CN112619003A - 一种适用于高空的多功能消防灭火机器人及其作业方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于高空的多功能消防灭火机器人，包括移动底盘、承载本体、水喷射灭火系统、干粉灭火系统、高压细水雾灭火系统、高空抬升组件、云台组件、观测传感系统、以及能源、通讯和控制模块。本发明通过高空抬升组件实现机器人对高空的任意高度灭火；高空抬升组件中采用联动的第一补偿油缸和第二补偿油缸等组件实现补偿平台角度自补偿，提高了云台组件的稳定性，进而确保高空抬升组件升降时，云台组件上的干粉喷头和水雾喷头等的喷射角度不变；采用观测传感系统中的红外探测器等配合实现了机器人代替人工的自主导航、环境参数侦查、全自主寻火和定点灭火。

Description

一种适用于高空的多功能消防灭火机器人及其作业方法

技术领域

本发明涉及特种机器人领域，具体地说是涉及一种适用于高空的多功能消防灭火机器人及其作业方法。

背景技术

消防机器人作为特种机器人的一种，在灭火和抢险救援中愈加发挥举足轻重的作用。现场指挥人员可以利用其进行先期压制，并根据其反馈结果，及时对灾情做出科学判断，从而对灾害事故现场工作做出正确、合理地决策。

目前针对低空的灭火，主要采用人工高压水枪灭火和消防机器人作业两种方式：

(1)高压水枪灭火：消防高压水枪，用于和消防水带消防车相连喷射出密集充实的水流将大火扑灭，主要适用于中低层建筑或相应高度的灭火场合。

(2)消防机器人：目前投入使用的消防机器人一般由带动力的全地形底盘作为行驶与载重基体，在其之上装载灭火设备、洗消设备、排烟设备等进行各种特种救援作业。

当前，随着城市高层、超高层建筑日益增多，几十米甚至上百米的高楼一旦发生火灾，会面临消防难题。目前传统的高压水枪由于水压等原因均难以到达80米以上进行灭火和消防救援，且消防员直接靠近火场，有很高的危险性有时甚至会造成不必要的伤亡。消防机器人多使用自动消防水炮，依赖后方消防车供水，实现对几十米内的火源灭火，同样无法到达超过数十米甚至百米高的建筑物。

针对高空的消防灭火，目前主流有高空无人机和举高设备两种方式：

(1)高空无人机灭火：在旋翼式无人机平台上搭载小重量的灭火器等装置，实现对高空小着火点或火源的应急灭火。

(2)采用举升装置将喷射灭火设备送入高层建筑，实现对中高空建筑灭火。

对于高空无人机，鉴于当前电池的性能参数，无人机携带灭火所需的载荷及自身重量，作业时间长度受到限制，携带灭火载荷少，空中作业时间短，不能长时间、大载重的开展高层消防救援作业。而主流现有的举高设备仅依靠折叠式的云梯结构进行伸展将喷头送入高层建筑进行灭火，需人工遥控，无法智能化作业，更无法进行喷射角度的自动补偿、全自动寻火和智能多灭火源灭火。

发明内容

基于上述技术问题，本发明提出一种适用于高空的多功能消防灭火机器人，以及该消防灭火机器人的作业方法。

本发明所采用的技术解决方案是：

一种适用于高空的多功能消防灭火机器人，包括移动底盘、承载本体、水喷射灭火系统、干粉灭火系统、高压细水雾灭火系统、高空抬升组件、云台组件、观测传感系统、以及能源、通讯和控制模块；

所述移动底盘包括轮系组件、转向组件、动力驱动组件和底盘框架，轮系组件通过转向组件和动力驱动组件连接于底盘框架的前后两端；

所述承载本体设置于底盘框架的上端，所述水喷射灭火系统、干粉灭火系统、高压细水雾灭火系统和高空抬升组件设置在承载本体上，所述云台组件设置在高空抬升组件的顶端，所述观测传感系统布置在云台组件和/或承载本体上，所述能源、通讯和控制模块布置在承载本体的内部；

所述水喷射灭火系统包括消防水炮、进水管道和自喷淋系统，消防水炮和自喷淋系统均与进水管道连接；

所述干粉灭火系统包括干粉喷头、干粉管路、电磁阀、干粉罐和氮气罐，干粉喷头与干粉管路的一端连接，干粉管路的另一端连接干粉罐和氮气罐，电磁阀设置在干粉管路上；

所述高压细水雾灭火系统包括水雾喷头、水雾管路、泡沫箱、水泵组和水箱，水雾喷头与水雾管路的一端连接，水雾管路的另一端连接水泵组的出口，水泵组的入口连接泡沫箱和水箱；

所述高空抬升组件包括底座、第一支臂、第一支撑油缸、第二支臂、第二辅助支臂、第三支臂、第二支撑油缸、第三辅助支臂、第四支臂、第五支臂、伸缩油缸、第一补偿油缸、第二补偿油缸、补偿平台和液压泵站；

底座设置于承载本体上，第一支臂斜向固定于底座上，第一支臂的顶端与第二支臂的底端铰接；第一支撑油缸的下端铰接于底座上，第一支撑油缸的上端铰接于第二支臂的中央偏后段下方；

第二支臂的顶端与第三支臂的底端铰接；第二辅助支臂的底端铰接于第一支臂的中间偏上的位置处，第二辅助支臂的顶端铰接于第三支臂的底端的凸起挂耳处；第三支臂的上端铰接于第四支臂的下端，第二支撑油缸的上端铰接于第四支臂中间偏下段的下端面处，第二支撑油缸的下端铰接于第三支臂的下端；第三辅助支臂与第四支臂平行设置，且第三辅助支臂的一端设置于第四支臂的下端侧面，第三辅助支臂的另一端与第一补偿油缸的顶端铰接，第一补偿油缸的底端与第三支臂连接；

