ВАЛОЧНЫЙ РОБОТ

Полезная модель относится к противопожарной технике, применяемой при тушении и локализации лесных пожаров. Полезная модель также относится к конструкции роботов, предназначенных для ликвидации чрезвычайных ситуаций, и может быть использовано в лесной промышленности.
Борьба с лесными пожарами является одной из важнейших задач лесного хозяйства России. Более 90% лесных пожаров являются низовыми. Верховые и торфяные пожары также начинаются с низовых, в связи с этим разработка новых технологий тушения и локализации низовых пожаров различной интенсивности повышает эффективность системы охраны лесов и поэтому весьма актуальна.
Борьба с лесными пожарами требует неимоверных затрат средств и ресурсов. Чтобы снизить риск их возникновения и распространения, разрабатываются комплексы профилактических мероприятий, направленные как на недопущение возгораний, так и на борьбу с огнем и его нераспространение на обширные территории.
К специфике пожарной профилактики в лесах, в первую очередь, относятся мероприятия по созданию в них системы противопожарных барьеров (естественные и искусственные преграды) в виде заслонов и разрывов, ограничивающих распространение пожаров в лесу. Противопожарные разрывы представляют собой просеки, по которым прокладывают грунтовые дороги или дороги с улучшенным покрытием, по обеим сторонам которых устраивают минерализованные полосы,
При тушении лесного пожара созданная противопожарная просека препятствует распространению пожара на другие участки лесного массива, а также позволяет создавать другие противопожарные барьеры в виде заградительных или опорных минерализованных полос.
Как правило, в современных условиях при вырубке просек использование техники является комплексным: на одном объекте одновременно могут работать десятки единиц различной техники. Это и трактора, и достаточно масштабные вал очные комплексы (харвестеры и форвардеры), и так называемые мульчеры, всевозможное навесное оборудование, измельчители пней и т.д.
Мульчеры, или лесные измельчители, достаточно эффективное средство для создании просек. С их помощью можно сваливать и измельчать деревья, удалять пни и кустарники, расчищать заросшие просеки. При использовании мульчеров уменьшился процент несчастных случаев при вырубке леса.
Валочно-пакетирующие машины занимаются валкой леса и сборкой деревьев, валочно-трелевочное оборудование спиливает лес и осуществляет направленную валку деревьев, с его помощью также выполняется погрузка спиленной древесины и укладывание ее в штабеля. Также существует валочно-сучкорезно-раскряжевочное оборудование, или харвестеры, которые не только выполняют валку леса, но и обрезают сучья и ветки.
На сегодняшний день существует сравнительно большое разнообразие технологий и технических средств для создания искусственных противопожарных барьеров в лесах, однако, задача быстрого создания эффективных заградительных полос технически обеспечена недостаточно. В связи с этим остается потребность в разработке новых, более эффективных, способов и средств создания противопожарных барьеров для локализации низовых пожаров.
По патенту РФ №135227 известна машина для заготовки древесины, включающая самоходное шасси и установленные на нем манипулятор, на конце которого смонтирована харвестерная головка и контейнер, навешенное впереди самоходного шасси измельчающее устройство, состоящее из корпуса, измельчителя и механизма подачи лесосечных отходов, а также щеповода, связывающего измельчающее устройство с контейнером, отличающаяся тем, что машина снабжена накопителем лесосечных отходов, шарнирно прикрепленным к корпусу измельчающего устройства и выполненным в виде поворотного стола с возможностью подачи накопленных лесосечных отходов к измельчающему устройству, при этом измельчающее устройство дополнительно снабжено механизмом подачи лесосечных отходов, выполненным в виде барабана с измельчающими элементами, каждый из которых имеет грань для подачи лесосечных отходов и режущую кромку для фрезерования пней, причем механизм подачи лесосечных отходов расположен в нижней части корпуса измельчающего устройства между измельчителем и поворотным столом.
