内容简介

        当前消防机器人应用已成为我国社会安全体系建设的重要组成部分。消防机器人作为轨道交通系统消防安全保障的一个重要手段，将发挥无可替代的作用。本书从轨道交通消防机器人技术应用研究出发，对目前轨道交通领域中正在研究或应用的各类消防机器人的行走机构、步态形式、运动模型分析、结构设计、图像识别技术进行探讨、分析和介绍，以此为轨道交通领域中的消防机器人研究和应用提供可以借鉴的方法和技术。
        本书的宗旨是根据轨道交通领域对安全运输的需要，服务于轨道交通行业消防机器人对消防安全巡检作业的需求，同时也为智能机器人研究爱好者、研究人员以及学生提供参考。

前言

        随着我国经济的发展，各种大型石油化工设施、隧道、地铁等不断增多，油品燃气、毒气泄漏、爆炸，以及地铁隧道坍塌等灾害隐患不断增加。这类消防灾害一旦发生，将导致重大消防事故，造成重大的人员伤亡和巨大的经济损失，同时还会使消防救援人员陷入危险的境地，造成消防救援人员伤亡。消防机器人作为特种机器人的一种，在灭火和抢险救援中发挥着举足轻重的作用。它能代替消防救援人员进入易燃易爆、有毒、缺氧、浓烟等危险灾害事故现场进行侦察、灭火、救援。消防机器人的研发在20世纪90年代开始得到国家的重视，并得到迅速的发展。
        随着我国城市化建设和轨道交通的快速发展，由高速铁路、普速铁路、城市轨道交通等组成的轨道交通运输网络已成为我国重要的交通运输网络，承担着国内民众大规模出行的运量。随着民众出行的规模数量和频率次数的增长，高密度、超大量的乘客潮及人群不确定行为给轨道交通旅客运输及消防安全带来了极大压力和巨大隐患。与其他交通方式相比，轨道交通运量大、客流集中、空间狭窄且密闭。在客流高密集的情况下，一旦发生火灾等消防问题，若不能及时发现和有效处置，将极易引发消防安全事故，导致非常严重的后果。由此可知，在轨道交通旅客运输领域，消防安全是重中之重。
        目前在轨道交通领域，对运输及消防安全的保障，主要还是通过视频监控和人工巡检的方式来实现。其中，视频监控采用智能监控系统，对异常现象和异常行为具有一定的分析、识别和预测能力，但是存在监控盲区，难以做到全部覆盖；而人工巡检虽然可以弥补视频监控存在监控盲区的不足，但是费时费力，难以做到实时监测。这些缺陷导致轨道交通运输系统在营运过程中难免存在一定的隐患。消防机器人的出现和应用，为上述缺陷提供了解决方案。通过轨道交通消防机器人的应用，可以解决视频监控存在盲区的问题，也可以解决人工巡检存在不及时、容易错检漏检的不足。
        在轨道交通消防安全领域，消防机器人的应用除了灭火和救援之外，更多的是对各类重点消防隐患场所进行巡逻和检查，对各类容易引发消防安全事故的突发异常行为事件进行及时监控。这就需要消防机器人具有一定的图像识别和分析能力，能够基于机器视觉技术和其他传感器技术，对发生的异常行为和现象进行机器识别和判断，能够针对这些突发异常行为或异常现象的视频或图像数据进行分析和预警，特别是人流密集、重点管控、重点巡查的场所，如客流通道设备间、变电站等场所。对这类场所出现的突发异常事件的分析、识别和预测具有愈来愈重要的作用和应用价值。近年来，轨道交通消防安全的异常行为研究和判断识别日益得到关注，已成为轨道交通消防机器人研究的热点。
        当前消防机器人的应用已成为我国社会安全体系建设的重要组成部分，而消防机器人作为轨道交通运输领域消防安全防治的一个重要手段，也将发挥无可替代的作用。不同类型消防机器人的应用和发展，将为轨道交通运输安全提供有力的安全保障。因此轨道交通消防机器人及其应用技术对于轨道交通消防安全防控防治具有重要的研究意义和应用价值。
        有鉴于此，著者针对轨道交通行业存在的消防机器人应用技术需求，对各类常见消防机器人的相关技术进行了介绍和探讨，以此为轨道交通领域中的消防机器人应用提供可以借鉴的方法和技术。
        本书共5章。第1章主要阐述轨道交通消防机器人研究背景与意义，包括轨道交通消防机器人发展现状、面临问题、研究意义、分类用途、关键应用技术及其发展趋势；第2章主要介绍轨道交通轮式消防机器人，包括双轮消防机器人、三轮消防机器人、四轮消防机器人、麦轮消防机器人的结构特点、运动模型分析、结构设计及常用图像识别技术应用；第3章主要对轨道交通履带式消防机器人技术进行讨论，包括履带式消防机器人的特点、分类、运动模型分析、设计及图像识别技术应用等；第4章对轨道交通足式消防机器人进行分析，包含双足步行消防机器人、四足爬行消防机器人、四足步行消防机器人、六足型消防机器人的步态特点、运动模型分析、设计及图像识别应用；第5章对轨道交通轨道式消防机器人的特点、分类、应用及设计等进行了介绍。
        本书获得广东省广州市科学技术局 2021 年基础研究计划项目(基础与应用基础研究一般项目)“轨道交通消防巡检机器人应用技术研究”(项目编号：202102080208)的资金支持，是该项目的研究成果。
        在本书撰写过程中，得到了广州铁路职业技术学院霍睿老师及肖捷、罗官辉、朱万水、杨镜华、吴威航、周炜、方丹玲、邓锦梅等同学的支持和帮助，在此一并表示感谢。
        由于时间仓促及著者水平有限，书中可能存在不妥及疏漏之处，敬请广大读者批评指正。