第五支臂插接于第四支臂的内部，第五支臂的前端伸出部与伸缩油缸的前端连接，伸缩油缸的末端固定于第四支臂的末端；第五支臂的最前端与补偿平台的下端面铰接；第二补偿油缸的底端铰接于第五支臂上，第二补偿油缸的顶端铰接于补偿平台的下端面；第一补偿油缸和第二补偿油缸通过液压泵站联动，当第一补偿油缸压缩/伸长时，通过液压泵站的补偿作用，第二补偿油缸实现伸长/压缩，从而补偿由于第四支臂摆动导致的补偿平台角度改变量，保证补偿平台始终处于原始的俯仰状态；

所述云台组件包括垂向支架、水平回转机构、U形支架、垂向回转机构和水平支架，垂向支架与补偿平台连接，垂向支架的一端面与水平回转机构固定连接，水平回转机构的输出轴与U形支架固定连接，U形支架的侧面设置有垂向回转电机，垂向回转电机的输出轴固连水平支架；

所述观测传感系统包括高空观测组件、低空观测组件和后端观测组件；高空观测组件包括第一红外探测器、第一摄像机和第一气体传感器，低空观测组件包括升降组件、第二红外探测器、第二摄像机、第二气体传感器和第一灯光模块，后端观测组件包括第三摄像机和第二灯光模块；

所述干粉喷头和水雾喷头分别安装于水平支架的上端面，第一红外探测器和第一摄像机分别设置于水平支架的下端面，第一气体传感器设置于补偿平台的侧面；所述升降组件设置于承载本体上，第二红外探测器、第二摄像机和第二气体传感器分别排列于升降组件的上端，第一灯光模块设置于承载本体的最前端上端面上两侧；所述第三摄像机和第二灯光模块设置于承载本体的后方；

所述能源、通讯和控制模块包括能源供给系统、通讯系统、控制模组和电气盒；能源供给系统为锂电池组件；通讯系统与控制模组连接，通讯系统包括通讯模组和通讯天线；通讯模组设置于电气盒上，控制模组设置于电气盒中；

所述电磁阀、水泵组和液压泵站均与控制模组连接；所述第一支撑油缸、第二支撑油缸、第一补偿油缸和第二补偿油缸也分别通过油路与液压泵站连接。

优选的，所述消防水炮包括用以实现喷射角度变换的水平角度调整机构和垂向角度调整机构，以及用以实现喷射形态变换的喷射形态调整机构。

优选的，所述第一补偿油缸与第二支撑油缸平行设置，第一补偿油缸的底端铰接于第三支臂的下端。

优选的，第二补偿油缸底端铰接于第五支臂前端偏后的上端面处，第二补偿油缸顶端铰接于补偿平台下端面的后方中央处，第五支臂的最前端与补偿平台下端面的前方中央处铰接。

优选的，所述高空抬升组件还包括用以实时反馈提高控制精度的反馈传感器。

优选的，所述能源、通讯和控制模块还包括激光雷达模组、姿态测量单元和差分GPS系统，所述激光雷达模组设置于承载本体的前端，姿态测量单元和差分GPS系统均设置于电气盒的内部；所述激光雷达模组、姿态测量单元和差分GPS系统还分别与控制模组连接。

上述观测传感系统中的高空观测组件、低空观测组件和后端观测组件，以及云台组件中的水平回转机构和垂向回转机构等也均与控制模组相连接。

一种适用于高空的多功能消防灭火作业方法，采用如上所述的消防灭火机器人，包括以下步骤：

(1)机器人移动、转向、自动导航和避障的工作过程

①机器人移动和转向的控制工作步骤

通过地面站或远程指挥中心的无线通讯设备向通讯天线发送控制指令，控制模组控制通讯模组，利用通讯天线将控制指令接收并解析，而后控制模组控制动力驱动组件驱动轮系组件实现移动底盘的前进和后退运动；

当机器人需要进行转向或者位置调整时，控制模组控制通讯模组，利用通讯天线将控制指令接收并解析，而后控制模组控制转向组件驱动轮系组件转向，实现移动底盘的转向运动；

②机器人自动避障、融合导航的工作步骤

机器人移动过程中，控制模组控制激光雷达模组以及前方的第二摄像机进行环境信息采集并进行解析，判断前方障碍物情况，从而决策控制转向组件、动力驱动组件作业方式，实现对障碍物的避让；

当通过远程无线通讯设备向通讯天线发送目的地指令后，控制模组启动姿态测量单元实时检测机器人自身的运动加速度和方位角信息，推算机器人的运动轨迹；同时，控制模组还将启动差分GPS系统接收外部对机器人的定位信息进行融合补偿，提高机器人定位和导航精度，最终到达目的地；

(2)机器人环境参数采集、自动寻找火源以及自动灭火的工作过程

①机器人侦查作业时环境参数采集的工作步骤

ⅰ.当需要对现场环境参数采集时，对于高空的环境参数，控制模组控制第一红外探测器、第一摄像机和第一气体传感器作业，分别将火源现场参数进行采集并解析处理，并通过通讯模组和通讯天线将信息发送至地面站或远程指挥中心；另外，控制模组还可控制云台组件中的水平回转机构和垂向回转机构调整角度，实现高空观测组件对不同方位的高层环境参数采集监控；