По патенту РФ №135228 известна лесозаготовительная машина с автоматизированной системой направленной валки деревьев, отличающаяся тем, что на ней установлена система датчиков, позволяющая с использованием бортового компьютера определить геометрические параметры дерева и его координаты относительно продольной геометрической оси задней секции лесозаготовительной машины в зависимости от которых непосредственно перед захватом дерева в автоматическом режиме осуществляется поворот захватно-срезающего устройства на такой угол, чтобы валка дерева осуществилась в направлении противоположном движению лесозаготовительной машины, а его вершина оказалась бы на волоке.
По патенту РФ №2142222 известно захватно-срезающее устройство лесозаготовительных машин, которое может быть использовано в лесной промышленности. Конструкция устройства позволяет захватывать и срезать деревья, стоящие с наклоном от вертикали в любую сторону, что повышает эффективность его использования.
По патенту РФ №2468954 известна машина манипуляторная, которая может быть использована в лесной промышленности и лесном хозяйстве на валке, пакетировании, погрузке, а также в экскаваторах. Машина манипуляторная включает самоходное шасси, на котором посредством опорно-поворотного устройства смонтирована полноповоротная платформа. На полноповоротной платформе установлены кабина оператора, манипулятор, а также посредством упорного подшипника качения - вспомогательная платформа. На свободном конце манипулятора установлен рабочий орган. Вспомогательная платформа снабжена демпферами ее поворота, одними концами соединенными с полноповоротной платформой, а другими концами - с вспомогательной платформой. Во время работы машины возникают динамические нагрузки, которые гасятся демпферами.
По патенту РФ №2180477 известно захватно-срезающее устройство, которое может быть использовано в лесозаготовительных машинах лесной промышленности и лесного хозяйства. Привод поворота устройства в продольной плоскости относительно манипулятора и привод поворота второй стойки относительно первой выполнены в виде двух гидроцилиндров. Корпуса гидроцилиндров шарнирно закреплены на манипуляторе, а штоки шарнирно посредством сдвоенных проушин - на второй стойке. Продольные оси гидроцилиндров расположены по обе стороны от радиальной плоскости манипулятора. Гидроцилиндры имеют радиальное управление, а шарниры соединения корпусов и штоков гидроцилиндров имеют две степени свободы. Такое конструктивное выполнение захватно-срезающего устройства упрощает его конструкцию, снижает массу, не снижая область его применения.
Недостатком известных машин для создания противопожарных просек является необходимость присутствия человека в зоне проведения работ, что в условиях тушения лесного пожара связано с риском для его жизни.
Прототипом заявляемого решения является роботизированная платформа, оборудованная приспособлениями для валки леса, входящая в состав роботизированного комплекса для тушения лесных пожаров по патенту РФ 2677413.
Следует признать, что, несмотря на большое разнообразие, эффективного средства локализации и тушения лесных пожаров еще не существует. Подтверждением этому могут служить показатели ежегодного ущерба от лесных пожаров, которые только для России за последние пять лет колеблются в пределах от 20 до 100 миллиардов рублей ежегодно. Аналогичная ситуация наблюдается во всех странах мира, имеющих леса. Например, в конце 2017 года возник лесной пожар в штате Калифорния, США. На борьбу с огнем было направлено около 5700 пожарных. Тем не менее, всего лишь за несколько часов в предместьях Лос-Анжелеса возникли и стали быстро распространяться шесть крупных очагов пожара на территории десятков тысяч гектаров. Почти 200 тысяч жителей были эвакуированы из опасных районов. Многим пришлось бежать оттуда ночью, спасаясь от быстро движущегося огня. Пожары принесли с собой страшные разрушения -сгорели тысячи домов, уничтожена большая часть плантаций авокадо. Ущерб по разным оценкам составил порядка 270-350 млн. долларов.
С целью повышения безопасности и производительности труда лесных пожарных, роботизации и ускорение процесса создания противопожарных просек для локализации пожара лесного пожара предложен Валочный робот.
Валочный робот предназначен для создания противопожарных просек путем валки сухостойных деревьев для локализации лесных пожаров по командам оператора. Создание противопожарных просек осуществляется при помощи навесного валочного устройства с использованием технологий дистанционного управления, исключающих нахождение людей в непосредственной близости от фронта пламени.
Основные отличия заявляемого роботизированного комплекса заключаются в следующем.
