坍塌现场高压水射流破拆机器人系统研究

Research on High-Pressure Water Jet Rescue Robot for Colapse SiteQT Yu-ming，DENG San-peng，WANG Zhong-min，ZHANG Xing-hui(School of Mechanical Engineering，Tianjin University of Technology and Education，Tianjin 300222，China)Abstract：The concrete crushing is usually requirement ofrescue sire in the colapse accident，coMe by Natural disasters orsecurity incidents.Th e conventional cutting tools could easily lead to secondary disaster.Combined with high-pressure waterjet point cutting technology in the complex disaster site environment，the rescue robot is designed.The tracked robot obstaclenegotiation me chanical structure is indigenol2s designed.The rescue robot alTn movement mechanism an d cuttingprecisionadaptive adjustment strategy is analyzed.The nformationfusion technology and GPS-based equipment rescue robot systemslocation tracking manageme nt technology is researched.It Can efectively improve reSCue efficiency，quickly opened up rescuechannel and avoid or reduce casualties。

Key Words：The Colapse Site；High-Pressure Water Jet；Rescue Robot System；Concrete Crushing；Fixed-Point Cut；The Information Fusion Technologyl坍塌现场破拆救援现状近年来，事故和灾害在全球范围内频发，人类社会所面临的事故和灾害种类越来越复杂，坍塌现橙援的难度也越来越大。

目前，虽然已研制出各种救援机器人，但其功能主要集中在坍塌现场探测与搜救方面，此类搜救机器人-般体积较小，只能代替救援人员进入废墟狭小的空间或危险的环境中，执行坍塌现场的侦查与人员搜救任务，其本身并不具备对灾后危险建筑物或废墟的破拆能力，而对于高层或超高层建筑的突发灾害，易燃易爆环境的应急救援更是无能为力l1。

由于坍塌现撤境下进行破拆救援工作的特殊性，机器人的工作对象中可能有幸存者的存在，而传统的工程破拆机械研究主要集中在高效方面，液压冲击器无法实现冲击频率和冲击能的实时控制，用于切割混凝土的传统专业工具(如钻机、冲击钻和爆破工具等)无法有效切割钢板、钢筋等金属材料，而用于切割钢筋、钢板等金属的传统专业工具(如氧切割)又不能有效切割混凝土等建筑材料。此外，由于灾害而倒塌的建筑结构非常不稳定，传统切割工具所产生的强烈冲击力可能会导致建筑物的进-步坍塌，造成二次危害I21。对于易燃易爆的灾害环境，传统破拆工具易产生火花，可能造成更大的危害，而高压水射流具有高能、冷态、点割等技术特点，不会产生火花，利用超高压水射流技术进行破拆作业，可实现环保无污染、不产生有毒气体及粉尘，特别适宜于易燃易爆灾害环境下的破拆救援工作。因此，有针对性地研究基于超高压水射流技术的大型破拆机器人装备及其配套设施以应对多种灾害环境、有效提高救援效率，实现救生通道的快速开辟，避免或减少人员伤亡，变得十分迫切[31。

在国内外近20年救援机器人研究的发展中，已成功应用于坍塌现场的探测和救援。经大量资料查阅表明：随着现代社会高层建筑物的日益增多，目前尚未发现能实施高层破拆和救援作业的大型破拆机器人装备。具有自主知识产权的大型破拆机械人装备，将机器人技术、工程技术和灾害营救技术等多学科知识有机融合，拥有广阔的市场前景和工程应用价值。坍塌现场破拆机器人系统工作现场示意图，如图 1所示。

2系统组成及功能作用坍塌现场高压水射流破拆机器人系统是超高压水射流技来稿 日期：2012-08-10基金项目：国家科技重大专项(2009ZX04014-101)；天津市科技支撑计划重点项 目(10ZCKFSF01500)天津职业技术师范大学科研基金项 目(1

3.3系统平台机械结构履带式移动平台决定着破拆机器人系统越障能力，其设计包括履带底盘的机械结构设计、驱动系统电机功率、扭矩等参数的计算与校核。因此 ，针对恶劣环境的使用需求 ，在履带式移动平台的履带地面作用机理、移动手臂垂直动力学建模、移动手臂振动分析与抑制、自主越障动力学建模、自主越障动作路径规划和稳定性分析等方面均需要开展研究；建立机器人移动过程的动力学模型与计算地面力学建立履带地面作用数学模型；在此基础上通过该模型分析履带参数对不同路面通过性的影响。并基于地面-履带土槽测试系统 ，如式(2)所示，研究不同参数变化对牵引指标的影响规律 ，为全地形移动平台行走系统设计、分析和验证奠定基矗( ) 。>o (2) 0 D 0式中： 接地压力；6-履带板宽度；哪 带对地面的垂直沉陷量 ； k，，r-土壤物理参数。

机械臂是破拆工作的关键环节，机械臂陛能的好坏决定了破拆机器人的破拆性能。伸缩臂机构通常包括伸缩臂和装在伸缩臂上的起重机构。机械臂的的液压驱动关节虽可承受较高负载，但在超大吨位工作中若承载力不够，不仅达不到破拆效果甚至引起机械臂的失效。机械臂工作参数随时间变化而改变，因此需对液压和控制子系统动力学特l生进行计算和分析；分析破拆机械臂升降设备运动机理；研究机械臂机构设计及其运动学控制方法；研究破拆机械臂运动机理及复杂环境下的水切割精度自适应调整，实现高压水射流的精确点割 01。

3.4信息融合技术与设备定位追踪管理机器人利用 GPS技术，结合嵌人式机电控制技术、远程通讯技术、计算机信息处理技术，确定和控制机器人的位置和动作，救灾中对机器人各种动作控制，以及机器人与受伤人员位置判断等，并将上述信息实时传输到远程控制端，为灾害救助提供决策。

系统采用嵌入式实时操作系统作为控制策略的运行环境，结合机器人自身携带的图像、温度、湿度、有毒气体、惯性导航等传感器实现环境信息融合与作业环境的完整描述，确定被救援人员与设备自身的世界坐标系位置。实现控制器的硬件结构∝制器执行的主要功能，如图5所示。信息系统框架，如图6所示。

图5控制器主要功能Fig.5 The Main Function of the Controller臣 亟 臣 囹 ；匝： 现锄器人测控系统 ： ： 救援中心 ：图6信息系统框图Fig.6 Information System Block Diagram4结论 由于坍塌环境对破拆救援的安全性要求较高，而应用超高压水射流的破拆机器人系统具有混凝土定点逐层破碎的能力，在公共安全方面有深远的社会意义。随着现代社会高层建筑物的日益增多，能实施高层破拆和救援作业的大型破拆救援机器人装备几乎为空白。设计研制出具有自主知识产权的破拆机器人拥有广阔的市场前景和工程应用价值，具有较强的技术辐射能力。所涉及的高压水射流技术、机械设计技术、机械传动技术、驱动技术、信息融合技术及通信技术的应用等，其众多的技术创新将大型破拆救援设备的技术升级和结构创新，将对其产业化发展以及进-步开拓国际市倡产生深远影响。