ⅱ.当机器人行进，或对中低高度建筑物灭火需要参数采集时，控制模组控制第二红外探测器、第二摄像机和第二气体传感器对机器人前方的环境参数进行采集，同时也通过第三摄像机对机器人后方的参数采集；另外，根据现场对不同高度的参数采集时，控制模组还可驱动控制升降组件升降，带动第二红外探测器、第二摄像机和第二气体传感器对机器人前方不同高度的环境参数分层采集；

②机器人自动寻找火源以及自动灭火的工作步骤

ⅰ.当机器人到达火灾现场需要自动灭火救援时，此时控制模组首先启动低空观测组件对机器人前方的火灾形势研判，当着火点处于中低空域时，此时控制模组控制第二红外探测器进行着火点定位；同时，控制模组进一步控制液压泵站作业，实现对第一支撑油缸、第二支撑油缸和伸缩油缸的伸缩驱动，实现补偿平台及其上的云台组件的降低高度作业；

ⅱ.控制模组进一步控制升降组件带动第二红外探测器、第二摄像机和第二气体传感器进行高度调整；同时控制模组驱动水平回转机构和垂向回转机构转动，带动水平支架和其上的高空观测组件进行角度方位调整，实现对火源的精准探测和定位；另外，当火源位置不确定时，控制模组进一步驱动高空抬升组件进行高度调整，同时驱动水平回转机构和垂向回转机构转动，带动高空观测组件进行火源的自动寻找、定位；

ⅲ.当火源位置确定时，控制模组将现场采集的参数通过通讯模组、通讯天线发送至地面站或远程指挥中心供以决策；同时，控制模组通过观测传感系统判断灭火剂使用的类型：

当需要使用水剂灭火时，控制模组控制消防水炮中的水平角度调整机构、垂向角度调整机构进行角度调整实现定点灭火；在灭火过程中，控制模组控制喷射形态调整机构实现对水流的形态控制；

当需要使用干粉灭火时，控制模组控制启动电磁阀，依靠氮气罐内的压力将干粉罐内的干粉通过干粉管路将干粉送至干粉喷头处进行喷射灭火；

当需要使用高压细水雾灭火时，控制模组控制启动水泵组，将泡沫箱和水箱内的灭火剂进行混合并通过水雾管路送至水雾喷头处进行喷射灭火；

上述灭火过程还可进行水剂、干粉、细水雾任意两种甚至三种的组合灭火；

ⅳ.灭火完成后，控制模组控制水喷射灭火系统、干粉灭火系统、高压细水雾灭火系统停止工作，高空抬升组件回缩，机器人运动驱动至原地充电待命。

本发明的有益技术效果是：

本发明通过高空抬升组件实现机器人对高空的任意高度灭火；采用联动的第一补偿油缸和第二补偿油缸等组件实现补偿平台角度自补偿，提高了云台组件的稳定性，进而确保高空抬升组件升降时，云台组件上的干粉喷头和水雾喷头等的喷射角度不变；采用观测传感系统中的红外探测器等配合实现了机器人代替人工的自主导航、环境参数侦查、全自主寻火和定点灭火。

本发明解决了普通消防机器人无法进行高空灭火和高空灭火时消防员难以直接靠近火场等难题，保证了消防人员的安全性，实现了高空建筑物火灾多功能、智能化和自动化的灭火。

附图说明

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步说明：

图1为本发明消防灭火机器人降低回缩状态的第一视角立体结构原理示意图；

图2为本发明消防灭火机器人降低回缩状态的第二视角立体结构原理示意图；

图3为图1的主视结构原理示意图；

图4为图1的左视结构原理示意图；

图5为图1的俯视结构原理示意图；

图6为本发明消防灭火机器人举高张开状态的第一视角立体结构原理示意图；

图7为本发明消防灭火机器人举高张开状态的第二视角立体结构原理示意图；

图8为本发明消防灭火机器人举高张开状态的第三视角立体结构原理示意图；

图9为图6的俯视结构原理示意图；

图10为图6的仰视结构原理示意图；

图11为图2的局部放大示意图，主要示出低空观测组件的结构；

图12为图7的局部放大示意图，主要示出高空抬升组件的底部结构；

图13为图8的A部放大示意图，主要示出高空抬升组件的第一补偿油缸处的结构；

图14为图8的B部放大示意图，主要示出云台组件处的结构。

图中：1-移动底盘、2-承载本体、3-水喷射灭火系统、4-干粉灭火系统、5-高压细水雾灭火系统、6-高空抬升组件、7-云台组件、8-观测传感系统、9-能源、通讯和控制模块；

101-轮系组件、102-转向组件、103-动力驱动组件、104-底盘框架；

301-消防水炮、302-进水管道、303-自喷淋系统；301-A水平角度调整机构、301-B垂向角度调整机构、301-C喷射形态调整机构；

401-干粉喷头、402-干粉管路、403-电磁阀、404-干粉罐、405-氮气罐；

501-水雾喷头、502-水雾管路、503-泡沫箱、504-水泵组、505-水箱；

601-底座、602-第一支臂、603-第一支撑油缸、604-第二支臂、605-第二辅助支臂、606-第三支臂、607-第二支撑油缸、608-第三辅助支臂、609-第四支臂、610-第五支臂、611-伸缩油缸、612-第一补偿油缸、613-第二补偿油缸、614-补偿平台、615-液压泵站、616-反馈传感器；

