CN101845832A - 多功能救援破障机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供的多功能救援破障机器人，其结构是：在车身前方设有破障机构，在车身后方安装有用于破障前行和搬运转移物品的铲斗机构，在车身的底盘(32)下方的两侧安装履带行走机构，在底盘(32)上安装有用于控制所述机器人动作的电控板控制单元；当遇障时通过调转车头来使用破障机构进行破障，该破障机构设有两个圆锯(19)和两个圆锥钻(22)，它们分别由电机带动实现破除障碍工作；铲斗机构设有可升降和翻转功能的铲斗(1)。本发明能够在多种突发灾难事故及较为恶劣的环境中，实施远程遥控下的破障搬移、搜索救援、实时定位和负载救援物资等功能，以实现快速救援，并且具有体积小、灵活性高和实用功能多等优点。

Description

多功能救援破障机器人

技术领域

本发明涉及灾难救援机器人，具体是指在多种恶劣环境下能实施搜索、救援、破障等多功能的救援机器人。

背景技术

近10多来，日本、美国等发达国家在地震、火灾等救援机器人的研究方面做了大量的工作，研究出了各种可用于灾难现场救援的机器人。在我国，一些专家学者也意识到了灾难救援等危险作业机器人技术研究的重要性，在国内的许多高校和研究所在救援机器人技术方面同时开展了相应的研究，对灾难救援而言，仅在消防机器人研究方面取得显著的成绩。

灾难救援机器人的典型产品有用于火灾救援的大型的“自行式消防炮”，常用于石油化工、油灌区等高温、强热辐射危险场所进行灭火，冷却及化学污染场所的洗消，避免人员伤亡等现象发生；用于雪灾救援的“Enryu”，由日本Tmsuk公司生产，重达6吨，身高3米，机械臂的伸展长度为4米，能轻松地抱起一辆小轿车，每个机械臂能抬起410kg的重物。设计人员给“Enryu”制定的主要工作任务是清扫积雪、山地雪崩后形成的大雪块以及救援深陷雪中的小轿车。

在这些灾难现场，往往需要数种机器人共同作业，使得救援工作开展缓慢，并且目前的救援机器人普遍存在自适应力不足，体积过大，精确性不足，救援形式单一等问题。而且由于大型机械的操作精确性问题，常导致救援人员和幸存者的生命安全都受到威胁。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：为克服现有技术的缺陷，提供一种能够在多种突发灾难事故及较为恶劣的环境中，实施远程遥控下的破障搬移、搜索救援、实时定位和负载救援物资等功能的救援机器人，以实现快速救援。

本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：

本发明提供的多功能救援破障机器人，包括车身和行走机构，其中：在车身前方设有破障机构，在车身后方安装有用于破障前行和搬运转移物品的铲斗机构，在车身的底盘下方的两侧安装履带行走机构，在底盘上安装有用于控制所述机器人动作的电控板控制单元；当遇障时通过调转车头来使用破障机构进行破障，该破障机构设有两个圆锯和两个圆锥钻，它们分别由电机带动实现破除障碍工作；铲斗机构设有可升降和翻转功能的铲斗。

本发明提供的上述的多功能救援破障机器人，其在多种突发灾难事故及较为恶劣的环境中，能够替代多台单一功能的机械设备，实施远程遥控下的破障搬移、搜索救援、实时定位或负载救援物资中的应用。

本发明与现有技术相比具有以下的主要优点：

其一.体积小巧，自身重量只有25kg，灵活性高，能够在情况复杂，危险度高，作业现场空间受限的地带(如会随时引发爆炸的火灾现场及存在着易燃、易爆剧毒气体施救现场)进行搜索，勘察，拍摄资料，同时引起建筑物，雪地二次坍塌的可能性小。

其二.车身为履带结构，能够适应多种地貌。自如进退转弯，跨越障碍物。

其三.车体前方由两个螺旋椎体形状的钻头和两个由转向连轴器连接的圆锯，钻头和圆锯的整体能够通过电机带动齿条前后做往复运动，后方则由可升降推铲构成，可以自如的实现多种地貌的破障前行。

