CN115463370A - 一种消防灭火机器人远程操作控制台 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种消防灭火机器人远程操作控制台，包括显示器、控制器和信息传输设备；所述显示器包括机器人电量显示模块、灭火剂含量显示模块、外界环境及自身温度显示模块、红外热成像报警显示模块、机器人影像显示模块、GPS定位显示模块、化学检测显示模块和速度显示模块；所述控制器包括方向控制模块、加速和减速控制模块、灭火剂喷射控制模块、化学检验分析控制模块和机器人安全自救控制模块；所述信息传输设备用于实现显示器和控制器中各模块与消防灭火机器人之间的通信。此种远程操作控制台在化工企业厂房用灭火方面具有较好的远程可操作性。
Description
技术领域
本发明属于智能控制技术领域，涉及一种化工企业厂房用消防装置，特别涉及一种消防灭火机器人远程操作控制台。
背景技术
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寻找幸存者，否则发现幸存者的几率几乎为零。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[1,2]。许多国家都在研制军用机器人、扫雷机器人、排爆机器人和消防机器人等危险作业机器人[3]。
消防机器人属于特种机器人，在应对火灾和救援的环节中发挥着关键的作用。按照消防机器人的作用类型可分为救援消防机器人、灭火消防机器人、处理场地消防机器人、勘测机器人等，按照消防机器人的控制方式分为有线控制、无限控制机器人，按照消防机器人的智能程度分为传统控制机器人、计算辅助控制机器人、智能控制机器人[4,5]。国际上一般以三个特征划分消防机器人的代别，第一代是程序控制，第二代具有感觉功能，第三代则是智能化。目前国内外已有多种功能各异的消防机器人，且已经稳步向第三代高端智能化发展[6]。消防机器人的发展从实现单一功能到实现多功能融为一身，再到发展为如今的机器人消防小队的协同作业，突显出更为高效、更为专业、质量化、一体化的性能。
在化工生产中，从原料、中间产品到成品均具有易燃、易爆、有毒、易腐蚀、放射性等危险特性，且工艺流程繁杂多样，高温、高压、深冷等不安全因素较多。如在生产加工中管理不善、用火不慎都有可能引发火灾、爆炸事故[7]。目前，消防机器人的研究大多针对于系统的开发和技术的研究[8]，如任务规划、定位技术[9]、驱动方式[10]、通信技术[11]、硬件研究[12]等。这些研究大多侧重机器人本身结构与性能的研制，缺乏对远程操作控制平台的设计研究，而控制平台的性能对机器人执行命令的准确性和效率等影响较大[13]，基于以上分析，本案由此产生。
参考文献：
[1]王京.超级间谍机器苍蝇[J].机器人技术与应用,2003,(3):20-22.
[2]李斌.蛇形机器人的研究及在灾难救援中的应用[J].机器人技术与应用,2003,(3):22-26.
[3]钱善华,葛世荣,王永胜,等.救灾机器人的研究现状与煤矿救灾的应用[J],机器人,2006,28(3):350-354.
[4]郭涛.灭火救援中消防机器人的设计选型[J],消防界,2022,8(10):56-57.
[5]谢勇.品牌消防机器人在灭火救援中的应用研究[J],品牌与标准化,2022,(4):102-104.
[6]张广泉.应急消防机器人集群协同作战展望[J],中国应急管理,2020,(10):66-69.
[7]吕彦杰.模块化消防机器人的设计及应用[J],信息系统工程,2022,(4):105-108.
[8]彭小清.消防机器人在我国灭火救援中的应用现状和前景分析[J],今日消防,2019,4(12):18-19.
[9]徐少波,王子幼.消防救援多机器人系统研究进展及关键技术综述[J],科技创新与应用,2022,9:155-157.
[10]黄小龙,郭一冉,高阳臻,等.消防机器人研究进展与分析[J],消防科学与技术,2021,10(40):1501-1504.
[11]黄秋菊.基于通信技术的多移动机器人的协调控制[D].南京:南京邮电大学,2013.
[12]李晓贤,侯健,王奔,等.消防灭火机器人控制系统的设计与研究[J],设计应用,2021,12:55-63.
[13]王树新,刘玉亮,李进华,等.腹腔微创手术机器人远程控制平台开发及实验[J],天津大学学报(自然科学与工程技术版),2015,48(12):1041-1049.