1) На роботизированную платформу сверху установлен съемный огнезащитный кожух, который крепится к ней винтами с возможностью съема для технического обслуживания робота, в передней части робота установлено навесное валочное устройство для спиливания деревьев и их направленной валки в требуемом направлении, в верхней части огнезащитного кожуха установлены три складывающиеся основные антенны, а в задней части огнезащитного кожуха расположены три резервные огнестойкие антенны, при этом в передней части робота внутри огнезащитного кожуха расположены резервное место оператора и дублирующие органы ручного управления.
2) Съемный огнезащитный кожух для защиты от действия огня и теплового излучения включает раму из профилированного металла, закрытую листовыми металлическими панелями, на внутренние поверхности которых нанесена огнестойкая пена толщиной 10-50 мм, на которую с внешней и/или внутренней стороны наклеен один или несколько слоев огнестойкой кремнеземной ткани толщиной 0,5-1,5 мм, причем боковые панели огнезащитного кожуха приварены к раме из профилированного металла, а верхние панели сделаны съемными с водозащитными уплотнениями и с креплениями на винтах или замках, при этом на боковых поверхностях огнезащитного кожуха имеются четыре воздухозаборных полых профиля, расположенные в местах установки двигателя робота, так, что входные части воздухозаборных профилей обращены ко внутренней части двигателя валочного робота, а выходная часть выведена наружу и обращена вниз.
3) Система технического зрения включает одну поворотную курсовую видеокамеру с механизмами поворота по вертикали и горизонтали, расположенную в передней верхней части огнезащитного кожуха и четыре неподвижные видеокамеры кругового обзора, расположенные по середине каждой стороны огнезащитного кожуха, и при этом все видеокамеры соединены с блоком управления системой технического зрения с помощью соединительных кабелей и снабжены форсунками для омывающей жидкости, а блок управления системы технического зрения позволяет по команде оператора подключать к системе любую одну из пяти видеокамер.
4) Валочный робот содержит складывающуюся антенну системы видеонаблюдения, складывающуюся антенну системы передачи телеметрии, складывающуюся антенну системы дистанционного управления, причем каждая складывающаяся антенна содержит механизм складывания антенны известной конструкции, соединенный с одной стороны с корпусом валочного робота, а с другой стороны с несущим профилем антенны из стеклопластика или иного радиопрозрачного материала, внутри которого размещена излучающая конструкция антенны соответствующего диапазона, при этом все антенны подключены к блоку модулей основных антенн радиосвязи.
5) Резервные огнестойкие антенны включают огнестойкую панель антенны системы видеонаблюдения, огнестойкую панель антенны системы передачи телеметрии, огнестойкую панель антенны системы дистанционного управления, причем, огнестойкие панели антенн представляют собой печатную плату с фазированной антенной решеткой соответствующего диапазона, расположенную между двумя панелями из огнестойкого пеноматериала толщиной 25-50 мм, оклеенной со всех сторон 2-5-ю слоями огнестойкой кремнеземной тканью толщиной 0,5-1,2 мм, при этом все антенны подключены к блоку модулей резервных антенн радиосвязи.
6) Дистанционно управляемое навесное валочное устройство, установленное в передней части робота, включает лебедку для подъема и опускания валочного устройства, раму из профильного проката в нижней части которой слева и справа установлены два серповидных захвата для сцепления валочного устройства с комлевой частью спиливаемого дерева, соединенные с винтовым приводом и мотор-редуктором, электрическую пилу с механизмом подачи пилы, размещенным на раме над захватами зажима ствола дерева и содержащим направляющие для перемещения пилы, натяжное устройство с роликом, шаговый двигатель и редуктор, причем ремень подачи пилы одет на шкив редуктора и ролик натяжного устройства, а в верхней части рамы над электрической пилой расположен валочный толкатель ствола, снабженный винтовым домкратом с приводом, при этом все электродвигатели валочного устройства одновременно подключены к блоку дистанционного управления валочным устройством и пульту ручного управления валочным устройством, расположенного внутри съемного огнезащитного кожуха.