701-垂向支架、702-水平回转机构、703-U形支架、704-垂向回转机构、705-水平支架；

801-高空观测组件、802-低空观测组件、803-后端观测组件；

801-A第一红外探测器、801-B第一摄像机、801-C第一气体传感器；802-A升降组件、802-B第二红外探测器、802-C第二摄像机、802-D第二气体传感器、802-E第一灯光模块；803-A第三摄像机、803-B第二灯光模块；

901-能源供给系统、902-通讯系统、903-控制模组、904-电气盒、905-激光雷达模组、906-姿态测量单元、907-差分GPS系统、902-A通讯模组、902-B通讯天线。

具体实施方式

结合附图，一种适用于高空的多功能消防灭火机器人，包括移动底盘1、承载本体2、水喷射灭火系统3、干粉灭火系统4、高压细水雾灭火系统5、高空抬升组件6、云台组件7、观测传感系统8以及能源、通讯和控制模块9。

具体的，移动底盘1实现对机器人的动力行进和转向驱动，至少包含：轮系组件101、转向组件102、动力驱动组件103和底盘框架104。轮系组件101通过转向组件102、动力驱动组件103连接于底盘框架104的前后两端。转向组件102对底盘上轮系组件101的角度调整，进而实现机器人的转向；动力驱动组件103则实现对底盘上轮系组件101的动力推进，进而实现机器人的前进和后退。底盘框架则是移动底盘1的本体支撑固件。

承载本体2为连接固定各类上装作业模块(干粉灭火系统4、高空抬升组件6等)与移动底盘1的中间媒介，外形为方形，内部中空，设置于移动底盘1上端。具体的，所述水喷射灭火系统3、干粉灭火系统4、高压细水雾灭火系统5和高空抬升组件设置在承载本体上，所述云台组件7设置在高空抬升组件6的顶端，所述观测传感系统8布置在云台组件和/或承载本体上，所述能源、通讯和控制模块9布置在承载本体2的内部。

水喷射灭火系统3主要利用水射流实现对前方着火点的定点精准扑救，至少包括：具备水平、垂向角度调整和喷射形态可调的消防水炮301、进水管道302和自喷淋系统303。为实现水炮角度和喷射形态的变换，消防水炮301至少包含：水平角度调整机构301-A、垂向角度调整机构301-B，以及喷射形态调整机构301-C。自喷淋系统303设置于承载本体2上，也与进水管道302连接，用于机器人在高温环境中的物理降温。

干粉灭火系统4可实现利用干粉介质对火源的扑救，至少包含：干粉喷头401、干粉管路402、电磁阀403、干粉罐404和氮气罐405。干粉喷头401设置于云台组件中水平支架705的上端，与干粉管路402连接，干粉管路402与干粉罐404和氮气罐405连接，在干粉管路402的中间，还设置有电磁阀403用于控制干粉的供给通断。电磁阀403在电气上还与能源、通讯和控制模块中的控制模组903连接用以控制通断。氮气罐405主要用于对干粉的喷射提供压力。

高压细水雾灭火系统5主要实现对火源的快速冷却和局部窒息效果，至少包含：水雾喷头501、水雾管路502、泡沫箱503、水泵组504和水箱505。水雾喷头501设置于云台组件中水平支架705的上端，与水雾管路502连接，水雾管路502还与水泵组504的出口连接，水泵组504的入口与泡沫箱503和水箱505连接，水泵组504在电气上还连接于控制模组903上，通过控制水泵组504的启动与停止，实现对水箱505中水和泡沫箱503中的泡沫的混合，进而实现细水雾的喷射。

高空抬升组件6整体呈多个U行穿插排列状，主要实现对干粉喷头401、干粉管路402以及水雾喷头501、水雾管路502的抬升，至少包含：底座601、第一支臂602、第一支撑油缸603、第二支臂604、第二辅助支臂605、第三支臂606、第二支撑油缸607、第三辅助支臂608、第四支臂609、第五支臂610、伸缩油缸611、第一补偿油缸612、第二补偿油缸613、补偿平台614和液压泵站615。

底座601为横置的U形支架，设置于承载本体2的中间，第一支臂602斜向固定于承载本体2、底座601的前端处，第一支臂602的顶端与第二支臂604的底端铰接。第一支撑油缸603的下端铰接于底座601上，上端铰接于第二支臂604的中央偏后段下方，第一支撑油缸603进行伸长和缩短，带动第二支臂604相对第一支臂602升降高度调整。

第二支臂604的顶端与第三支臂606的底端铰接。第二辅助支臂605的底端铰接于第一支臂602的中间偏上的后端面上，顶端铰接于第三支臂606的底端的下方凸起挂耳处。第三支臂606上端铰接于第四支臂609的下端，第二支撑油缸607设置在与第三支臂606平行的内侧垂向上。第二支撑油缸607的上端铰接于第四支臂609中间偏下段的下端面处，第二支撑油缸607的下端铰接于第三支臂606的下端。

第三辅助支臂608与第四支臂609平行设置，且第三辅助支臂608的顶端设置于第四支臂609的下端侧面，第三辅助支臂608的末端与第一补偿油缸612铰接。第四支臂609在第二支撑油缸607的带动作用下，带动第三辅助支臂608摆动，进而带动第一补偿油缸612压缩或舒展。

第四支臂609内部插接有第五支臂610，第五支臂610的末端连接于伸缩油缸611的前端，伸缩油缸611的末端固定于第四支臂609的末端。

第一补偿油缸612与第二支撑油缸607平行设置，底端铰接于第三支臂606的下端，顶端铰接于第三辅助支臂608的末端。第二补偿油缸613底端铰接于第五支臂610前端偏后的上端面处，顶端铰接于补偿平台614下端面的后方中央处。第五支臂610的最前端与补偿平台614的下端面的前方中央处铰接，当第二补偿油缸613运动时，带动补偿平台614角度调整。

