JP6738818B2 - 消防士訓練ユニット - Google Patents

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Description

本発明は、一般に、消防士の訓練のための機材に関し、より詳細には、危険な環境で消防士が経験する現実世界の状況をシミュレーションする消防士訓練機材に関する。
消防士訓練は、典型的には、費用がかかりかつ危険を伴う可能性のある課題である。指導者が火災を安全な形で再現できないことが原因で、訓練環境で体験される現実性が著しく限定されることがしばしばである。
高額な高温火災訓練用プロップ(hot fire training prop)には高い需要があるが、このような高温火災訓練用プロップは、訓練用に作成された1つのシナリオの再現に限られることが多い。したがって、消防士訓練は、消防士訓練生に提示されるシナリオの種類が限定されるため、作り出されたシナリオに訓練生が慣れるにつれて、訓練の価値が減少してしまう。そのようなプロップはまた、訓練領域に水を供給するための「消防ポンプ車」として知られる訓練用車両の使用が必要とされるため、消火活動機材の前線のノズルに位置する消防士に訓練の機械を提供するために、全体として多くの人力が必要とされる。
内部の構造的な消火活動における前線の消防士のための呼吸装置の使用は、ホース・ラインを引き摺ること、破壊および侵入用道具ならびに他の消火活動用ツールを運ぶことと相まって、煙、火の活動、および構造全体が崩壊する可能性が加わることにより、著しく複雑なものとなる。活動期間後に消火活動により感じられる肉体的な努力および疲労は、訓練環境では体験できないことが多い。
シミュレーション体験を最適化するために、高度の現実感を提供しながらも、比較的低コストで、展開が容易で、かつ多数の訓練環境に適応可能な消防士訓練機材を開発することが、現在必要とされている。既知の消防士訓練機材の1つまたは複数の欠点もしくは不都合さを改善または克服する訓練機材を提供することも望ましい。
本発明の1つの態様は、ホースと、消火液を吐出するためにホースの一端に接続された液体噴射口とを含む消火システムの使用をシミュレーションするための消火活動訓練ユニットであって、リールと、ユーザ操作可能なノズルと、リールとユーザ操作可能なノズルとにそれぞれ取り付けられた両端部を有し、少なくとも部分的にリールの周りに巻かれており、第1の回転方向へのリールの回転によりリールから繰り出される柔軟な細長部材と、細長部材をリールに巻き付けさせる、第1の回転方向とは反対の第2の回転方向にリールを駆動するように構成されたモータと、消火システムの1つまたは複数のシミュレーションされる動作状態に対応する1つまたは複数の出力信号を提供するための、1つまたは複数のデバイスと、リールに対して第2の回転方向にトルクを印加して消火システムの動作中にホースに印加される力をシミュレーションするように、1つまたは複数の出力信号に応答してモータを駆動するように構成された、制御装置と、を含む、消火活動訓練ユニットを提供する。
1つまたは複数の実施形態では、動作状態のうちの1つは消火システムから吐出されるある液体流量を有する液体流れであり、デバイスのうちの1つは、液体流量を選択するための流量セレクタである。
1つまたは複数の実施形態では、動作状態のうちの1つは、液体噴射パターンであり、デバイスのうちの1つは、液体噴射パターンを選択するための液体噴射パターン・セレクタである。
1つまたは複数の実施形態では、動作状態のうちの1つは消火システムにおいて消火液を吐出するためのノズル作動であり、デバイスのうちの1つは、ノズル作動検出器である。
便宜上、上述のデバイスのうちのいずれか1つまたは複数は、ユーザ操作可能なノズルに取り付けられてもよい。
1つまたは複数の実施形態では、動作状態のうちの1つは、リールの回転的繰り出しであり、デバイスのうちの1つは、リールの回転的繰り出し速度を検出するための回転速度検出器である。便宜上、回転速度検出器は、リールに結合されたエンコーダであってもよい。
1つまたは複数の実施形態では、モータによって印加されるトルクは、制御装置によりアクセス可能な構成データに依存する。この構成データは、流体圧力、細長部材の構成、細長部材の長さおよび面のうちのいずれか1つまたは複数を含むこととしてもよい。