7) Резервное место оператора и дублирующие органы ручного управления включают сиденье оператора, руль с поворотной рукояткой газа, педали тормоза, ручки переключения передач, ключа зажигания, пульт ручного управления навесным валочным устройством, при этом сиденье оператора размещено так, что при снятой верхней панели огнезащитного кожуха, уровень глаз оператора оказывается выше верхнего уровня огнезащитного кожуха и обеспечивает возможность управления движением и работой валочного робота.
8) Валочный робот содержит автономный электрический генератор с двигателем внутреннего сгорания, установленный на роботизированной платформе между двигателем и резервным местом оператора и систему дистанционного управления, которая в свою очередь содержит блок управления роботизированной платформой, соединенный с блоком управления валочным устройством и системой технического зрения, обеспечивающей оператору круговой обзор обстановки в зоне работы робота, причем управление работой валочного устройства осуществляется дистанционно, а все приводы валочного устройства управляются или с помощью пульта ручного управления навесным валочным устройством или системой дистанционного управления, содержащей микропроцессорный блок и электронные блоки управления мотор-редуктором захватов, электродвигателем электрической пилы, шаговым двигателем привода электрической пилы, электродвигателем привода валочного толкателя ствола.
Указанные отличия являются новыми, в указанном сочетании не встречаются в известных патентах, а это сочетание не вытекает явно из уровня техники.
Техническим результатом от использования заявляемого роботизированного комплекса является снижение опасности и трудоемкости процесса создания противопожарных просек путем валки сухостойных деревьев за счет его роботизации.
Описание предлагаемого Валочного робота поясняется фигурами 1-11, на которых показано устройство.
На фигурах 1-11 цифрами обозначены:
1 - роботизированная платформа
2 - огнезащитный кожух
3 - навесное валочное устройство
4 - антенна системы видеонаблюдения, антенна системы передачи телеметрии, антенна системы дистанционного управления
5 - рама
6 - листовые металлические панели
7 - верхние панели
8 - воздухозаборный полый профиль
9 - курсовая видеокамера
10 - видеокамеры кругового обзора
11 - антенна системы видеонаблюдения
12 - антенна системы передачи телеметрии
13 - антенна системы дистанционного управления
14 - механизм складывания антенны
15 - несущий профиль антенны
16 - излучающая конструкция антенны
17 - панель антенны системы видеонаблюдения
18 - панель антенны системы передачи телеметрии
19 - панель антенны системы дистанционного управления
20 - печатная плата с фазированной антенной решеткой
21 - панели из огнестойкого пеноматериала
22 - огнестойкая кремнеземная ткань
23 - лебедка
24 - рама
25 - захваты
26 - винтовой привод
27 - мотор-редуктор
28 - электрическая пила
29 - натяжное устройство с роликом
30 - направляющая
31 - шаговый двигатель
32 - редуктор
33 - ремень
34 - винтовой домкрат
35 - привод
36 - резервное место оператора
37 - автономный электрический генератор
38 - блок управления валочным устройством
На фиг. 1 показан внешний вид валочного робота.
На фиг. 2 показан съемный огнезащитный кожух.
На фиг. 3 а) показаны антенны системы видеонаблюдения, системы передачи телеметрии, системы дистанционного управления и поворотная курсовая видеокамера.
На фиг. 3 b) показаны видеокамеры кругового обзора.
На фиг. 4 показаны механизм складывания и устройство антенн.
На фиг. 5 показаны резервные огнестойкие антенны.
На фиг. 6 показано устройство огнестойкой панели антенны системы видеонаблюдения, огнестойкой панели антенны системы передачи телеметрии, огнестойкой панели антенны системы дистанционного управления.
На фиг. 7 а) показан робот с навесным валочным устройством в транспортном положении.
На фиг. 7 и) показан робот с навесным валочным устройством в рабочем положении.
На фиг. 8-9 показан состав навесного валочного устройства.
На фиг. 10 показаны резервное место оператора и дублирующие органы ручного управления.
На фиг. 11 показаны автономный электрический генератор с двигателем внутреннего сгорания и блок управления валочным устройством.
Устройство робота.