进一步的，第一补偿油缸612和第二补偿油缸613采用联动补偿机制，第一补偿油缸612和第二补偿油缸613通过液压泵站联动。当第一补偿油缸612伸缩时，通过液压泵站615的补偿作用，第二补偿油缸613实现伸长，从而补偿由于第四支臂609摆动导致的补偿平台614角度改变量，保证补偿平台614始终处于原始的俯仰状态。

更进一步的，为提高高空抬升组件6的控制精度，在每个执行组件上还设置有反馈传感器616实时反馈。

上述高空抬升组件6中的行程执行组件还可用电动执行机构或其它元件代替。

上述液压泵站615分别通过油路连接第一支撑油缸603、第二支撑油缸607、伸缩油缸611、第一补偿油缸612和第二补偿油缸613，实现油压供给和平衡补偿功能。另外，液压泵站615在电气上，还与控制模组903连接，用以实现对第一支撑油缸603、第二支撑油缸607、第一补偿油缸612、第二补偿油缸613等的单独驱动控制。

所述高空抬升组件6整体的工作功能是：当补偿平台614及附属的作业、观测设备需要到达指定高度时，控制模组903可通过液压泵站615分别驱动第一支撑油缸603、第二支撑油缸607、伸缩油缸611，当第一支撑油缸603伸长时，带动第二支臂604及其附属组件相对第一支臂602抬升，反之亦然；当第二支撑油缸607伸长时，第四支臂609及其附属组件相对第三支臂606抬升，反之亦然；当伸缩油缸611伸长时，第五支臂610及其附属组件相对第四支臂609伸出，反之亦然。通过控制油缸的运动，实现最终的补偿平台614及其上的附属组件如干粉喷头401、水雾喷头501的不同高度驱动下的作业。

云台组件7主要实现对干粉喷头401、水雾喷头501以及其上的高空观测组件801进行角度调整，至少包含：垂向支架701、水平回转机构702、U形支架703、垂向回转机构704、水平支架705。垂向支架701外端面设置于补偿平台614侧面，内端面固连水平回转机构702，水平回转机构702的输出轴固连U形支架703，U形支架703的外侧面设置有垂向回转电机704，垂向回转电机704的输出轴固连水平支架705，水平支架705的上端面两侧分别安装干粉喷头401和水雾喷头501，下端面两侧分别安装第一红外探测器801-A和第一摄像机801-B。

云台组件7的工作原理为：水平回转机构702转动，带动U形支架703及其附属的水平支架705、高空观测组件801水平回转转动，垂向回转机构704转动，带动其附属的水平支架705、高空观测组件801垂向回转转动，从而实现空间角度的调整。

观测传感系统8主要实现对外部环境参数的采集观测，至少包含：高空观测组件801、低空观测组件802、后端观测组件803。高空观测组件801主要配合干粉喷头401、水雾喷头501实现对外部火源的观测和瞄准，至少包含：第一红外探测器801-A、第一摄像机801-B和第一气体传感器801-C。第一红外探测器801-A和第一摄像机801-B设置于水平支架705的下端面，第一气体传感器801-C设置于补偿平台614的侧面。

低空观测组件802主要配合水喷射灭火系统3实现对中低空的环境参数的采集，至少包含：升降组件802-A、第二红外探测器802-B、第二摄像机802-C、第二气体传感器802-D和第一灯光模块802-E。升降组件802-A可实现自身的升高和降低，从而带动其附属的第二红外探测器802-B、第二摄像机802-C、第二气体传感器802-D上下移动，实现对不同高度的环境参数采集。升降组件802-A设置于承载本体2的前端、消防水炮301的后方。第二红外探测器802-B、第二摄像机802-C和第二气体传感器802-D分别排列于升降组件802-A的上端。第一灯光模块802-E设置于承载本体2的最前端上端面上两侧，用于环境灯光补偿。

后端观测组件803主要实现对机器人后方的环境观测，包括：第三摄像机803-A和第二灯光模块803-B。第三摄像机803-A和第二灯光模块803-B设置于承载本体2的后方上端面两侧。

能源、通讯和控制模块9主要实现机器人上载荷的电力供给和智能化控制，至少包含：能源供给系统901、通讯系统902、控制模组903和电气盒904。

其中能源供给系统901为锂电池组件，设置于底盘框架104上。通讯系统902用于机器人与控制台或远程控制指挥中心通讯，至少包含：通讯模组902-A和通讯天线902-B。在电气上，通讯系统与控制模组903连接用于供电和控制信号的指令执行实施，且与通讯天线902-B连接用于信号的接收和发送。在机械上，通讯模组902-A设置于电气盒904上。控制模组903用于机器人整套电气组件的控制，电气上机器人各电气执行组件连接，用以控制和信号反馈。机械上，设置于电气盒904中。电气盒904用于装载各类电气元件等，设置于承载本体2内部。

为进一步实现机器人行走、作业的自动化和智能化程度，能源、通讯和控制模块9还包含激光雷达模组905、姿态测量单元906和差分GPS系统907。

其中激光雷达模组905设置于承载本体2前方，与控制模组903连接，用于避障和路径规划。姿态测量单元906用于测量机器人姿态，通过积分等方法进行路径导航，设置于电气盒904内部，与控制模组903连接。

更进一步的，为提高机器人移动和作业时的安全性，控制模组903还将实时控制姿态测量单元906检测车体的姿态，当检测出机器人俯仰或横摇姿态过大时，将立即停止当前各电气执行机构的动作，并将报警信息通过通讯模组902-A和通讯天线902-B发送至地面站或远程指挥中心。