                             著者
                        2022年9月

目录

第1章 轨道交通消防机器人研究背景与意义 …………………………………………… 1
1. 1 轨道交通消防机器人研究的背景 ……………………………………………… 1
1. 1. 1 我国轨道交通消防机器人的发展现状 ……………………………… 3
1. 1. 2 我国轨道交通消防机器人面临的问题 ……………………………… 7
1. 2 轨道交通消防机器人研究的意义 ……………………………………………… 9
1. 3 轨道交通消防机器人分类与用途 …………………………………………… 11
1. 4 轨道交通消防机器人的关键技术及其发展趋势 …………………………… 16
1. 4. 1 轨道交通消防机器人研究的关键技术 ……………………………… 16
1. 4. 2 轨道交通消防机器人的发展趋势 …………………………………… 18

第2章 轨道交通轮式消防机器人 ………………………………………………………… 20
2. 1 轨道交通双轮消防机器人 …………………………………………………… 20
2. 1. 1 轨道交通双轮消防机器人概述 ……………………………………… 21
2. 1. 2 轨道交通双轮消防机器人运动模型分析 …………………………… 25
2. 1. 3 轨道交通双轮消防机器人设计 ……………………………………… 26
2. 1. 4 轨道交通双轮消防机器人图像识别应用 …………………………… 27
2. 2 轨道交通三轮消防机器人 …………………………………………………… 30
2. 2. 1 轨道交通三轮消防机器人概述 ……………………………………… 31
2. 2. 2 轨道交通三轮消防机器人运动模型分析 …………………………… 31
2. 2. 3 轨道交通三轮消防机器人设计 ……………………………………… 34
2. 2. 4 轨道交通三轮消防机器人图像识别应用 …………………………… 35
2. 3 轨道交通四轮消防机器人 …………………………………………………… 38
2. 3. 1 轨道交通四轮消防机器人概述 ……………………………………… 38
2. 3. 2 轨道交通四轮消防机器人运动模型分析 …………………………… 40
2. 3. 3 轨道交通四轮消防机器人设计 ……………………………………… 49
2. 3. 4 轨道交通四轮消防机器人图像识别应用 …………………………… 50
2. 4 轨道交通麦轮消防机器人 …………………………………………………… 52
2. 4. 1 轨道交通麦轮消防机器人概述 ……………………………………… 53
2. 4. 2 麦轮运动特性分析 …………………………………………………… 54
2. 4. 3 轨道交通麦轮消防机器人运动模型分析 …………………………… 57
2. 4. 4 轨道交通麦轮消防机器人设计 ……………………………………… 65
2. 4. 5 轨道交通麦轮消防机器人图像识别应用 …………………………… 67