Валочный робот (фиг. 1) содержит дистанционно управляемую гусеничную роботизированную платформу 1, на которую установлен съемный огнезащитный кожух 2. В передней части робота установлено навесное валочное устройство 3, в верхней части огнезащитного кожуха 2 установлены три складывающиеся основные антенны 4, а в задней части огнезащитного кожуха расположены три резервные огнестойкие антенны. В передней части робота внутри огнезащитного кожуха расположены резервное место оператора и дублирующие органы ручного управления.
Съемный огнезащитный кожух 2 (фиг. 2) для защиты от действия огня и теплового излучения содержит раму 5 из профилированного металла, закрытую листовыми металлическими панелями 6, приваренными к раме из профилированного металла, а верхние панели 7 сделаны съемными с водозащитными уплотнениями и с креплениями на винтах или замках, при этом на боковых поверхностях огнезащитного кожуха имеются четыре воздухозаборных полых профиля 8, расположенные в местах установки двигателя робота.
Система технического зрения робота (фиг. 3) содержит одну поворотную курсовую видеокамеру 9 (фиг. 3,а) с механизмами поворота по вертикали и горизонтали, расположенную в передней верхней части огнезащитного кожуха, и четыре неподвижные видеокамеры кругового обзора 10 (фиг. 3,b), расположенные посередине каждой стороны огнезащитного кожуха 2. Все видеокамеры соединены с блоком управления системой технического зрения с помощью соединительных кабелей и снабжены форсунками для омывающей жидкости, а блок управления системы технического зрения позволяет по команде оператора подключать к системе любую одну из пяти видеокамер.
Валочный робот содержит складывающуюся антенну системы видеонаблюдения 11 (фиг. 3,а), складывающуюся антенну системы передачи телеметрии 12, складывающуюся антенну системы дистанционного управления 13. Каждая складывающаяся антенна содержит механизм складывания антенны 14 известной конструкции (фиг. 4), соединенный с одной стороны с корпусом валочного робота, а с другой стороны с несущим профилем антенны 15 из стеклопластика или иного радиопрозрачного материала, внутри которого размещена излучающая конструкция антенны 16 соответствующего диапазона. Все антенны подключены к блоку модулей основных антенн радиосвязи.
Резервные огнестойкие антенны включают огнестойкую панель антенны системы видеонаблюдения 17 (фиг. 5), огнестойкую панель антенны системы передачи телеметрии 18, огнестойкую панель антенны системы дистанционного управления 19. Огнестойкие панели антенн представляют собой печатную плату с фазированной антенной решеткой 20 соответствующего диапазона (фиг. 6), расположенную между двумя панелями из огнестойкого пеноматериала 21, оклеенными со всех сторон огнестойкой кремнеземной тканью 22. Все антенны подключены к блоку модулей резервных антенн радиосвязи.
Дистанционно управляемое навесное валочное устройство (фиг. 8-9) включает лебедку 23 для подъема (фиг. 7,а) и опускания (фиг. 7,b) валочного устройства, раму 24 из профильного проката в нижней части которой слева и справа установлены два серповидных захвата 25 для сцепления валочного устройства с комлевой частью спиливаемого дерева, соединенные с винтовым приводом 26 и мотор-редуктором 27, электрическую пилу 28 с механизмом подачи пилы, размещенным на раме над захватами 25 для зажима ствола дерева и содержащим направляющие 30 для перемещения пилы, натяжное устройство с роликом 29, шаговый двигатель 31 и редуктор 32, причем ремень 33 подачи пилы одет на шкив редуктора 32 и ролик натяжного устройства 29, в верхней части рамы над электрической пилой расположен валочный толкатель ствола, снабженный винтовым домкратом 34 с приводом 35.
Резервное место оператора 36 (фиг. 10) и дублирующие органы ручного управления включают сиденье оператора, руль с поворотной рукояткой газа, педали тормоза, ручки переключения передач, ключа зажигания, органы управления навесным валочным устройством. Сиденье оператора размещено таким образом, что при снятой верхней панели огнезащитного кожуха, уровень глаз оператора оказывается выше верхнего уровня огнезащитного кожуха и обеспечивает возможность управления движением и работой валочного робота.
