多功能履带式无人地面救援消杀车模型的设计

摘 要：目前市面上常见的救援设备有消防车、救援无人机、消毒弥雾机等，或人机不分离、或续航载荷受限、或功能单一，危险系数高，因此救援安全隐患大，人员伤亡比例高。面对日趋严峻和复杂的救援任务，如何实现人机分离、高效救援，功能完备、有效预警和侦测等显得尤为重要。通过对多功能履带式救援消杀车框架、机械结构、电气系统以及负载的设计研究进行详细论述和功能测试，测试结果表明，本设计有效解决了救援过程中人机不分离、功能单一、受环境局限等难题，该地面救援消杀车既能应用于救援，也可用于农业生产，社会效益和经济效益较大。

关键词：履带式；多功能；滑轨；智慧救援；无线传输；人机分离

中图分类号：TP39；TH6 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2024）04-0-02

DOI：10.16667/j.issn.2095-1302.2024.04.036

0 引 言

当前，一线救援人员面临着日益复杂的灭火救援和社会救援形势，在各类灾后抢险的过程中，传统救援工具的局限性日益凸显。传统的消防车都是在通用汽车底盘、电动车或摩托三轮车的基础上加装消防器材，携带消防水源和救援器材等进行改进，往往只能在特定的工作场景中执行救援任务，人机不分离、不具备多功能化和智能化特征。救援无人机实现了人机分离，但是续航能力和载荷能力受限[1]。

根据我国目前小型消防应急救援车的发展现状，综合分析新时期的用户需求和技术水平的提升状况，小型消防应急救援车向高机动、多功能和高效化方向发展是未来趋势。因此，多功能无人地面救援车具有一定的研究价值和社会意义，能够为实现在最短时间内安全救出伤员提供必要的技术手段。另外，在矿山、燃气、电力、化工等领域的抢险过程中，需要救援设备代替救援人员进入现场实施救援，无人地面救援车正是一种能够在很大程度上保证人员安全的重要救援装备[2]。

1 总体设计

1.1 设计框架

通过调研，总结出拟解决的关键问题包括：常规底盘设计不能够适应复杂路况的问题；常规控制系统不能够解决人车分离的问题；常规设计不能够满足多种任务切换的问题[3]。

为了解决以上问题，综合设计了小型多功能无人地面救援消杀车的电气系统和机械系统，包括：履带式行走单元，以适应灾后复杂恶劣行走环境；无线图像传输系统，可以从不同角度、不同距离进行现场环境侦查，为救援提供可靠现场信息；多功能模块化负载，可实现方便快捷切换，满足不同需求的救援任务和消杀场景需求[4-5]。

设计思路和路线如下：

（1）根据救援车实现功能的任务要求，画出系统原理框图，并进行进一步优化，争取做到在满足设计要求的前提下，降低技术难度与成本，使产品更节能、环保。

（2）根据最优方案进行分步机械结构部件的图纸绘制与加工，调试优化再加工，做到精度高、误差小，功能实现流畅。

（3）根据最优方案选择电气器件及电子元件，合理选取器材型号及参数，达到系统的良好匹配，进行电路控制器的设计制作。

（4）系统的装配与调试。完成传感器、机械部件的相对位置装配，将人机界面与控制器正确连接，并进行可靠编程，实现检测、可视化控制等功能。

（5）系统调整：根据实验实训调试结果调整传感器灵敏度等。

1.2 机械设计

模型机械系统的设计主要包括履带行走单元装置、水平回转舵机、云台俯仰舵机和滑轨。救援车使用履带行走装置，可以增强救援车的适用性，适应更复杂的路面环境，如泥泞地面、雪地等；救援车还可以完成原地掉头等动作。水平回转舵机固定在车体上，输出轴通过舵盘连接在回转平台上。云台俯仰舵机通过支架固定在回转台上，外壳在舵机底部。负载部分和车体之间的连接采用滑轨实现，方便外置负载快速切换[6]。

履带式小车底座主体的两侧设置有履带轮，履带式小车底座主体的顶端表面设置有防护机构，防护机构包括固定板，固定板表面有连接柱，且连接柱远离固定板的一端插设有安装块，安装块底端表面有连接块，且连接块远离的表面焊接有缓冲弹簧，缓冲弹簧的内部插设有导向柱，导向柱两端固定连接防护框，防护框内部通过轴承安装转动辊，连接柱的侧面设置有组装机构[7]。车体示意图如图1所示。

1.3 电气设计

为实现更稳定、更精确的远程动作控制，采用飞行器模型的无线电遥控装置，其主要利用2.4 GHz短距离无线传输技术。发送系统为标准航模遥控器，接收系统为输出

1 000～2 000 μs占空比信号的接收机；动力系统由电源、电机、电调等模块构成[8]。

本车采用一颗370三级行星减速电机为履带提供动力，电机的调速采用一片13A双路双向有刷电调，舵机云台采用两个MG995舵机，扭矩为13 kg/cm，控制部分采用标准航模遥控器，接收机输出1 000～2 000 μs占空比信号，市面上大多数电调/舵机都可以使用。本车还安装有继电器，可以用作较大工作电流的外部负载控制，供电系统采用一个