第3章 轨道交通履带式消防机器人……………………………………………………… 71
3. 1 轨道交通履带式消防机器人概述 …………………………………………… 71
3. 1. 1 轨道交通履带式消防机器人特点 …………………………………… 71
3. 1. 2 轨道交通履带式消防机器人分类 …………………………………… 72
3. 2 轨道交通履带式消防机器人运动模型分析 ………………………………… 75
3. 2. 1 构型分析 ……………………………………………………………… 75
3. 2. 2 运动模型分析 ………………………………………………………… 76
3. 3 轨道交通履带式消防机器人设计 …………………………………………… 79
3. 3. 1 履带式消防巡检机器人功能模块设计 ……………………………… 79
3. 3. 2 履带式消防巡检机器人硬件结构设计 ……………………………… 80
3. 4 轨道交通履带式消防机器人图像识别应用 ………………………………… 80
3. 4. 1 K-means 聚类分析算法 ……………………………………………… 81
3. 4. 2 基于色彩空间的 K-means 聚类分析图像分割算法 ………………… 82

第4章 轨道交通足式消防机器人 ………………………………………………………… 85
4. 1 轨道交通双足步行消防机器人 ……………………………………………… 85
4. 1. 1 轨道交通双足步行消防机器人概述 ………………………………… 86
4. 1. 2 轨道交通双足步行消防机器人运动模型分析 ……………………… 87
4. 1. 3 轨道交通双足步行消防机器人设计 ………………………………… 90
4. 1. 4 轨道交通双足步行消防机器人图像识别应用 ……………………… 91
4. 2 轨道交通四足爬行消防机器人 ……………………………………………… 94
4. 2. 1 轨道交通四足爬行消防机器人概述 ………………………………… 94
4. 2. 2 轨道交通四足爬行消防机器人运动模型分析 ……………………… 94
4. 2. 3 轨道交通四足爬行消防机器人设计 ………………………………… 97
4. 2. 4 轨道交通四足爬行消防机器人图像识别应用 ……………………… 98
4. 3 轨道交通四足步行消防机器人 ……………………………………………… 102
4. 3. 1 轨道交通四足步行消防机器人概述 ……………………………… 102
4. 3. 2 轨道交通四足步行消防机器人运动模型分析 …………………… 106
4. 3. 3 轨道交通四足步行消防机器人设计 ……………………………… 109
4. 3. 4 轨道交通四足步行消防机器人图像识别应用 …………………… 110
4. 4 轨道交通六足型消防机器人 ………………………………………………… 113
4. 4. 1 轨道交通六足型消防机器人概述 ………………………………… 113
4. 4. 2 轨道交通六足型消防机器人运动模型分析 ……………………… 116
4. 4. 3 轨道交通六足型消防机器人设计 ………………………………… 118
4. 4. 4 轨道交通六足型消防机器人图像识别应用 ……………………… 119

第5章 轨道交通轨道式消防机器人 …………………………………………………… 122
5. 1 轨道交通轨道式消防机器人概述及应用 …………………………………… 122
5. 1. 1 轨道式消防机器人概述 …………………………………………… 122
5. 1. 2 轨道式消防机器人的应用 ………………………………………… 123
5. 2 轨道交通轨道式消防机器人分类 …………………………………………… 127
5. 2. 1 轨道式消防监控机器人 …………………………………………… 127
5. 2. 2 轨道式消防探测机器人 …………………………………………… 128
5. 2. 3 轨道式消防巡检机器人 …………………………………………… 129
5. 3 轨道交通轨道式消防机器人设计 …………………………………………… 130
5. 3. 1 轨道式消防监控机器人设计 ……………………………………… 130
5. 3. 2 曲线移动轨道式消防监测机器人设计 …………………………… 132
5. 3. 3 曲线移动轨道式消防探测机器人设计 …………………………… 135
5. 3. 4 曲线移动轨道式消防巡检机器人设计 …………………………… 137
5. 3. 5 曲线移动协同轨道式消防机器人设计 …………………………… 139

参考文献 ……………………………………………………………………………………… 141

张杨，博士，副教授，企业培训师。广州铁路职业技术学院机电教研室副主任、城市轨道机电技术专业带头人、广州轨道交通系统装备安全与智能技术重点实验室（广州市重点实验室）学术骨干。交通装备表面技术双师工作室成员，参与广东省自然科学基金项目1项，主持参与国家级、省市级课题10余项，发表论文10余篇（其中EI收录2篇，北大核心4篇），主编出版教材1部，获得授权发明专利4项、实用新型专利13项、外观设计专利8项、软件著作权4项、申请发明专利8项。获得广州市教学成果奖二等奖1项、广州市职工发明创新大赛优秀五小奖1项。

本书的宗旨是根据轨道交通领域对安全运输的需要，服务于轨道交通行业消防机器人对消防安全巡检作业的需求，同时也为智能机器人研究爱好者、研究人员以及学生提供参考。