CN102728014A - 深井救生机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一款井下救生机械手，主要由井上收放及平动装置、蛇形机械手、机械手联动装置、前端信息反馈装置、监视控制终端等组成。井上收放及平动装置实现救助装置的升降及在某一高度位置上的平动，并适时提升被困者；可折叠式探杆各节探杆通过铰链连接，强磁铁保证其在展开状态时各节间的紧固连接，它可将井上支架的动作成功传递到井下并实现对井下装置的控制；蛇形机械手由各个指节扣合而成，其间以铰链连接，外缘处由四根钢丝绳串联，各个指节间加装弹簧以使运动过程中受力均匀；机械手联动装置主要由机械手弯曲控制联动装置和伸缩装置两部分组成，机械手联动装置和蛇形机械手可实现寻隙环绕，并将救生绳索系在被困者身上；前端信息反馈装置由照明灯、摄像头、对讲系统等组成，提供视频、音频信号；监视控制终端主要依靠两个摄像头实现对井下的监视。

Description

深井救生机器人

技术领域

本发明涉及一种井下救生机器人，特别适用于口径小、深度大、空气稀薄的高难度井下救援，属于人员意外坠井时的紧急救援机器人。

背景技术

目前，在农村尚有许多用于灌溉的机井，口径多为20厘米至70厘米，由于其地处农田，既无人看管、又缺乏警示标识，时常发生人员不慎坠井事件，尤其是口径在20厘米至50厘米，深度20米以上的机井，由于口径小，成年救援人员无法进入井中施救，加之深度大、空气稀薄，普通救援工具无法快速有效施救，给救援工作带来很大困难。

由于机井的口径不同，人员在坠井后一般为以下四种状态之一：一是坠入无水的井底；二是坠入井水中；三是被卡在各段井壁的接缝处，无法活动；四是用四肢撑住井壁，暂时防止继续坠落。目前的救援方法主要有四种：一是用安全绳将身材瘦小的救援人员倒送入井中施救；二是采用挖掘设备挖空周围泥土，截去上段机井施救；三是用带钩子的绳索钩住落井者的衣物或身体，然后将人救起；四是利用安装在救援绳索一端的夹子类救援器械施救。但上述救援方法在适用场景、救援效率、安全性及可靠性等方面均存在一些不足：倒挂救人方式适用于口径50厘米以上的机井救援，对小口径机井无能为力；挖土救援方式的塌方危险性大、作业要求高，且耗时长、代价高；钩子救援方式安全性、可靠性差，且效率低、不确定性高；而夹子类救援方式不适用于人员卡在井中的狭小空间。总之，人员坠井后的救援工具应充分考虑到被困者各种体位、状态及与井壁间的相对位置，保证有效时间内的安全救援。

人员坠井后的安全救援方式应为以救生绳环绕其腰部后，系牢提起；当遇到口径小、深度大，救援人员无法进入的情况时，则应由救援人员在井上通过视频、音频等信号观察井下情况，然后控制一套可在狭小空间完成空间六自由度运动的手臂类机电装置实现救生绳环绕、系牢及提升的操作，以适应狭小空间的井下无人快速有效救援任务，并弥补单纯机械式井下救援器械环境适应性差的不足。

发明内容

本发明的目的，是提供一种用于深井救生的机器人，采用该机器人可使救援人员通过操作井上控制系统实现井下的无人有效救援，从而提高救援效率和可靠性。

本发明的目的是这样实现的：一种深井救生机器人，主要包括井上收放及平动装置、蛇形机械手、机械手联动装置、前端信息反馈装置、监视控制终端等五部分。

所述的井上收放及平动装置包括井上支架、可制动式万向轮、六边形旋转绞盘、单向可折叠式探杆及安全带。支架底部以可制动式万向轮在井口周围地面起到支撑作用，并可实现深井救生机器人在水平面上的平动；支架上部圆形槽内通过销轴连接六边形旋转绞盘；六边形旋转绞盘中部环绕单向可折叠式探杆、控制线及救生绳，其一侧配有旋转用把手，并通过转动把手实现单向可折叠式探杆、控制线及救生绳的提升和降落。通过支架的圆周转动及绞盘的直线运动可使探杆到达井面的任意位置，操作绞盘收放折叠杆使机械手到达井内任意深度。