其四.机器人功能多，可以在多种突发灾难事故及较为恶劣的救援现场中交替进行破障、搬移、切割等功能，可以替代多台单一功能的机械设备，节省了人力物力，更加高效。

其五.车上能够携带简易救生装置，如面罩，食物等。随车能够牵引救生绳及氧气管等救援装备。配有一系列设施，包括有360度转动的摄像头，直流伺服驱动器，电源控制套件，图像数据采集传输设备，有着简洁终端操作界面的触摸屏电脑作为上位机，使操作者能够在遥控台做出最佳判断，远距离控制机器人。

总之，本发明提供的多功能救援破障机器人能够在多种突发灾难事故及较为恶劣的环境中，实施远程遥控下的破障搬移、搜索救援、实时定位和负载救援物资等功能，以实现快速救援。弥补了现有救援机器人体积大，功能单一等不足，涉及多学科专业知识的渗透，是一款具备高性能驱动监测系统的经济实用的多功能救援机器人。

附图说明

图1为多功能救援破障机器人的结构示意图。

图2为图1的主视图。

图3为图2的左视图。

图4为图2的俯视图。

图5为图1中破障机构的结构示意图。

图6为图1中铲斗机构的结构示意图。

图中：1.铲斗；2.铲斗固定绞座；3.第一电动推杆；4.横梁；5.第二电动推杆；6.弯臂；7.摄像头；8.云台垂直固定支架；9.垂直舵机；10.水平舵机；11.云台水平固定支架；12.顶盖；13.LED灯；14.隔层；15.电机；16.回转轮固定架；17.转向器固定架；18.转向器；19.圆锯；20.推杆端板；21.连轴器；22.圆锥钻；23.第三电动推杆；24.光杆；25.同步带；26.铝制从动轮；27.隔层支架；28.尼龙导向轮；29.大绞座；30小绞座；31.铝制同步轮；32.底盘；33.弯臂铰座。

具体实施方式

本发明提供的多功能救援破障机器人，其总体设计方案中包括机械系统设计及电子控制两部分。机械部分包括车身底盘，安装在底盘两侧的履带结构，安装在底盘后端的椎体钻头及圆锯破障机构，安装在底盘前端的推铲装置，安装在车身顶上的云台等。

下面结合实施例及附图对本发明作进一步说明，但不限定本发明。

本发明提供的多功能救援破障机器人，其结构如图1至图4所示：由车身，破障机构，铲斗机构，履带行走机构，以及电控板控制单元组成。其中：破障机构置于车身前方，履带行走机构附着于车身底盘下方的两侧，车身后方安装铲斗机构，电控板控制单元安装于车身底盘上。

所述破障机构，其结构如图5所示，主要由电机15、转向器18和破障钻头圆锯机构组成，其中：破障钻头圆锯机构由位于车身前端装配的两个圆锯19和两个圆锥钻22组成，所述圆锯和圆锥钻互相独立，分别由电机带动齿条前后做往复运动，并且在第三电动推杆23两侧安装有固定在底盘32上的光杆24。电机15有四个，它们各由回转轮固定架16固定在推杆端板20上，并且各与一个回转轮连轴器相连。四个回转轮连轴器中，其中两个回转轮连轴器各通过一个连轴器21连接圆锥钻22；另外两个回转轮连轴器各通过一个连轴器21连接转向器18，该转向器与圆锯19相连，同时该转向器由转向器固定架17固定连接在推杆端板20上，推杆端板20从中间打孔安装上第三电动推杆23。

该破障机构用于实现救援机器人破障的功能，破障时，推杆端板20通过电动推杆23控制前后运动，由于光杆24的固定作用，整个往复机构的运动是线性的，规律的。而搭载于推杆端板20上的圆锯19与圆锥钻22此时可分别由电机带动齿条前后做往复运动，高效地实施有效破障，例如破除积雪和积土等障碍。

所述铲斗机构，为可升降推铲，类似于推土机的前端架构，有2个自由度(升降，翻转)，由2个电动伸缩杆提供动力，同样用于自如破障前行，还能实现搬运转移物品的功能。当遇障时可以通过调转车头，来使用破障机构进行破障。