差分GPS系统907用于测量机器人相对大地坐标系的位置定位，用于辅助机器人室外移动导航，设置于电气盒904内。

上述能源供给系统901还可为燃油等其他形式的能源供给组件。当为燃油形式的供给组件时，为保证机器人上装的上装载荷正常工作，还应至少包含发电机系统。

一种适用于高空的多功能消防灭火作业方法，采用如上所述的消防灭火机器人，具体包括以下步骤：

(1)机器人移动、转向、自动导航和避障的工作过程

①机器人移动和转向的控制工作步骤

通过地面站或远程指挥中心的无线通讯设备向通讯天线902-B发送控制指令，控制模组903控制通讯模组902-A，利用通讯天线902-B将控制指令接收并解析，而后控制模组903控制动力驱动组件103驱动轮系组件101实现移动底盘1的前进和后退运动。

当机器人需要进行转向或者位置调整时，控制模组903控制通讯模组902-A，利用通讯天线902-B将控制指令接收并解析，而后控制模组903控制转向组件102驱动轮系组件101转向，从而实现移动底盘1的转向运动。

②机器人自动避障、融合导航的工作步骤

机器人移动过程中，控制模组903控制激光雷达模组905以及前方的第二摄像机802-C进行环境信息采集并进行解析，判断前方障碍物，从而决策控制转向组件102、动力驱动组件103作业方式，实现对障碍物的避让。

当通过远程无线通讯设备向通讯天线902-B发送目的地指令后，控制模组903启动姿态测量单元906实时检测机器人自身的运动加速度和方位角等信息，进行积分运算从而推算机器人的运动轨迹；同时，控制模组903还将启动差分GPS系统907接收外部对机器人的定位信息进行融合补偿，提高机器人定位和导航精度，最终到达目的地。

(2)机器人环境参数采集、自动寻找火源以及自动灭火的工作过程

①机器人侦查作业时环境参数采集的工作步骤

ⅰ.当需要对现场环境参数采集时，对于高空的环境参数，控制模组903控制第一红外探测器801-A、第一摄像机801-B和第一气体传感器801-C作业，分别将火源现场参数(火势大小、温度值、相对红外探测器的位置等)进行采集并解析处理，并通过通讯模组902-A和通讯天线902-B将信息发送至地面站或远程指挥中心。另外，控制模组903还可控制云台组件7中的水平回转机构702和垂向回转机构704调整角度，实现高空观测组件801对不同方位的高层环境参数采集监控。

ⅱ.当机器人行进，或对中低高度建筑物灭火需要参数采集时，控制模组903控制第二红外探测器802-B、第二摄像机802-C和第二气体传感器802-D对机器人前方的环境参数进行采集，同时也可通过第三摄像机803-A对机器人后方的参数采集。另外，根据现场对不同高度的参数采集时，控制模组903还可驱动控制升降组件802-A升降，带动第二红外探测器802-B、第二摄像机802-C、第二气体传感器802-D对机器人前方不同高度的环境参数分层采集，提高对现场突发状态的信息了解便于下一步决策。

②机器人自动寻找火源以及自动灭火的工作步骤

ⅰ.当机器人到达火灾现场需要自动灭火救援时，此时控制模组903首先启动低空观测组件802对机器人前方的火灾形势研判，当着火点处于中低空域时，此时控制模组903控制第二红外探测器802-B进行着火点定位。同时为提高探测的准确度，控制模组903进一步控制液压泵站615作业，实现对第一支撑油缸603、第二支撑油缸607、伸缩油缸611的伸缩驱动，实现补偿平台614及其上的附属组件的降低高度作业。

ⅱ.同时，为保证对火源的精准探测和定位，控制模组903进一步控制升降组件802-A带动第二红外探测器802-B、第二摄像机802-C和第二气体传感器802-D进行高度调整。同时控制模组903进一步驱动水平回转机构702和垂向回转机构704转动，带动其附属的水平支架705、高空观测组件801进行角度方位调整，从而实现对火源的精准观测。另外，当火源位置不确定时，控制模组903进一步驱动高空抬升组件6进行高度调整，同时驱动水平回转机构702和垂向回转机构704转动，带动高空观测组件801进行空间遍历时下火源的自动寻找、定位。

ⅲ.当火源位置确定时，控制模组903将现场采集的参数通过通讯模组902-A、通讯天线902-B将参数发送至地面站或远程指挥中心供以决策。同时，控制模组903通过观测传感系统8判断灭火剂使用的类型：

当需要使用水剂灭火时，控制模组903控制消防水炮301中的水平角度调整机构301-A、垂向角度调整机构301-B进行角度调整实现定点灭火；在灭火过程中，控制模组903控制喷射形态调整机构301-C实现对水流的形态控制。

当需要使用干粉灭火时，控制模组903控制启动电磁阀403，依靠氮气罐405内的压力将干粉罐404内的干粉通过干粉管路402将干粉送至干粉喷头401处进行喷射灭火。

当需要使用高压细水雾灭火时，此时控制模组903控制启动水泵组504，将泡沫箱503和水箱505内的灭火剂进行混合并通过水雾管路502送至水雾喷头501处进行喷射灭火。

进一步的，在保证灭火剂使用合理的条件下，上述灭火过程还可进行水剂、干粉、细水雾任意一种、任意两种甚至三种的组合灭火，以提高灭火效率。

ⅳ.灭火完成后，控制模组903控制各类执行组件停止工作，水喷射灭火系统3、干粉灭火系统4、高压细水雾灭火系统5停止工作，高空抬升组件6回缩，机器人运动驱动至原地充电待命。