所述的蛇形机械手包括指节、螺栓、弹簧及钢丝绳；各指节间以螺栓进行连接，并在指节外缘孔内穿过钢丝绳；各指节连接处可实现运动的钢丝绳上装有调节张紧力的拉簧；为减小运动过程中的摩擦阻力影响，各零件间适当润滑。通过控制钢丝绳的长度，实现蛇形机械手的空间运动。

所述的机械手联动装置主要由机械手弯曲控制联动装置和伸缩装置两部分组成。包括套筒式末节探杆、导杆、齿轮、齿条、直线轴承、上电机支架、下电机支架、滑轮；设计中将末节探杆与可折叠式探杆通过螺纹连接，导杆通过直线轴承固定于末节探杆内，机械手置于导杆尾部，导杆推动机械手沿探杆向下运动。导杆一侧嵌入齿条，在导杆运行上位置和下位置间开四条导轨槽。在机械手和导轨结合部对应探杆的位置装有一个机械手伸缩电机，电机上的齿轮穿过探杆上的凹槽与导杆上的齿条啮合。机械手伸缩电机由专用支架放在导杆上，随机械手联动。

所述的前端信息反馈装置由照明灯、摄像头、对讲系统等组成。照明灯实现对井下的照明，对讲系统实现与落井人员的对话，摄像头可用于观察被困者状况及所处环境，并辅助机械手在前进过程中寻找被困者与井壁间隙以便使其环绕被困者一周，将绳端锁扣回挂到救援绳上。

所述的监视控制终端包括监视器、操作盒、控制器、操作杆、复位钮及快捷钮；操作盒内安装控制板，并通过螺钉固定操作杆、复位钮及快捷钮。监视控制终端对井下的监视主要依靠所带的两个摄像头实现，所拍到的视频送到井上监视器上，救援人员可操作控制终端上的按钮及手柄完成机械手及其联动装置的动作，亦可选择电脑程序控制面板实现手臂伸、缩、转弯等各个方向的运动。

本发明的深井救生机器人采用了以上的技术方案，具有以下优点和特点：

1、采用机电结合的救生系统，适应各类复杂的井下环境。避免一些纯机械救援装置适应能力不强，安全性、可靠性不足等缺陷。

2、通过机械手完成将救生绳索系在被困者身上的任务，救援方式安全可靠，适用范围广。无论被困者处于何种体征状态(尤其是缺氧、昏厥、失血等)，均可实施井下无人救助。

3、设计中采用刚性十字对开指节，以弹簧调整力学传递特性，钢丝绳控制弯曲方向及角度，并使控制其由套筒内循序伸出；上述结构设计同时兼顾到机械手的运动灵活性和可控性。

4、在蛇形机械手基础上，设计出一套井上、井下联动装置，保证该救生装置在各方向上的运动灵活、传动可靠；尤其是井上收放装置中的六边形绞盘、单向可折叠式探杆保证了对井下装置的准确定位；机械手及其联动装置的结合保证了环绕路径的可控性。

附图说明

下面结合附图和实施对本发明做进一步说明。

图1是本发明深井救生机器人的结构示意图。

图2是井上收放及平动装置示意图。

图3是单向可折叠式探杆连接示意图。

图4是井下部分正面示意图。

图5是井下部分侧面示意图。

图6是蛇形机械手结构示意图。

图7是蛇形机械手指节结构示意图。

图8是蛇形机械手与导杆连接示意图。

图9是导杆与探杆连接示意图。

图10是监视控制终端示意图。

图1中，1是井上收放及平动装置，2是蛇形机械手，3是机械手联动装置，包括机械手弯曲控制联动装置和伸缩装置，4是前端信息反馈装置，5是监视控制终端，6是模拟井，7是模拟井口，8是救生绳，9是蝶形螺母，10是氧气瓶，11是控制线。

图2中，101是可制动式万向轮，102是螺栓，103是支架，104是调节螺栓，105是定位螺栓，106是六边形旋转绞盘，107是连接套，108是销，109是单向可折叠式探杆，110是安全带。

图3中，1091是强磁铁，1092是探杆一，1093是铰链，1094是探杆二。

图4中，301是小绞盘(滑轮)，302是联动电机，303是螺栓，310是联动电机支架，304是伸缩电机，305是键，306是齿轮，307是导杆，308是固定支架，111是末节探杆，10是氧气瓶，112是氧气瓶卡环，113是连接螺栓，401是下卡环，402是紧定螺钉，403是中间环，404是紧定螺钉，405是上卡环，406是接头，407是弹簧，408是照明灯，409是摄像头，410是螺栓，411是摄像头接头，412是顶端接头，413是摄像头，414是天线。