该铲斗机构的具体结构如图6所示：主要由铲斗1、弯臂6和两根电动推杆组成。其中：铲斗1通过第一电动推杆3与两个弯臂6间的横梁4相连接，横梁4连接两个弯臂6，第二电动推杆5由弯臂铰座33连接到弯臂6上，由第一电动推杆3驱动铲斗1的旋转动作，第二电动推杆5用来实现弯臂6的上下动作，从而帮助实现对物品的装取倾倒功能。第二电动推杆5和弯臂6分别通过小绞座30、大绞座29与底盘32相连。铲斗1的底部通过铲斗固定绞座2与第一电动推杆3相连。

所述履带行走机构，为同步带行走机构，其结构同现有技术，具体如图5所示：由同步带25，铝制从动轮26，尼龙导向轮28，铝制同步轮31，底盘32，驱动电机组成。底盘22采用优质铝合金构成，其两侧是以同步带25包裹的铝制从动轮26、尼龙导向轮28和铝制同步轮31。驱动电机驱动前进时，由于同步带25的强力层承载后变形小，且同步带25内周制成齿状使其与铝制同步轮31齿形相啮合，故同步带25与铝制同步轮31间无相对滑动，构成同步传动，铝制从动轮26和尼龙导向轮28在行进过程中起到导向支撑的作用。

本机器人由于其两侧采用了上述的履带行走机构，故能够适应多种地貌，例如环境存在松软的灰土地面、由于消防用水或漏水导致的泥泞路面及坎坷不平的废墟地面、雪难后的积雪等多种地面地形，可实现自如进退、转弯、跨越小型的障碍物和爬30度的斜坡动作。本机器人的俯视面积为500mm*400mm，小巧灵活，可载重达20KG，可以直接负载必要的救援物资。整个车体由优质铝合金构成，通过工业级的碰撞测试。

本发明还设有视频监控采集系统，其结构如图1所示：主要由摄像头7、舵机和用于在能见度低时提供光源的LED灯(防雾灯)13构成，其中：摄像头7搭载于云台垂直固定支架8上，该支架与垂直舵机9相连，同时垂直舵机9搭载于云台水平固定支架11上，云台水平固定支架11与水平舵机10连接。LED灯13安装于机器人车身的顶盖12上，可以通过垂直舵机和水平舵机控制云台上下左右移动，达到摄像头实时监控的目的。

所述电控板控制单元，是本机器人高效的控制系统，装在机器人车身中。该电控板控制单元主要由电池，触摸屏电脑，有CAN总线连接的直流伺服电机，继电器驱动，可实时反馈信息的电源控制电路组成，电池等用隔层14及隔层支架27固定，并由顶盖12整体覆盖，以保护该电控板控制单元的电路。触摸屏电脑作为上位机，有着简洁的终端操作界面，能够远距离控制机器人。操作人员根据界面显示及自身状态信息，通过人机操作界面对车体发出相关控制指令。车体所携带的控制系统一方面根据从后方控制台发来的指令对相应的设备发送控制信号，另一方面负责将现场采集的各项参数传送给后方控制台，以帮助操作人员进行科学合理的决策。

所述电控板控制单元的电路同现有技术，其组成包括电源模块、485通信模块、继电器驱动模块、单片机MEGA16模块及液晶显示模块。

本实施例公布的多功能救援破障机器人，适合在多种突发性灾难发生后，周围环境复杂的情况下，同时实现破障搬移、搜索救援、实时定位、负载救援物资等功能，进行大型机械无法实施，以及单纯靠人力破障搜救情况下的快速灾后救援。多种突发性灾难是指地震、火灾、雪崩、建筑坍塌和矿难等。

下面简述本发明多功能救援破障机器人的工作过程：

机器人控制平台通过CAN总线传输，实现控制指令的发送。控制平台界面上具有机器人行进控制模块、监控录像模块、推铲机构模块、云台机构模块、破障机构模块及组合控制模块，这些模块没有什么特殊之处，普通技术人员都会设置。

工作时，通过机器人行进控制模块对机器人进行速度设置和方向控制，其直线运动的一般速度为0.5m/s，最大加速度为0.5m/s²，并可对向前后左右四个方向进行控制。通过推铲机构模块对弯臂6及铲斗1升降各自进行控制，最大可铲起75kg重物，弯臂6最高抬角为75°，铲斗1最大倾角为45°。通过破障机构模块对往复机构23、圆锯19及圆锥钻22各自进行控制。通过云台机构模块与监控录像模块配合进行图像的实时采集，云台机构模块控制垂直舵机9与水平舵机10来控制云台升降与水平360°旋转。通过监控录像模块查看采集到的实时图像，并具有录像功能。