上述方式中未述及的部分采取或借鉴已有技术即可实现。

需要说明的是，在本说明书的教导下，本领域技术人员所作出的任何等同替代方式，或明显变形方式，均应在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种适用于高空的多功能消防灭火机器人，其特征在于：包括移动底盘、承载本体、水喷射灭火系统、干粉灭火系统、高压细水雾灭火系统、高空抬升组件、云台组件、观测传感系统、以及能源、通讯和控制模块；

所述移动底盘包括轮系组件、转向组件、动力驱动组件和底盘框架，轮系组件通过转向组件和动力驱动组件连接于底盘框架的前后两端；

所述承载本体设置于底盘框架的上端，所述水喷射灭火系统、干粉灭火系统、高压细水雾灭火系统和高空抬升组件设置在承载本体上，所述云台组件设置在高空抬升组件的顶端，所述观测传感系统布置在云台组件和/或承载本体上，所述能源、通讯和控制模块布置在承载本体的内部；

所述水喷射灭火系统包括消防水炮、进水管道和自喷淋系统，消防水炮和自喷淋系统均与进水管道连接；

所述干粉灭火系统包括干粉喷头、干粉管路、电磁阀、干粉罐和氮气罐，干粉喷头与干粉管路的一端连接，干粉管路的另一端连接干粉罐和氮气罐，电磁阀设置在干粉管路上；

所述高压细水雾灭火系统包括水雾喷头、水雾管路、泡沫箱、水泵组和水箱，水雾喷头与水雾管路的一端连接，水雾管路的另一端连接水泵组的出口，水泵组的入口连接泡沫箱和水箱；

所述高空抬升组件包括底座、第一支臂、第一支撑油缸、第二支臂、第二辅助支臂、第三支臂、第二支撑油缸、第三辅助支臂、第四支臂、第五支臂、伸缩油缸、第一补偿油缸、第二补偿油缸、补偿平台和液压泵站；

底座设置于承载本体上，第一支臂斜向固定于底座上，第一支臂的顶端与第二支臂的底端铰接；第一支撑油缸的下端铰接于底座上，第一支撑油缸的上端铰接于第二支臂的中央偏后段下方；

第二支臂的顶端与第三支臂的底端铰接；第二辅助支臂的底端铰接于第一支臂的中间偏上的位置处，第二辅助支臂的顶端铰接于第三支臂的底端的凸起挂耳处；第三支臂的上端铰接于第四支臂的下端，第二支撑油缸的上端铰接于第四支臂中间偏下段的下端面处，第二支撑油缸的下端铰接于第三支臂的下端；第三辅助支臂与第四支臂平行设置，且第三辅助支臂的一端设置于第四支臂的下端侧面，第三辅助支臂的另一端与第一补偿油缸的顶端铰接，第一补偿油缸的底端与第三支臂连接；

第五支臂插接于第四支臂的内部，第五支臂的前端伸出部与伸缩油缸的前端连接，伸缩油缸的末端固定于第四支臂的末端；第五支臂的最前端与补偿平台的下端面铰接；第二补偿油缸的底端铰接于第五支臂上，第二补偿油缸的顶端铰接于补偿平台的下端面；第一补偿油缸和第二补偿油缸通过液压泵站联动，当第一补偿油缸压缩/伸长时，通过液压泵站的补偿作用，第二补偿油缸实现伸长/压缩，从而补偿由于第四支臂摆动导致的补偿平台角度改变量，保证补偿平台始终处于原始的俯仰状态；

所述云台组件包括垂向支架、水平回转机构、U形支架、垂向回转机构和水平支架，垂向支架与补偿平台连接，垂向支架的一端面与水平回转机构固定连接，水平回转机构的输出轴与U形支架固定连接，U形支架的侧面设置有垂向回转电机，垂向回转电机的输出轴固连水平支架；

所述观测传感系统包括高空观测组件、低空观测组件和后端观测组件；高空观测组件包括第一红外探测器、第一摄像机和第一气体传感器，低空观测组件包括升降组件、第二红外探测器、第二摄像机、第二气体传感器和第一灯光模块，后端观测组件包括第三摄像机和第二灯光模块；

所述干粉喷头和水雾喷头分别安装于水平支架的上端面，第一红外探测器和第一摄像机分别设置于水平支架的下端面，第一气体传感器设置于补偿平台的侧面；所述升降组件设置于承载本体上，第二红外探测器、第二摄像机和第二气体传感器分别排列于升降组件的上端，第一灯光模块设置于承载本体的最前端上端面上两侧；所述第三摄像机和第二灯光模块设置于承载本体的后方；

所述能源、通讯和控制模块包括能源供给系统、通讯系统、控制模组和电气盒；能源供给系统为锂电池组件；通讯系统与控制模组连接，通讯系统包括通讯模组和通讯天线；通讯模组设置于电气盒上，控制模组设置于电气盒中；

所述电磁阀、水泵组和液压泵站均与控制模组连接；所述第一支撑油缸、第二支撑油缸、第一补偿油缸和第二补偿油缸也分别通过油路与液压泵站连接。

2.根据权利要求1所述的一种适用于高空的多功能消防灭火机器人，其特征在于：所述消防水炮包括用以实现喷射角度变换的水平角度调整机构和垂向角度调整机构，以及用以实现喷射形态变换的喷射形态调整机构。