图5中，309是螺栓，415是螺栓。

图6中，201是钢丝绳，202是指节，203是弹簧，204是螺栓。

图8中，307是导杆，201是钢丝绳，202是蛇形机械手指节，204是螺栓。

图9中，307是导杆，114是直线轴承，111是末节探杆，303是螺栓，310是联动电机支架。

图10中，501是监视器，502是复位钮，503是快捷钮，504是操作盒，505是操作杆，506是连接销。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。

本发明是一种用于井下救生的机械手，主要由井上收放及平动装置、蛇形机械手、机械手联动装置、前端信息反馈装置、监视控制终端五部分组成。

请参见图1，图2，图4，图5，图8，图9，井上收放及平动装置1通过螺栓和蝶形螺母9与末节探杆111连接在一起。末节探杆111上端与可折叠式探杆109铰链连接，末节探杆111在一定长度上均布四条通槽，作为控制装置的导路。导杆307通过两个直线轴承114定位于末节探杆111内，与蛇形机械手2通过螺纹进行连接。导杆307上均布四个槽，四根钢丝绳201分别穿在四个槽中由小绞盘301拉动，当电机302转动时，小绞盘301实现对钢丝绳的收放，进而实现对机械手的弯曲控制。联动电机302通过螺栓303与导杆307连接，随导杆移动。末节探杆111上焊接有固定支架308，通过螺栓309与伸缩电机304相连，伸缩电机304与齿轮306通过键305连接，齿轮306穿过探杆上的凹槽与导杆307上的齿条啮合，伸缩电机为自锁电机，可以对导杆的位置进行定位，当伸缩电机304转动时，通过调节导杆的位置实现机械手2的伸缩运动。第二个固定支架308上，通过连接螺栓113固定着氧气瓶卡环112，氧气瓶10被卡环夹紧，实现对井下氧气的供给。

请参见图2，可制动式万向轮101与支架103之间通过螺纹102进行连接，实现位置的固定；104为带有星形把手的调节螺栓，装置共有四个调节螺栓，与机架形螺纹副，可以调节六边形旋转绞盘的轴向位移；六边形旋转绞盘106的把手坐落于机架103的圆形槽中，定位螺栓105对六边形旋转绞盘106的把手进行上定位，保证把手能够灵活的转动。连接环107通过机架103上的焊接圆环进行定位，连接环107与单向可折叠式探杆109之间通过销108进行连接，保证可折叠式探杆能够做圆周转动。

请参见图4、图5，下卡环401，通过紧定螺钉402固定于末节探杆111内，中间环403上装有摄像头409和照明灯408，中间环403通过螺纹连接接头406，接头406上固定着弹簧407，弹簧407与灯泡408接头之间通过螺栓415连接，以实现对井下的照明。弹簧407与摄像头409之间设有摄像头接头411，摄像头接头411通过螺栓410与摄像头409相连，摄像头可以拍下井下的救生全景。用于对中间环403进行上轴向定位的是上卡环405，通过紧定螺钉404在末节探杆111上进行锁紧定位。在蛇形机械手2的前端，粘连着顶端接头412，顶端412上连接着摄像头413，413上带有天线414，用于间隙探查、锁扣搭接及状况监视等。

请参见图6，图7，图8，蛇形机械手由各个指节202扣合而成，其间以螺栓204进行连接，机械手在外缘处由四根钢丝绳201串联，钢丝绳201的长度由联动电机302的转动控制。在各个指节202间加装弹簧203，使运动过程受力均匀。蛇形机械手的最前端205与接头412粘连在一起。导杆307和指节202通过螺栓204进行连接。

请参见图1，图10，监视控制终端5的操作盒504内安装控制板，并通过螺钉固定操作杆505、复位钮502及快捷钮503。监视器501通过连接销506与操作盒504形成转动副，可在180°的范围内转动。救援人员可操作控制终端5上的按钮及操作杆505完成蛇形机械手2及其联动装置的动作。