1つまたは複数の実施形態では、デバイスのうちの1つは、消防士訓練ユニットの使用中に画像データをキャプチャし、ユーザ操作可能なノズルに取り付けられる。
1つまたは複数の実施形態では、細長部材は、柔軟な中空チューブであり、キャンバス、プラスチック、ゴム、または消火活動用ホースの組立に典型的に使用される他の材料から作られることとしてもよい。
1つまたは複数の実施形態では、消防士訓練ユニットは、1つまたは複数のデバイスと制御装置との間でデータを送信するために中空チューブ内で1つまたは複数のデバイスと制御装置との間に延在する電気ケーブルをさらに含む。
1つまたは複数の実施形態では、消火訓練ユニットは、流体供給源と、中空チューブの少なくとも一部分を膨張させて消火システムのホースの加圧状態をシミュレーションする流体供給源に結合された少なくとも1つの膨張デバイスとをさらに含むこととしてもよい。便宜上、流体供給源は、加圧空気容器であってもよい。この場合、膨張デバイスは、例えば、中空チューブの少なくとも一部分内に延在する送気管であってもよい。
1つまたは複数の実施形態では、消防士訓練ユニットは、ユニットを床などの支持面に固定するための1つまたは複数のクランプを含む。
1つまたは複数の実施形態では、制御装置は、処理装置と、モータによって印加されるトルクの算出およびトルクの印加を処理装置に行わせるためのプログラム命令を記憶する、非一過性のコンピュータ可読媒体と、を含むこととしてもよい。
本発明の別の態様は、前述の防士訓練ユニットを作動させる方法を提供し、この方法は、1つまたは複数のデバイスから1つまたは複数の出力信号を受信し、出力信号が、シミュレーションされる消火システムの1つまたは複数のシミュレーションされる動作状態に対応する、ステップと、リールに対して第2の回転方向にトルクを印加して消火システムの動作中にホースに印加される力をシミュレーションするように、1つまたは複数の出力信号に応答してモータを駆動するステップと、を含む。
消火訓練ユニットは、ベース・ステーションを備えることができ、ベース・ステーションには、リール、モータ、および制御装置が配置され、また、ベース・ステーションから、細長部材およびノズルがリールから繰り出されることとしてもよい。ベース・ステーションは、流体供給源および膨張デバイスが設けられるのであれば、これらをさらに含むことができる。
モータは、ACまたはDCの電気モータであってもよく、または、ガソリン・モータもしくはディーゼル・モータであってもよい。
次に、添付の図面を参照しながら、単に非限定的な例として、本発明の好ましい実施形態を説明する。
本発明の1つの実施形態による消防士訓練ユニットの斜視正面図である。 図1の消防士訓練ユニットの斜視側面図である。 消防士訓練ユニットの一部を形成する細長部材およびユーザ操作可能なノズルをさらに詳細に示す、図1および2の消防士訓練ユニットの概略図である。 図1から3に示された消防士訓練ユニットの一部を形成するホース・リールおよび空気圧縮機に接続されたサーボモータの動作を制御するために使用される、センサおよびサーボ制御回路の概略図である。 図4に示されたサーボ制御回路の一部を形成する制御装置により実行される様々なデータ処理ステップを示すフローチャートである。 ユーザによる消火活動シミュレーション行為に使用されているときの、図1および2に示された消防士訓練ユニットの斜視図である。
図1および2を参照すると、シミュレーションされた危険状況における消防士の訓練に使用される消防士訓練ユニット10が示されている。消防士訓練ユニット10は、リール14が内部に取り付けられるハウジング12を含む。柔軟なホース16、または他の柔軟な中空チューブもしくは他の柔軟な細長部材がリール14に巻き付けられる。図1および2に示された実施形態では、ホースは、消火の際に消防士に通常使用されているホースと同一の材料から作られている。しかし、この実施形態では、水または他の消火流体がホース内部で加圧され、ホースから吐出されることを必要としないため、本発明の他の実施形態では、異なる中空のまたは中実の細長部材を使用することとしてもよい。
消防士訓練ユニット10は、リール14を1つの回転方向に駆動するように構成されたモータ18と、モータ18を駆動するように構成されたサーボ制御回路20とをさらに含む。消防士訓練ユニット10はまた、細長部材16の一端に取り付けられるかまたは固定された、ユーザ操作可能なノズル22を含む。