发明内容
本发明的目的，在于提供一种消防灭火机器人远程操作控制台，在化工企业厂房用灭火方面具有较好的远程可操作性。
为了达成上述目的，本发明的解决方案是：
一种消防灭火机器人远程操作控制台，包括显示器、控制器和信息传输设备；
所述显示器包括机器人电量显示模块、灭火剂含量显示模块、外界环境及自身温度显示模块、红外热成像报警显示模块、机器人影像显示模块、GPS定位显示模块、化学检测显示模块和速度显示模块；
所述控制器包括方向控制模块、加速和减速控制模块、灭火剂喷射控制模块、化学检验分析控制模块和机器人安全自救控制模块；
所述信息传输设备用于实现显示器和控制器中各模块与消防灭火机器人之间的通信。
上述灭火剂含量显示模块包括干粉、水和泡沫三种灭火剂含量的显示。
上述方向控制模块用于控制机器人前后左右移动，采用方向盘以高控制-显示比精调方式手动控制机器人左右变换方向，采用摆动式开关控制机器人前进和后退，采用加速和刹车踏板脚动控制机器人的移动和静止。
上述GPS定位显示模块采用矩形荧光显示屏。
上述机器人影像显示模块采用上下左右按钮控制摄像头的前后左右旋转，并采用矩形荧光显示屏显示现场的影像和声音。
上述化学检测显示模块包括控制大气成分的采集与分析的采集与停止按钮，以及显示大气分析结果的显示器。
采用上述方案后，化工企业厂房火灾现场环境一般较为复杂、风险因素较多，伴有大量的次生灾害，威胁人类的生命安全，因此在消防救援中初期建议采用消防机器人进行现场救援。针对这一应用场景，本发明首先提出机器人需要完成的任务，分析了操作台功能的具体需求，然后结合人因工程学等相关学科知识进行操作台的构建，最后采用校核表评价法对操作台进行评价。结果表明，所开发设计的灭火消防机器人远程操作控制平台具有较好的远程可操作性。随着时代的发展，世界进入工业4.0的信息化时代，信息化技术飞快发展，日益精进。5G等相关科学技术也迅速发展，远程操作台与机器人之间几近无延迟的信号交流传播变成了可能，这使得操作人员操作的时效性和准确率都有了极大的提升。随着科技的发展未来还会有更多更智能的设计问世，更好地服务事故现场救援工作。
附图说明
图1是方向盘的结构示意图；
图2是摆动式开关的结构示意图；
图3是刹车与加速脚踏板的结构示意图；
图4是导航显示屏的结构示意图；
图5是摄像头控制按钮的结构示意图；
图6是影音显示屏的结构示意图；
图7是红外热成像报警显示模块的结构示意图；
图8是化学检验显示屏的结构示意图；
图9是采集与停止按钮的结构示意图；
图10是机器人参数显示屏的结构示意图；
图11是灭火剂喷射控制台的结构示意图；
图12是过热保护按钮的结构示意图；
图13是工作座椅的结构示意图；
图14是整合后的方向盘结构示意图；
图15是整合后的手动控制台结构示意图；
图16是显示装置布置区域及认读效果图；
其中，(a)是仪表板的尺寸(mm)与分区：I-最佳认读区；II-一般认读区；
(b)是不同区域的正确认读时间：1-认读右半部；2-认读左半部；
图17是整合后的显示屏结构示意图；
图18是操作控制台系统的效果图；
其中，(a)是正面图，(b)是侧面图；
图19是方向盘尺寸设计图(单位为mm)；
图20是显示屏的布置图；
其中，(a)是侧面图，(b)是正面图；
图21是控制台尺寸设计图；
图22是脚踏板尺寸设计图；
图23是置物台与控制台的俯视图。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的技术方案及有益效果进行详细说明。
1操作台所需要完成的消防任务
1.1火场侦察
用于及时传输火灾现场的影音信息。
1.2化学检验
在化工生产中，产生火灾的情况多样，且往往伴随着产生有毒气体，需要进行大气成分检测分析，检查火灾中产生的有毒气体，提前研究判断产生火灾的可能原因，保障被困人员和消防人员的生命安全健康。
1.3火源扑灭
结合上述两个任务提供的信息，分析火灾的严重情况和现场的毒性及危险性，为机器人灭火或人与机器人协同灭火提供决策依据，针对不同情况引发的火灾，采用干粉灭火、水箱灭火或泡沫灭火三种形式快速准确地控制火情。
2操作台的显示和控制功能需求