组合控制模块中包含切割破障组合、钻头破障组合与整体组合。切割破障组合通过控制圆锯19及往复机构23达到循环切割的目的。钻头破障组合通过控制圆锥钻22及往复机构23进行循环钻头破障。整体组合通过控制机器人行进机构、推铲机构、云台机构及破障机构进行机器人的一套组合动作，展示机器人的全部功能。

Claims (10)

1.一种多功能救援破障机器人，包括车身和行走机构，其特征是在车身前方设有破障机构，在车身后方安装有用于破障前行和搬运转移物品的铲斗机构，在车身的底盘(32)下方的两侧安装履带行走机构，在底盘(32)上安装有用于控制所述机器人动作的电控板控制单元；当遇障时通过调转车头来使用破障机构进行破障，该破障机构设有两个圆锯(19)和两个圆锥钻(22)，它们分别由电机带动实现破除障碍工作；铲斗机构设有可升降和翻转功能的铲斗(1)。

2.根据权利要求1所述的多功能救援破障机器人，其特征在于所述破障机构设有电机(15)、转向器(18)，其中：电机(15)有四个，它们各由回转轮固定架(16)固定在推杆端板(20)上，并且各与一个回转轮连轴器相连；四个回转轮连轴器中，其中两个回转轮连轴器各通过一个连轴器(21)连接圆锥钻(22)；另外两个回转轮连轴器各通过一个连轴器(21)连接转向器(18)，该转向器与圆锯(19)相连。

3.根据权利要求2所述的多功能救援破障机器人，其特征在于所述转向器由转向器固定架(17)固定连接在推杆端板(20)上，推杆端板(20)从中间打孔安装上第三电动推杆(23)。

4.根据权利要求1所述的多功能救援破障机器人，其特征在于所述铲斗(1)对物品的装取和倾倒，是由第一电动推杆(3)驱动其旋转和通过第二电动推杆(5)驱动弯臂(6)上下动作用来实现的，其中：所述铲斗通过第一电动推杆与两个弯臂(6)间的横梁(4)相连接，该横梁连接两个弯臂(6)，第二电动推杆由弯臂铰座(33)连接到弯臂(6)上，第二电动推杆和弯臂分别通过小绞座(30)、大绞座(29)与底盘(32)相连。

5.根据权利要求2所述的多功能救援破障机器人，其特征在于所述铲斗(1)的底部通过铲斗固定绞座(2)与第一电动推杆(3)相连。

6.根据权利要求1所述的多功能救援破障机器人，其特征是在车身上设有视频监控采集系统，该系统主要由摄像头(7)、舵机和用于在能见度低时提供光源的防雾灯构成，其中：摄像头(7)搭载于云台垂直固定支架(8)上，该支架与垂直舵机(9)相连，同时垂直舵机(9)搭载于云台水平固定支架(11)上，云台水平固定支架(11)与水平舵机(10)连接，这些支架均安装在车身的顶盖(12)上。

7.根据权利要求6所述的多功能救援破障机器人，其特征是防雾灯为LED灯，其安装于顶盖(12)上。

8.根据权利要求1所述的多功能救援破障机器人，其特征在于所述电控板控制单元装在车身中，该电控板控制单元设有电池、触摸屏电脑、有CAN总线连接和继电器驱动的直流伺服电机以及可实时反馈信息的电源控制电路组成，其中，电池用隔层(14)及隔层支架(27)与车身的顶盖(12)的背面固定相连。

9.权利要求1至8中任一权利要求所述多功能救援破障机器人的用途，其特征是该机器人在多种突发灾难事故及较为恶劣的环境中，替代多台单一功能的机械设备，实施远程遥控下的破障搬移、搜索救援、实时定位或负载救援物资中的应用。

10.根据权利要求9所述的用途，其特征在于所述多种突发灾难事故是指地震、火灾、雪崩、建筑坍塌或矿难事故。

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