消防士訓練ユニット10が使用される環境によっては、シミュレーション中の消防士訓練ユニット10の横移動を防ぐために、磁気クランプ23または同様の固定デバイスにより消防士訓練ユニット10が搭載される支持面に消防士訓練ユニット10を固定すると都合が良い。
消防士訓練ユニット10はまた、加圧空気の容器24、および圧縮機26を含む。図3で最も良く分かるように、この例示的な実施形態では、送気管28が、ホース16の内側の中空スペース内で、ノズル22とリール14との間に延在する。加圧容器24および圧縮機26は、消火活動シミュレーション中にホースを膨張させるために、ホース16の内部に加圧空気を供給する働きをする。その点に関して、送気管28は、加圧空気が送気管からホース16の内部に吐出されるのを可能にするために、送気管28の長さに沿って延びる一連の開口部(図示せず)を含むことができる。
消火活動訓練ユニット10はまた、シミュレーションされる消火システムの1つまたは複数のシミュレーションされる動作状態に対応する1つまたは複数の出力信号を提供するための、1つまたは複数のデバイスを含む。
それらのデバイスのうちの1つまたは複数は、シミュレーションされる消火システムから吐出される水または他の流体の液体流量、所望の噴射パターンを選択するための、ユーザ操作可能なセレクタである。さらに、デバイスのうちの1つまたは複数は、ユーザの別の行動、例えば、液体を吐出するためのノズル22に配置されたゲート弁のユーザによる作動を検出する。現実世界の消火システムでは、ユーザにより作動される閉位置から開位置へのゲート弁(図3のゲート弁34参照)の移動により、消火システムのホースから水が吐出される。
便宜上、そのようなデバイスは、図1から3に示された例示的な実施形態では、ノズル22に取り付けられる。流量セレクタ30および噴射パターン・セレクタ32のどちらも、ノズル22のバレルの周りに取り付けられたリングから形成されてもよい。リングには、オペレータにより各リングが配置される角度位置を検出するために、エンコーダまたは工業用アナログ電位計が取り付けられる。ゲート弁位置検出器40(図4参照)は、ノズル22内に収容される単純なスイッチであってもよく、ゲート弁34または同様の機構がオフ位置からオン位置へと矢印36の方向に動かされたときに動作可能である。電気ケーブル38が、データ送信のために、ホース16内で噴射パターン・セレクタ32と流量セレクタ30およびゲート弁位置検出器40と制御装置20との間に延在する。
図4から分かるように、噴射パターン・セレクタ30および流量セレクタ32は、オペレータにより選択された噴射パターンおよびオペレータにより選択された流量にそれぞれ対応する出力信号を制御装置39に提供する。ゲート弁位置検出器40により検出されたゲート弁位置は、別の出力信号として制御装置39に提供される。制御装置38にさらなる出力信号を提供するために、デッドマン・スイッチまたは他の作動検出器42がノズル22に含まれてもよい。この場合、さらなる出力信号は、ユーザによるノズルの把持を示すものである。
図4から分かるように、モータ20は、リール14のハブ42に接続され、ホース16はそのハブ42の周りに巻かれている。モータ20の動作は、サーボ増幅器42からの電流により制御され、サーボ増幅器42は、制御装置39により制御される。エンコーダ46が、モータ20に結合されて、リールの回転速度を示す制御装置への位置フィードバック信号を、制御装置39に提供する。この点に関して、制御装置39の一部として計数器48が設けられ、エンコーダ46から受信されるパルスの周波数は、リール14の回転速度を示す。
1つまたは複数の実施形態では、細長部材16がリール14から出て行くのを制限するために、動的荷重47がモータ20に結合される。動的荷重47は、ハードウェア・レベルにおいて増速力または前進力の伝達に役立ち、ユーザが細長部材16を過度に速く引っ張った場合に電子装置に損害を与える可能性を減少させる。細長部材16を過度に速く引っ張ることは、有害な電圧をシステムにもたらす発電機のような影響を生じさせる。動的荷重47は、モータ20を越えて並列接続された抵抗を含む。