基于操作台需要完成的消防任务，操作台的硬件设备需要有显示器、控制器和信息传输设备。整体上，操作台应具备的显示功能包括机器人电量显示、三种灭火剂的含量显示、外界环境及自身温度显示、红外热成像报警显示、机器人影像显示、GPS定位显示、化学检测显示和速度显示等。操作台应具备的控制功能包括方向控制、加速和减速控制、灭火剂喷射控制、化学检验分析控制和机器人安全自救控制等。具体地，各项任务对应的功能需求如下。
2.1火场侦察功能需求
(1)移动控制。控制机器人前后左右移动。
(2)位置定位。导航可视化显示机器人的具体位置。
(3)影音传输。控制摄像头的方向，高清晰地显示机器人四个方位的影像和声音。红外热成像报警提示现场存在被困人员。
2.2化学检验功能需求
成分分析。采集与停止按钮控制大气成分的采集与分析，并在显示器上显示大气分析结果。
2.3火源扑灭功能需求
(1)机器人参数显示。显示机器人能源剩余量、运行速度和灭火剂剩余量，显示环境温度和内部温度，并都附加有报警装置。
(2)灭火剂喷射。根据现场侦察和分析结果，选择喷射灭火剂的类型，并控制灭火剂的喷射流量。
(3)机器人自我保护。依据内外部温度，及时喷水降温进行自我保护。
3显示与控制方式的设计及两者布局设计
3.1火场侦察控制台设计
(1)移动控制。由于灭火过程持续时间较长，且操作人员一直处在紧张的高负荷工作状态，考虑到操作的精准性及舒适性，采用方向盘(图1)以高控制-显示比精调方式手动控制机器人左右变换方向；采用摆动式开关(图2)控制机器人前进和后退；采用加速和刹车踏板(图3)脚动控制机器人的移动和静止，加速和刹车采用左刹车右加速的位置编码与大小编码进行区分。
(2)位置定位。采用矩形荧光显示屏(图4)可视化显示机器人的导航位置。
(3)影音传输。控制摄像头的方位旋转应与控制机器人的移动进行区分，摄像头方向控制不需要特别精确，因此考虑采用上下左右按钮(图5)控制摄像头的前后左右旋转，通过矩形荧光显示屏(图6)显示现场的影像和声音，按钮布置应便于手部操作。此外，布置红外热成像报警显示(图7)。
3.2化学检验控制台设计
成分分析。如图8所示，用显示屏以文字形式展示仪器检测分析结果，布置采集和停止按钮(图9)，采集按钮开启大气成分采集与分析，并在显示器上显示大气分析结果。
3.3火源扑灭控制台设计
(1)机器人参数显示。如图10显示，用电池的图像形象表示机器人能源剩余量，以文字直观展示周围环境和机器人内部的温度，此外，设定内外部温度的阈值，超过该阈值，则启动报警闪烁信号灯；显示灭火剂剩余量；显示机器运行速度。这些功能均是反映机器人的运行状况，故放在一起，之间用虚线分割进行区分。此外，图7的红外热成像报警显示装置与这边的温度报警显示类似，可一并放置，最后，将该机器人参数显示屏放置在视觉可视区域。
(2)灭火剂喷射。如图11所示，用三个按钮启动喷射灭火剂，根据现场侦察和分析结果，选择性喷射灭火剂，用三个旋钮控制灭火剂的流量。
(3)机器人自我保护。在图11操作台上增添过热保护按钮(图12)，依据图10中的温度报警，及时喷水降温进行自我保护。
3.4其它操作平台设计
考虑灭火过程持续时间较长，且需要精细操作，因此操作平台的工作人员宜采用坐姿进行作业，参照小轿车驾驶室(图13)的设计配套可上下前后移动的座椅，市场上座椅的种类和功能齐全，可通过商业购置的方式获得，故不在本实施例设计范围内。
3.5人机系统设计
3.5.1人机界面
综上所述，所设计的灭火消防机器人远程操作控制台的人机界面包括：
(1)手与控制台的人机界面。手需要控制方向盘、摆动式开关、摄像头控制按钮、化学检验控制平台、灭火剂喷射控制台、自我保护按钮。
(2)眼与控制台的人机界面。眼需要看导航显示屏、影音显示屏、化学检验显示屏、机器人参数显示屏。
(3)脚与控制台的人机界面。脚需要控制加速与刹车踏板。
(4)耳与控制台的人机界面。耳需要听火灾现场的声音信息。
3.5.2手与控制台的人机界面设计
化学检验控制台中的采集和停止按钮(图9)仅在机器人进入火灾现场初期和过程中间断性的使用，自我保护按钮(图12)仅在温度过高的情况下才会用到，使用频率较低，在手能够触及的位置均可布置。灭火剂喷射控制台(图11)是在火灾侦察后使用，依据火情严重程度，操作持续时间不等，但是操作难度较低，布置在手易于触及的位置即可。方向盘(图1)、摆动式开关(图2)、摄像头控制按钮(图5)在整个过程中需要持续接触，使用频率极高，且需要精准操作，难度较大，因此需要布置在手最易于触及的位置。