3.根据权利要求1所述的一种适用于高空的多功能消防灭火机器人，其特征在于：所述第一补偿油缸与第二支撑油缸平行设置，第一补偿油缸的底端铰接于第三支臂的下端。

4.根据权利要求1所述的一种适用于高空的多功能消防灭火机器人，其特征在于：第二补偿油缸底端铰接于第五支臂前端偏后的上端面处，第二补偿油缸顶端铰接于补偿平台下端面的后方中央处，第五支臂的最前端与补偿平台下端面的前方中央处铰接。

5.根据权利要求1所述的一种适用于高空的多功能消防灭火机器人，其特征在于：所述高空抬升组件还包括用以实时反馈提高控制精度的反馈传感器。

6.根据权利要求1所述的一种适用于高空的多功能消防灭火机器人，其特征在于：所述能源、通讯和控制模块还包括激光雷达模组、姿态测量单元和差分GPS系统，所述激光雷达模组设置于承载本体的前端，姿态测量单元和差分GPS系统均设置于电气盒的内部；所述激光雷达模组、姿态测量单元和差分GPS系统还分别与控制模组连接。

7.一种适用于高空的多功能消防灭火作业方法，采用如权利要求1-6中任一权利要求所述的消防灭火机器人，其特征在于包括以下步骤：

(1)机器人移动、转向、自动导航和避障的工作过程

①机器人移动和转向的控制工作步骤

通过地面站或远程指挥中心的无线通讯设备向通讯天线发送控制指令，控制模组控制通讯模组，利用通讯天线将控制指令接收并解析，而后控制模组控制动力驱动组件驱动轮系组件实现移动底盘的前进和后退运动；

当机器人需要进行转向或者位置调整时，控制模组控制通讯模组，利用通讯天线将控制指令接收并解析，而后控制模组控制转向组件驱动轮系组件转向，实现移动底盘的转向运动；

②机器人自动避障、融合导航的工作步骤

机器人移动过程中，控制模组控制激光雷达模组以及前方的第二摄像机进行环境信息采集并进行解析，判断前方障碍物情况，从而决策控制转向组件、动力驱动组件作业方式，实现对障碍物的避让；

当通过远程无线通讯设备向通讯天线发送目的地指令后，控制模组启动姿态测量单元实时检测机器人自身的运动加速度和方位角信息，推算机器人的运动轨迹；同时，控制模组还将启动差分GPS系统接收外部对机器人的定位信息进行融合补偿，提高机器人定位和导航精度，最终到达目的地；

(2)机器人环境参数采集、自动寻找火源以及自动灭火的工作过程

①机器人侦查作业时环境参数采集的工作步骤

ⅰ.当需要对现场环境参数采集时，对于高空的环境参数，控制模组控制第一红外探测器、第一摄像机和第一气体传感器作业，分别将火源现场参数进行采集并解析处理，并通过通讯模组和通讯天线将信息发送至地面站或远程指挥中心；另外，控制模组还可控制云台组件中的水平回转机构和垂向回转机构调整角度，实现高空观测组件对不同方位的高层环境参数采集监控；

ⅱ.当机器人行进，或对中低高度建筑物灭火需要参数采集时，控制模组控制第二红外探测器、第二摄像机和第二气体传感器对机器人前方的环境参数进行采集，同时也通过第三摄像机对机器人后方的参数采集；另外，根据现场对不同高度的参数采集时，控制模组还可驱动控制升降组件升降，带动第二红外探测器、第二摄像机和第二气体传感器对机器人前方不同高度的环境参数分层采集；

②机器人自动寻找火源以及自动灭火的工作步骤

ⅰ.当机器人到达火灾现场需要自动灭火救援时，此时控制模组首先启动低空观测组件对机器人前方的火灾形势研判，当着火点处于中低空域时，此时控制模组控制第二红外探测器进行着火点定位；同时，控制模组进一步控制液压泵站作业，实现对第一支撑油缸、第二支撑油缸和伸缩油缸的伸缩驱动，实现补偿平台及其上的云台组件的降低高度作业；

ⅱ.控制模组进一步控制升降组件带动第二红外探测器、第二摄像机和第二气体传感器进行高度调整；同时控制模组驱动水平回转机构和垂向回转机构转动，带动水平支架和其上的高空观测组件进行角度方位调整，实现对火源的精准探测和定位；另外，当火源位置不确定时，控制模组进一步驱动高空抬升组件进行高度调整，同时驱动水平回转机构和垂向回转机构转动，带动高空观测组件进行火源的自动寻找、定位；

ⅲ.当火源位置确定时，控制模组将现场采集的参数通过通讯模组、通讯天线发送至地面站或远程指挥中心供以决策；同时，控制模组通过观测传感系统判断灭火剂使用的类型：

当需要使用水剂灭火时，控制模组控制消防水炮中的水平角度调整机构、垂向角度调整机构进行角度调整实现定点灭火；在灭火过程中，控制模组控制喷射形态调整机构实现对水流的形态控制；

当需要使用干粉灭火时，控制模组控制启动电磁阀，依靠氮气罐内的压力将干粉罐内的干粉通过干粉管路将干粉送至干粉喷头处进行喷射灭火；

当需要使用高压细水雾灭火时，控制模组控制启动水泵组，将泡沫箱和水箱内的灭火剂进行混合并通过水雾管路送至水雾喷头处进行喷射灭火；

上述灭火过程还可进行水剂、干粉、细水雾任意两种甚至三种的组合灭火；

ⅳ.灭火完成后，控制模组控制水喷射灭火系统、干粉灭火系统、高压细水雾灭火系统停止工作，高空抬升组件回缩，机器人运动驱动至原地充电待命。

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