同様に、空気圧縮機26は、送気管28内の空気を加圧してホース16を膨張させるために、ホース16の一端に結合される。空気圧縮機26は、サーボ増幅器50からの電流により制御され、サーボ増幅器50は、制御装置39により制御される。
入力/出力回路52が、ゲート弁位置検出器40、流量セレクタ32、噴射パターン・セレクタ30、およびハンドル作動検出器42からの出力信号を受信するために、制御装置39の一部として設けられる。さらに、デジタル通信リンク54が、サーボ増幅器44および50に制御信号を送信するために、制御装置39の一部として設けられる。
制御装置39は、処理装置56と、本明細書で説明される様々な計算の実行およびデジタル通信リンク54からサーボ増幅器44および50に送信される制御信号の生成を制御装置に行わせるプログラム命令を記憶するリード・オンリー・メモリ(ROM)または他の非一過性のコンピュータ可読媒体58とを含む。処理装置56は、その様々な動作を行うに当たって、構成データ62および1つまたは複数のルックアップ表64を含む、揮発性メモリ60に記憶されたデータを使用する。
ゲート弁位置検出器40、流量セレクタ32、噴射パターン・セレクタ30、ハンドル作動検出器42、およびエンコーダ46は、現実世界の消火システムの1つまたは複数のシミュレーションされる動作状態に対応する1つまたは複数の出力信号を提供するために消防士訓練ユニット10の一部を形成するデバイスの例にすぎないことが、理解されるであろう。
別の例示的なデバイスは、ノズル22に都合良く取り付けることができるカメラ66(図6で最も良く分かる)である。カメラ66は、消火活動訓練ユニットの周囲の環境からキャプチャされた画像に対応する出力信号を制御装置39に提供する。このキャプチャされた画像のデータは、消防士訓練ユニット10の一部を形成する様々なデバイスからの他のデータ(選択された噴射パターンなど)と一緒に、より没入できる訓練体験を提供するために訓練中の消防士に提示される表示画面に組み込まれるように、バーチャル・リアリティ・システムに提供される。検出器32、30、40、および42と同様に、ノズルに取り付けられたカメラ66と制御装置39との間の接続が、ホース16内でノズル22と制御装置38との間に延在する電気ケーブル38により提供される。
他の例示的なデバイスには、慣性測定ユニット67、および赤外線追跡ユニット69が含まれる。慣性測定ユニット67は、ユーザ操作可能なノズル22からの水の噴流の正確な表示がバーチャル・リアリティ・システムにより生成されるように、加速度計とジャイロスコープの組合せ、また場合により磁力計を使用して、シミュレーション中のユーザ操作可能なノズル22の姿勢および向きを追跡することを含む。
赤外線追跡ユニット69は、赤外線受容能力および赤外線伝送能力を有するヘッドを含む。そのようなユニットは、指導者が例えば様々な火災のタイプを区別するために訓練環境内の壁または他の表面上に単純な能動マーカを使用することを可能にする。
いくつかの実施形態では、電気ケーブル38を用いず、ワイヤレス伝送/受信デバイス71および73を設けることで、制御装置39とノズルに取り付けられた様々なデバイスとの間の通信を可能にすることとしてもよい。
使用に際して、ユーザがノズル22を把持して消防士訓練ユニット10から離れる方向に移動すると、ホース16によりリール14に印加される力により、ホースをリールから繰り出すように、1つの回転方向にリール14が回転される。制御装置は、リール14に対して反対の回転方向にトルクを印加し、それにより現実世界の消火システムの動作中にホース16に印加される1つまたは複数の力の合計をシミュレーションするために、構成データ(シミュレーションされる消火システムの動作パラメータ、および必要とされる様々な他のパラメータを定める)を考慮に入れて、制御装置39において受信された様々な出力信号に応答してサーボモータ20を駆動する。
図5は、現実世界の消火システムのホースに印加される様々な力の合計をシミュレーションするためにリール14に対する適切なトルクの計算および印加において、制御装置39により実行される様々なステップを示すフローチャートを示す。消防士訓練ユニット10および制御装置38がステップ80において使用可能とされた後、制御装置39は、まず、ステップ82において構成データ62にアクセスする。構成データ62は、流体圧力、ホース構成、ホース直径、ホースの長さ、床面特性(消防士が体験する摩擦力を判定するため)、および安全パラメータとしてサーボモータ20により生成される最大限の力/トルクのうちの、いずれか1つまたは複数を含む。