综上，将图2和图5与图1进行整合，如图14，整合后的方向盘具备同时控制机器人和摄像头方向的作用。操作时，双手握住方向盘两侧控制机器人的行进方向，左手拇指操作摆动式开关控制机器人的前进与后退，右手拇指操作摄像头按钮控制摄像头的方向，操作过程中可同时控制机器人和摄像头，且手不需要挪动，提升了手部操作的效率和舒适度。其中，图2与图5的按钮形状不同，容易区分，且在按钮旁用文字标注提示，提升了操作的准确性。
将图9、11和12进行整合，如图15所示，三个手动控制台均为间歇性操作，可布置在一起，整体置于操作人员的右手边。
3.5.3眼与控制台的人机界面设计
导航显示屏(图4)与影音显示屏(图6)为操作人员控制机器人和摄像头提供了关键信息，整个灭火过程需要持续关注这些信息，因此需要布置在视觉辨认最佳区域。化学检验显示屏(图8)显示了火灾环境中的有毒有害气体的信息，这些信息为操作人员选择灭火剂的类型提供了依据，机器人参数显示屏(图10)及时反映了机器人的参数信息，这些信息仅在需要查看时才用到，可以布置在视觉能够看到的位置即可。根据显示装置布置区域及认读效果的研究成果(图16)，以及人眼观察事物习惯自左向右、自上而下的规律，将4个显示屏按照图17进行布置。
3.5.4人机系统
远程操作控制台左右各配有一个桌子，左边桌子用于放置操作人员需要携带的纸、笔、手机等物品，右边桌子用于放置图15的三个控制台。控制台前端需要一个可调节角度的放置4个显示屏的台面，且该控制台上还需要配备图14的方向盘。配置一个可移动可调节角度的座椅，座椅前面配置加速和刹车脚踏板。平台整体设计效果图如图18。
4操作台各部分的参数计算
参考《中国成年人人体尺寸(GB/T 10000-1988)》，将控制台设计成能够满足90％的中国18～60岁男人的使用需求，各部分的尺寸参数计算过程如下。
4.1方向盘尺寸参数计算
90百分位数对应的胸宽为307mm，依据胸宽将方向盘的直径设计为307mm。考虑手掌抓握舒适，参照汽车方向盘及公交车横杆的半径，将方向盘的抓握圆杆的直径设计为15mm。依据大拇指长及手握方向盘的活动余隙，左右两侧的方向控制按钮摆放均距离两侧方向盘10mm。90百分位数对应的前臂长、坐姿眼高、坐姿肘高为253mm、836mm和291mm，因此眼睛距离方向盘的视距为[(836-291)2+2532]1/2≈600mm。依据字符大小与视距的关系式(H＝L/200，式中：H为字符高度(cm)；L为视距(cm))，因此字符的最小高度为3mm，为了便于快速认读且方向盘表面空余面积足够多，最终将“前进”、“后退”及“摄像头”的字符高度设计成6mm。依据拇指尖的面积，左右两侧的方向控制按钮均设计成边长为10mm的正方形按钮。其它尺寸如图19所示。依据人眼在垂直面内的最优视线不是对称的(水平线上方60°，下方70°内)，且考虑操作的舒适性，将方向盘垂直方向倾斜45°放置。方向盘中心点位置在操作人员的坐姿肩高与坐姿肘高之间，按照(坐姿肩高-坐姿肘高)/2+坐姿肘高+小腿加足高的尺寸进行计算，得距离地面(631-291)/2+291+439＝900mm。
4.2显示界面尺寸参数计算
如图20所示，坐姿眼睛距离地面的高度为坐姿眼高(836mm)与小腿加足高(439mm)之和1275mm。为充分保障工作人员的舒适性，显示屏距离人眼的水平距离为坐姿下肢长，即1046mm。方向盘中心距离操作人员的水平距离为手肘到手掌心的距离，可由立姿肘高(1079mm)减去手功能高(787mm)而得，为292mm。由方向盘的直径和倾斜的角度，可计算出方向盘顶端距离地面的距离为1006mm，顶端距离人的水平距离为398mm，由此可得眼睛在垂直方向水平向下无遮挡可视的距离在707mm以内。依据双眼综合静视野在垂直方向约为130°，可知在视水平线上端1812mm和下端707mm范围内均可布置显示屏。依据双眼综合静视野在水平方向约为120°，可知在视垂直线左、右端1812mm范围内均可布置显示屏。根据图16中最佳认读区范围，最终显示屏的布置如图20所示，根据实际需求情况，显示屏的大小可适当放大和缩小。