Автономный электрический генератор 37 (фиг. 11) с двигателем внутреннего сгорания установлен на роботизированной платформе между двигателем и резервным местом оператора. Блок управления валочным устройством 38 соединен с блоком управления роботизированной платформой.
Работа Валочного робота происходит следующим образом.
Валочный робот к месту выполнения работ транспортируется в прицепе, либо при помощи специального транспорта. После выгрузки робота из транспорта, используя механизм складывания антенны 14, переводят в поднятое рабочее положение складывающуюся антенну системы видеонаблюдения 11, складывающуюся антенну системы передачи телеметрии 12 и складывающуюся антенну системы дистанционного управления 13.
Далее, валочный робот по командам оператора своим ходом перемещается к месту выполнения работ по созданию противопожарных просек путем валки сухостойных деревьев для локализации пожара. Для ориентирования на местности оператор использует поворотную курсовую видеокамеру 9 и видеокамеры кругового обзора 10 системы технического зрения валочного робота.
После прибытия робота на место выполнения работ, оператор при помощи лебедки 23 приводит навесное валочное устройство 3 в рабочее положение.
После выбора дерева в зоне создания противопожарной просеки, оператор, управляя движением валочного робота, устанавливает его так, чтобы комлевая часть спиливаемого дерева оказалась между захватами 25.
После этого включается двигатель мотор-редуктора 27, при этом захваты 25 при помощи винтового привода 26, соединенного с мотор-редуктором 27, зажимают комлевую частью спиливаемого дерева, а валочный толкатель упирается в ствол винтовым домкратом 34.
После захвата валочным устроством комлевой части дерева запускается электрическая пила 28, а механизм подачи при помощи шагового двигателя 31, перемещая пилу по направляющим 30, начинает спиливание ствола. Синхронно с движением электрической пилы 28 вперед, винтовой домкрат 34 толкателя начинает давить на ствол дерева выше уровня пила.
После падения ствола дерева, оператор останавливает электрическую пилу 28, шаговый двигатель 31 механизма подачи пилы и привод 35 валочного толкателя ствола. Затем оператор возвращает электрическую пилу 28 и винтовой домкрат 34 толкателя ствола в первоначальное положение, после чего разводит захваты 25, освобождая комлевую часть спиленного дерева и направляет робот к следующему дереву.
Если робот управляется дистанционно, то за процессом выполнения работ оператор следит с помощью системы технического зрения и все операции выполняются через пульт дистанционного управления, при этом предусмотрен режим полностью автоматической валки и режим ручной дистанционной валки, а также возможность переключения режимов в процессе валки.
Если робот управляется с резервного места оператора вручную, то за процессом выполнения работ оператор следит визуально и все операции выполняются через пульт ручного управления.
Питание электрооборудования валочного устройства (мотор-редуктора захватов, электродвигателя электрической пилы, шагового двигателя привода электрической пилы, электродвигателя привода валочного толкателя ствола) осуществляется от автономного электрического генератора 37, установленного на роботизированной платформе.
После создания противопожарной просеки, оператор дистанционно приводит навесное валочное устройство 3 в транспортное положение при помощи лебедки 23, после чего направляет робот к месту создания следующей противопожарной просеки или к месту погрузки на транспорт.
Защиту валочного робота от возможного действия огня и теплового излучения обеспечивает огнезащитный кожух 2. Резервные огнестойкие антенны 17, 18, 19 обеспечивают резервный канал управления. В нештатных ситуациях, при невозможности дистанционного управления движением и работой валочного робота, оператор, используя дублирующие органы ручного управления резервного места оператора 36, может продолжить работу в режиме ручного управления, либо эвакуировать робота своим ходом.
Борьба с лесными пожарами является одной из важнейших задач лесного хозяйства России. Более 90% лесных пожаров являются низовыми. Верховые и торфяные пожары также начинаются с низовых, в связи с этим разработка новых технологий тушения и локализации низовых пожаров различной интенсивности повышает эффективность системы охраны лесов и поэтому весьма актуальна.
Обладая рядом неоспоримых преимуществ перед известными устройствами предлагаемый «Валочный робот» найдет самое широкое применение в практике тушения лесных пожаров и в лесной промышленности при проделке санитарных просек и уходе за лесом.