目的，可以适应不同场合的灭火需求。
4.4 堵漏救援
4.4.1 设计目的
在现代社会的各项工程中，常有储存各种气体或液体的管道和其他容器，由于腐蚀、机械破坏和其他的各种原因常常会出现泄漏问题。如果泄露的是有毒害或易燃易爆物质，通过人前往堵漏，堵漏时，抢险人员处在易燃气体包围之中，随时可能遇火星爆炸伤及抢险人员。我们设计的这款智能安防机器人的功能之一就是可以代替人完成堵漏工作，降低人员伤亡率。该部分设计目标是摆脱目前常用的人工堵漏方式，利用远程传感、控制技术，通过机械手装置和注射装置的配合精确定位堵漏处以及快速堵漏封锁。同时注射装置在堵漏的过程中喷洒水或其他特殊物质，达到稀释泄漏物和降温等目的。
4.4.2 结构说明
堵漏装置是多功能安防机器人重点和创新装置。目前市场还未出现智能堵漏机器人，而我们的多功能智能安防机器人完美融合了堵漏技术。多功能安防机器人可自动移动，操作手360°旋转并能够上下自由升降，注射机构可在程序的控制下精确定位目的物，并通过摄像头装置实现精确的远程遥控，以使智能安防机器人能准确的到达漏洞的目的。
据网上收集到的专业堵漏公司的堵漏方式，一般是采用水溶性氰，丙凝双液注浆，环氧高压注浆等堵漏试剂以注射等方式来实现漏洞的封堵。我们设计的智能安防机器人包含机械手和注射装置，可以根据不同的堵漏面采用不同的堵漏方式，同时注射装置在堵漏的过程中喷洒水或其他特殊物质，达到稀释泄漏物和降温等目的，提高堵漏的安全性。
针对于曲面，机械手360°旋转并能自由升降准确给堵漏材料定位，把堵漏材料定位在漏洞口。当堵漏处压力太大，机器人难以接近堵漏处的时候，机械手可以抓取多孔薄膜交替贴近堵漏处，从而可以顺利实现减压的目的，使机器人接近堵漏处顺利实现堵漏。注射机构附着在平面定位机构上，堵漏液喷头安装在机构头部，能对任意点喷射堵漏液，确保堵漏材料四周能够紧密的覆盖堵漏液，使漏洞能够被牢牢地堵住。此过程完全智能化运行，不需人工上去操作，减少了安防人员的危险。
针对于平面，除了具有上述针对于曲面的方法机械手将夹板通过注射装置固定在堵漏临近处。然后机械手将多孔薄膜通过夹板贴于堵漏处，再通过注射机构固定。
关于压力大时堵漏时的减压方法：
（1）通过多重材料重叠来逐层降压
图9中所示堵漏材料有三层，通过机械手把第一层红色堵漏材料粘结堵住漏洞，由于材料上有小孔，因此可以起到降压的作用，第二层用同样方法，堵在漏洞点，第二层上开的小孔位置与第一层上小孔有错开。覆盖在第一层上。第三层上没有开小孔，完全堵住漏洞。粘结剂喷在圆形材料周围。
图9 减压方法（1） 图10 减压方法（2）
（2）通过卡槽来限制堵漏材料自由度起到减轻机身压力的作用
图10中所示为一个管道，管道中有一个漏洞孔。红色物件为堵漏材料，黄色物件为卡槽，先用机械手抓住黄色卡槽，用粘结剂喷在物件四周，把它固定在小孔边上。再用机械手抓住红色堵漏材料从右端插
入卡槽，慢慢的向小孔移动。当材料覆盖住漏洞口的时候，用粘结剂粘住材料四周，堵住漏洞。此堵漏方式具有以下优点：（a ）从侧面慢慢移动覆盖住漏洞口，比从正面直接覆盖压力小。（b ）堵漏材料受到的压力全部传到了卡槽上，如果卡槽和管道粘结的牢固，机身受到很小的压力
5 作品创新特色
在以高科技与信息技术为核心的知识经济21世纪，安防机器人的发展迎来了一个跨越式、发展性的崭新阶段。我们的作品是一个具有时代特性鲜明，操作功能强大的新型智能机器人，它具有以下创新特色：
（1）多元化设计。我们设计的智能安防机器人集合了多种机器人的性能，具有救援、破障、灭火、消毒等多项功能，充分体现了其多元化的特性。以往的安防类机器人都只是具有单一的功能，简单的警报，除障，灭火，但是这款多功能智能安防机器人我们克服了各个功能之间的配合问题，集聚了大多数的安防类机器人所拥有的特性，把它们完全的综合在一起，不再体现其单一的价值，而是采用合作协调的基本思路，把两个甚至几个不同的功能同时进行不同的作业，以能够更好更快捷的完成任务。