4.3手动控制台尺寸参数计算
控制台高度。控制台布置在操作人员的右手边，控制台高度为人体坐姿肘部距离地面的高度，为坐姿肘高(291mm)与小腿加足高(439mm)之和，即730mm。
眼睛到控制台的视距。眼睛距离控制台的视距为眼睛到肘部的距离与肘部到食指的距离所围成直角三角形的斜边长。眼睛到肘部的距离为坐姿眼高与坐姿肘高的差值，即836-291＝545mm。肘部到食指的距离可由立姿肘高-手功能高+食指长度计算，即1079-787+74＝366mm。眼睛距离控制台的视距(5452+3662)1/2≈656mm。
字符高度。依据字符大小与视距的关系式(H＝L/200，式中：H为字符高度(cm)；L为视距(cm))，因此字符的最小高度为3.28mm，为了便于快速认读，最终将字符高度设计成6mm。
按钮尺寸。依据食指尖的面积，按钮和旋钮均设计成直径为10mm的圆形按钮。按钮上的采集和停止字符均为6mm，旋钮上方的刻度线和字符高度均设计成4mm。
三个控制台间用框线分开，且间隔3mm，其它尺寸见图21。
4.4脚踏板尺寸参数计算
如图22所示，操作人员脚后跟离显示屏垂直面距离为坐姿下肢长减去坐深，即1046-486＝560mm。90百分位数对应的足长为260mm，脚踏板施力部位在脚掌，因此将脚踏板固定在距离显示屏365mm处的位置，且为了施力方便与地面倾斜10°放置，脚踏板中心点离地面高度5mm。依据90百分位数对应的足宽为102mm，将刹车与加速踏板均设计成长方形，具体尺寸如图22所示。
4.5置物台尺寸参数计算
置物台布置在操作人员的左前方，靠显示屏垂直面放置。置物台高度与右手边的操作台高度一致，即730mm。台面设计成边长为500mm的方形台面。90百分位数对应的坐姿两肘间宽为473mm，考虑人的手臂活动余隙，置物台离人100mm放置，则距离显示屏中心轴线距离473/2+100≈337mm，如图23所示。
5人机系统评价
采用校核表评价法对所设计的灭火消防机器人远程操作控制台系统进行评价，分别针对信息显示、操纵装置和作业空间这三个单元设置了10、12和7个检查内容，见表1，所开发设计的灭火消防机器人远程操作控制台具有较好的远程可操作性，消防机器人的应用能有效提升消防灭火救援工作的效率，可以更好地保障广大群众及消防指战员生命安全。
表1校核表评价结果
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。
Claims (6)
1.一种消防灭火机器人远程操作控制台，其特征在于：包括显示器、控制器和信息传输设备；
所述显示器包括机器人电量显示模块、灭火剂含量显示模块、外界环境及自身温度显示模块、红外热成像报警显示模块、机器人影像显示模块、GPS定位显示模块、化学检测显示模块和速度显示模块；
所述控制器包括方向控制模块、加速和减速控制模块、灭火剂喷射控制模块、化学检验分析控制模块和机器人安全自救控制模块；
所述信息传输设备用于实现显示器和控制器中各模块与消防灭火机器人之间的通信。
2.如权利要求1所述的消防灭火机器人远程操作控制台，其特征在于：所述灭火剂含量显示模块包括干粉、水和泡沫三种灭火剂含量的显示。
3.如权利要求1所述的消防灭火机器人远程操作控制台，其特征在于：所述方向控制模块用于控制机器人前后左右移动，采用方向盘以高控制-显示比精调方式手动控制机器人左右变换方向，采用摆动式开关控制机器人前进和后退，采用加速和刹车踏板脚动控制机器人的移动和静止。
4.如权利要求1所述的消防灭火机器人远程操作控制台，其特征在于：所述GPS定位显示模块采用矩形荧光显示屏。
5.如权利要求1所述的消防灭火机器人远程操作控制台，其特征在于：所述机器人影像显示模块采用上下左右按钮控制摄像头的前后左右旋转，并采用矩形荧光显示屏显示现场的影像和声音。
6.如权利要求1所述的消防灭火机器人远程操作控制台，其特征在于：所述化学检测显示模块包括控制大气成分的采集与分析的采集与停止按钮，以及显示大气分析结果的显示器。
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