この構成データ62は、オペレータ制御パネル(図示せず)を介して構成されてもよい。すべての選択は、様々なタイプの消火システムをシミュレーションするために、1つまたは複数の異なる構成データの群からなされてもよい。
ステップ84において、制御装置39は、デッドマン・スイッチ42により提供される出力信号からハンドル作動を検出することにより消防士の存在を判定する。ハンドル作動が検出された場合、制御装置39は、ステップ86において、送気管28を利用して空気圧縮機36にホース16を膨張させる。
リール14に印加すべきトルクの値を決定する前に、制御装置39は、まず、ノズル22の周りに取り付けられた噴射パターン・セレクタ30の一部を形成するエンコーダまたは工業用アナログ電位計の位置、および、同じくノズル22に取り付けられた流量セレクタ32のエンコーダまたはアナログ電位計の位置を検出する(ステップ88)。これら2つの選択がステップ88において行われると、制御装置39は、ルックアップ表64に記憶された情報にアクセスし、ステップ90において、現実世界の消火システムのノズルに印加される噴流反力(ノズル反力とも呼ばれる)を計算する。
さらに、ステップ92において、制御装置39は、ノズル22を保持している消防士がリール14から離れる方向に移動しているかどうかを判定する。移動している場合、制御装置38は、ステップ94において、ルックアップ表64にアクセスして、構成データにより識別されたタイプの床面上でホース全体を引きずるのに必要とされるであろう牽引(セットアップ)力を判定する。噴流反力90および牽引/摩擦力94が計算されると、これら2つの力は、制御装置39により合計され、ステップ96において、サーボモータ20に、リール14から離れる方向に移動する消防士によりもたらされるのとは反対の回転方向に、リール14にトルクを印加させるために、サーボ増幅器44に信号が送信される。
消防士が停止し、制御装置39が、エンコーダ46により提供されるパルスからリール回転速度がゼロまで低下したことを検出すると、制御装置38は、モータ20により印加される力から、ステップ94において計算された牽引/摩擦力を除去する。
選択される流量および噴射パターンは、計算される噴流反力に影響を与えることが、理解されるであろう。簡単に言うと、方向性のある流体の噴流は、霧状またはより分散した噴射パターンよりも強い噴流反力を生成することになり、一方で、より多い流量は、より少ない流量よりも多い噴流反動流量を提供することになる。より高いポンプ圧力(構成データの一部)もまた、噴流反力に影響を与え、圧力が高いほど、より強い力が生成される。より大きいホース直径もまた、より多い流量を可能にし、このこともまた、噴流反力の計算に影響を与える。
種々の実施形態において、指導者が消防士訓練ユニット10のユーザのリアルタイム体験を制御することを可能にするために、監視コンピュータ100が、USB、イーサネット(登録商標)、ワイヤレスの、または他の適切な通信手段により制御装置20に接続されることとしてもよい。
最後に、本明細書に添付される特許請求の範囲において定められる本発明の趣旨または範囲から逸脱することなく、様々な修正および/または追加が上述の実施形態になされることが、理解されるべきである。

Claims (18)

  1. ホースと、消火液を吐出するための液体噴射口とを含む消火システムの使用をシミュレーションするための消防士訓練ユニットであって、
    リールと、
    ユーザ操作可能なノズルと、
    前記リールと前記ユーザ操作可能なノズルとにそれぞれ取り付けられた両端部を有し、部分的に前記リールの周りに巻かれており、第1の回転方向への前記リールの回転により前記リールから繰り出される柔軟な細長部材と、
    前記細長部材を前記リールに巻き付けさせる、前記第1の回転方向とは反対の第2の回転方向に前記リールを駆動するように構成されたモータと、
    前記消火システムの1つまたは複数のシミュレーションされる動作状態に対応する1つまたは複数の出力信号を提供する1つまたは複数のデバイスと、