（2）环境适应性强。多功能智能安防机器人能够在各种不同的环境中代替人类进行救援作业，适应各类突发事件救援以及自然灾害的灾后救援，能够适应高温、粉尘、浓烟等恶劣的环境，在极其恶劣的环境中只需对其关键部分进行防腐蚀、防爆处理，保证其处于稳定工作状态，以确保顺利完成任务。
（3）与堵漏技术的完美结合。目前市场还未出现智能堵漏机器人，而我们的多功能智能安防机器人完美融合了堵漏技术。机械手360°旋转并能自由升降准确给堵漏材料定位，把堵漏材料定位在漏洞口。当堵漏处压力太大，机器人难以接近堵漏处的时候，机械手可以抓取多孔薄膜交替贴近堵漏处，从而可以顺利实现减压的目的，使机器人接近堵漏处顺利实现堵漏。注射机构通过纵向螺杆、横向滑杆在平面内任意移动，堵漏液喷头安装在机构头部，确保堵漏材料四周能够紧密的覆盖堵漏液，使漏洞能够被牢牢地堵住。此过程完全智能化运行，不需人工上去操作，减少了安防人员的危险。
6 应用前景
随着科技的进步和实践的需要，人们越来越关注对机器人的研究、开发与改进。机器人参与的各类灾难救援确实帮助人们解决了很多困难，也减少了相关人员可能会遭受的各种风险，并且保障了人们的生命财产安全。
在“以人为本、科技强警”的现代化的今天，我们在救援中必须首先要考虑保护救援队员和被救援人员的生命安全。目前我国机器人用于救援的工作还刚刚起步，但也有了一定的进展，如沈阳无人驾驶消防车的问世填补了我国消防车辆的空白。上海强师消防装备有限公司生产的消防灭火机器人，在全国得到了广泛应用，江苏、云南、湖北等地陆续配备了这种具有世界先进水平的装备。但是我国的技术装备还远远不够，试想，如果能够开发、研制搜救机器人、破拆机器人，应用到救援，必将大大降低在各类灾难救助中的伤亡人数，挽回灾难带来的巨大损失。
近年来多发的自然灾害如地震、火灾、洪水，人为的恐怖祸害如恐怖活动、武力冲突，以及由炭疽热、SARS 、禽流感等生化病毒和有毒物质、辐射性物质等带来的恐怖，威胁着人们的安全。如果仅靠人工救援，不仅容易延误最佳救援时间，而且会产生许多无谓的人员牺牲，将机器人技术、营救行动技术、灾难学等多学科知识有机融合，研制与开发用于搜寻和营救的灾难救援机器人已经成了全世界学者研究的重点。[8]
我们设计的多功能智能安防机器人，融合了灾后除障、火灾救援、矿井救援、气体泄漏预警及堵漏、灾区消毒及物质输送等诸多功能，能够在多种环境中进行工作，相信在日后的灾难救援工作中必将起到举足轻重的作用。
致谢
本文是在我们的指导老师张兴国老师的严格要求和悉心指导下完成的。从作品的选择到研制工作的每一步进展，自始至终都得到了张老师的耐心指导和热心帮助，使我们得以顺利地完成作品的研制和说明书的撰写。张老师为人和善，平易近人，同时严谨求实的治学态度、孜孜不倦的工作作风和丰富有效的实践经验，为我树立了今后学习和工作的典范。在此，特向张老师致以最诚挚的敬意和衷心的感谢!
感谢南通市特勤中队在堵漏技术方面给予我们的详细指导。同时，我们还要感谢曾经帮助过我们的老师们，感谢朱益民老师、莫亚梅老师，感谢他们在我们的学习和作品研制期间给予的关心和帮助。感谢同一学院的研究生陈建春、李娟、严奎、吴静雅，感谢他们在作品研制 期间给予的帮助。同时感谢同一学院、本科三年级冯永平同学对本说明书的完成提供了很多的帮助，并对说明书提出了一些宝贵的建议。还要感谢学弟杨杰的细心校对。感谢所有帮助过我们的同学和朋友。
最后，我还要感谢百忙中抽出时间审阅我们作品说明书的老师，对他们的付出表示深深的谢意。
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联系人：刘小西；Email ：393745361@qq.com。