8.4 V降压模块，一个5 V降压模块以及一个3.3 V降压模块，分别为外部负载、舵机、接收机、图传以及摄像头供电。主电源采用一块3S（11.1 V）2 200 mA·h电池，动力系统采用电池供电。模型动力系统组成如图2所示。

1.4 负载设计

为满足传统的清障救援任务、灭火任务、防疫消杀等任务需求，设计了多种负载，负载之间通过滑轨切换[9]。滑轨示意图如图3所示。

1.4.1 机械臂

机械臂主要包括大臂、小臂以及抓手，其中机械臂的动力主要以90°金属齿舵机提供。大臂下端直接连接到车身舵机云台的滑轨上，大臂的回转运动以及俯仰运动由舵机云台提供动力。小臂后端连接在大臂的上端，小臂前端连接抓手部分。小臂的控制采用平行四边形机构，结合舵机完成抬升和下降动作。抓手可以进行上抬、下降、左右滚转，具有抓取功能，抓手上抬、下降结构与小臂控制类似，将180°舵机连接在上抬、下降结构后方，舵机输出轴连接抓手以实现左右各90°的滚转控制。通过平行四边形机构和齿轮的传动控制抓手的松开和抓取动作[10]。

1.4.2 灭火弹发射系统

发射系统中的滑轨设置了两组，两组滑轨之间还设置有舵机云台，舵机云台的两端皆安装有滑轮，且滑轮延伸至滑轨内部，舵机云台的上端一侧设有限位机构和安装块。安装块的上端设有转动块，转动块上端设有安装座，安装座上端设有发射器，发射器上端设有激光瞄准器，发射器内部设置有灭火弹。通过设置有限位机构，可以对舵机云台的位置进行调节，从而调节发射器的位置，使灭火弹的发射更加精准。同时，对舵机云台调节后的位置进行限定，避免舵机云台在发射灭火弹后的后坐力影响灭火弹的准确性，进一步提高了灭火弹发射的准确性，使灭火弹的使用效果更好。

1.4.3 喷洒系统

喷洒系统包括药箱、蓄料槽和水槽。药箱的顶端分别安装有蓄料槽与水槽，蓄料槽的底端内部插设有限位块，且限位块的底端连接定量机构。定量机构包括第一转动杆，第一转动杆的中心位置处固定套设有转轮，转轮左侧表面啮合有拉杆，拉杆正面与背面对称连接有滑杆，滑杆底端表面对称固定连接有弹簧。药箱内部中心位置通过轴承安装第二转动杆，第二转动杆的表面固定套设叶轮，药箱左侧内部固定安装第二挡板，右侧内部安装第一挡板。

2 模型测试结果

在比较和实证基础上开展设计研制工作，在研究过程中运用文献研究、设备系统分析、企业调研、经验总结等，借助实现手段，对无线电系统、机械臂系统等工作原理做深入分析。结合分析基础，分别设计并利用3D打印对履带式机械外壳、机械臂、喷洒系统、灭火弹发射系统进行加工。组装试制阶段，将无线电遥控系统应用到系统中，并改进不合理的部分。通过对机械构造和电气功能进行反复测试，最终设计研制出了多功能救援消杀车样机，并对整机进行充分测试，测试结果显示可以实现诸多功能。

（1）人机分离，安全保障

多功能履带式无人地面救援车采用无线电遥控装置和无线图像传输系统，具备很好的自主控制、图像传输能力，能够有效实现人机分离。

（2）负载切换，功能齐全

多功能履带式无人地面救援车现阶段提供3种负载，能够通过滑轨轻松切换。

（3）履带行走，机动灵活

多功能履带式无人地面救援车外观核心为履带式行走单元，较传统轮式行走单元而言，封闭的链条配合主动轮、从动轮的高度和距离，更能适应雪地、沟壑等户外救援环境。

3 结 语

本文对救援消杀车的总体设计进行了描述，测试结果显示，该设计的行走性能、负载切换模块性能和负载性均可较好实现。调查显示，全国范围内安全监管、安全服务、安全技术应用人才和设备缺口大，面对日益复杂的灭火救援和社会救助任务，在应对各类地震救援、抗洪抢险等方面，多功能救援消杀车有着广阔的应用前景。

参考文献

[1]刘培桐，詹志远，曾齐高，等.基于电池供电的便携式救援车的设计—以第44届世界技能大赛制造团队挑战赛产品为例[J].机电工程技术，2023，52（2）：216-224.

[2]彭强，李林泽.地震救援车[J].机械设计，2023，40（1）：164.

[3]廖海龙，马涛，冯淑湘，等.基于阿里云和树莓派的无人勘探救援车设计与实现[J].物联网技术，2022，12（1）：81-84.

[4]李嵇扬，冉滔，滕金城，等.地震救援车/产品设计[J].装饰，2021，64（5）：145.

[5]门书洋，李欣睿.抢险救援车造型设计[J].机械设计，2020，37

（11）：145.

[6]王恒，李迎武，张国仙.多功能抢险救援车回转系统设计及试验研究[J].液压气动与密封，2020，40（11）：10-13.

[7]张勇，孙占瑞，董鲁波.狭小地域消防应急救援车研发[J].工程机械，2020，51（6）：28-32.

[8]朱斐然.救援车辆的造型设计与功能探究[J].设计，2020，33（7）：132-134.

[9]张建明，栾学涛，沈友祥，等.多功能消防救援车[J].科技创新导

报，2020，17（1）：65.

[10]杨清翔，秦文光.多功能破障救援车结构及控制系统设计[J].煤炭技术，2019，38（12）：176-178.

收稿日期：2023-03-28 修回日期：2023-04-28