    前記リールに対して前記第2の回転方向にトルクを印加して前記消火システムの動作中に前記ホースに印加される力をシミュレーションするように、前記1つまたは複数の出力信号に応答して前記モータを駆動するように構成された、制御装置と、を含む、消防士訓練ユニット。
  2. 前記動作状態のうちの1つは、前記消火システムから吐出されるある液体流量を有する液体流れであり、前記デバイスのうちの1つは、前記液体流量を選択するための流量セレクタである、請求項1に記載の消防士訓練ユニット。
  3. 前記動作状態のうちの1つは、液体噴射パターンであり、前記デバイスのうちの1つは、前記液体噴射パターンを選択するための液体噴射パターン・セレクタである、請求項1または2に記載の消防士訓練ユニット。
  4. 前記動作状態のうちの1つは、前記消火システムにおいて前記消火液を吐出するためのノズル作動であり、前記デバイスのうちの1つは、ノズル作動検出器である、請求項1から3のいずれか一項に記載の消防士訓練ユニット。
  5. 前記デバイスのうちのいずれか1つまたは複数が、前記ユーザ操作可能なノズルに取り付けられる、請求項1から4のいずれか一項に記載の消防士訓練ユニット。
  6. 前記動作状態のうちの1つは、前記リールの回転的繰り出し速度であり、前記デバイスのうちの1つは、前記リールの前記回転的繰り出し速度を検出するための回転速度検出器である、請求項1から5のいずれか一項に記載の消防士訓練ユニット。
  7. 前記回転速度検出器が、前記リールに結合されたエンコーダである、請求項6に記載の消防士訓練ユニット。
  8. 前記モータによって印加される前記トルクが、前記制御装置によりアクセス可能な構成データに依存する、請求項1から7のいずれか一項に記載の消防士訓練ユニット。
  9. 前記構成データが、
    流体圧力、細長部材の構成、細長部材の直径、細長部材の長さおよび床面のうちのいずれか1つまたは複数を含む、請求項8に記載の消防士訓練ユニット。
  10. 前記デバイスのうちの1つは、前記消防士訓練ユニットの使用中に画像データをキャプチャし、前記ユーザ操作可能なノズルに取り付けられる、請求項1から9のいずれか一項に記載の消防士訓練ユニット。
  11. 前記細長部材が、柔軟な中空チューブである、請求項1から10のいずれか一項に記載の消防士訓練ユニット。
  12. 前記1つまたは複数のデバイスと前記制御装置との間でデータを送信するために前記中空チューブ内で前記1つまたは複数のデバイスと前記制御装置との間に延在する電気ケーブルをさらに含む、請求項11に記載の消防士訓練ユニット。
  13. 流体供給源と、
    前記中空チューブの少なくとも一部分を膨張させて前記消火システムの前記ホースの加圧状態をシミュレーションする、前記流体供給源に結合された少なくとも1つの膨張デバイスと、をさらに含む、請求項11に記載の消防士訓練ユニット。
  14. 前記流体供給源が、加圧空気容器である、請求項13に記載の消防士訓練ユニット。
  15. 前記膨張デバイスが、前記中空チューブの少なくとも一部分内に延在する送気管である、請求項14に記載の消防士訓練ユニット。
  16. 前記消防士訓練ユニットを支持面に固定するための1つまたは複数のクランプをさらに含む、請求項1から15のいずれか一項に記載の消防士訓練ユニット。
  17. 前記制御装置が、
    処理装置と、
    前記モータによって印加される前記トルクの算出および前記トルクの印加を前記制御装置に行わせるためのプログラム命令を記憶する、非一過性のコンピュータ可読媒体と、を含む、請求項1から16のいずれか一項に記載の消防士訓練ユニット。
  18. 請求項1から17のいずれか一項に記載の消防士訓練ユニットを作動させる方法であって、
    前記1つまたは複数のデバイスから1つまたは複数の出力信号を受信し、前記出力信号が、前記シミュレーションされる消火システムの1つまたは複数のシミュレーションされる動作状態に対応する、ステップと、
    前記リールに対して前記第2の回転方向に前記トルクを印加して前記消火システムの前記動作中に前記ホースに印加される前記力をシミュレーションするように、前記1つまたは複数の出力信号に応答して前記モータを駆動するステップと、を含む、方法。
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