本发明所述的井下救生机器手，将整套装置移至井上，通过操作井上收放及平动装置1将探杆109伸入井下，调整至合适的工作位置，并在此过程中通过监视控制终端5不断监视井下情况。根据摄像头409和摄像头413传送的视频信息，将可伸缩式探杆109从落井者和井壁之间的空隙穿过，通过伸缩电机304将蛇形机械手2从末节探杆111中伸出，同时控制四个联动电机302实现蛇形机械手2环绕被困者一周，当蛇形机械手2前进方向遇到障碍时，可略作回退，适当调整避开障碍后，再次送出完成环绕。根据视频监视信号调整蛇形机械手2，直至机械手顶端的钩锁搭住救生绳8，确保安全地将救生绳8系在落井者身上。启动井上收放装置1，将救生绳8及折叠式探杆109收起，直至将落井者救出，从而完成整个救助过程。

本发明的井下救生机器手，经试验、定型后，可配发110或武警救援部队，能够提高其救援能力。蛇形机械手及其联动装置控制系统亦可用于各种监视需要，如战场侦察机器人等。

Claims (5)

1.一种用于井下救生的机械手，其特征在于：由井上收放及平动装置、蛇形机械手、机械手联动装置、前端信息反馈装置、监视控制终端等组成；

所述的井上收放及平动装置包括井上支架、可制动式万向轮、六边形旋转绞盘、单向可折叠式探杆及救生绳。支架底部以可制动式万向轮在井口周围地面起到支撑作用，并可实现深井救生机器人在水平面上的平动；支架上部滑槽内通过销轴连接六边形旋转绞盘；六边形绞盘中部环绕单向可折叠式探杆、控制线及救生绳，其两侧配有旋转用把手，并通过转动把手实现单向可折叠式探杆、控制线及救生绳的提升和降落；

所述的蛇形机械手包括指节、螺栓、弹簧及钢丝绳；各指节间以螺纹进行连接，并在指节外缘孔内穿过钢丝绳；各指节连接处可实现运动的钢丝绳上装有调节张紧力的拉簧；为减小运动过程中的摩擦阻力影响，各零件间适当润滑。通过控制钢丝绳的长度，实现蛇形机械手的空间运动；

所述的机械手联动装置主要由机械手弯曲控制联动装置和伸缩装置两部分组成。包括套筒式末节探杆、齿轮、齿条、直线轴承、上电机支架、下电机支架、滑轮；设计中将机械手置于导杆尾部，导杆推动机械手沿探杆向下运动。导杆一侧嵌入齿条，在导杆运行上位置和下位置间开四条导轨槽。在机械手和导轨结合部对应探杆的位置装有一个机械手伸缩电机，电机上的齿轮穿过探杆上的凹槽与齿条啮合。机械手伸缩电机由专用支架放在导杆上，随机械手联动；

所述的前端信息反馈装置由照明灯、摄像头、对讲系统等组成。照明灯实现对井下的照明，对讲系统实现与落井人员的对话，摄像头可用于观察被困者状况及所处环境，并辅助机械手在前进过程中寻找被困者与井壁间隙以便使其环绕被困者一周，将绳端锁扣回挂到救援绳上；

所述的监视控制终端包括监视器、操作盒、控制器、操作杆、复位钮及快捷钮；操作盒内安装控制板，并通过螺钉固定操作杆、复位钮及快捷钮。监视控制终端对井下的监视主要依靠所带的两个摄像头实现，所拍到的视频送到井上监视器上，救援人员可操作控制终端上的按钮及手柄完成机械手及其联动装置的动作，亦可选择电脑程序控制面板实现手臂伸、缩、转弯等各个方向的运动。

2.根据权利要求1所述的井下救生机械手，其特征在于：设计中采用刚性十字对开指节，以弹簧调整力学传递特性，钢丝绳控制弯曲方向及角度，并控制其由套筒内循序伸出；上述结构设计同时兼顾到机械手的运动灵活性和可控性。

3.根据权利要求1所述的井下救生机械手，其特征在于：在蛇形机械手基础上，设计出一套井上、井下联动装置，保证该救生装置在各方向上的运动灵活、传动可靠；尤其是井上收放装置中的六边形绞盘、单向可折叠式探杆保证了对井下装置的准确定位；机械手及其联动装置的结合保证了环绕路径的可控性。

4.根据权利要求1所述的井下救生机械手，其特征在于：通过机械手完成将救生绳索系在被困者身上的任务，救援方式安全可靠，适用范围广。无论被困者处于何种体征状态，均可实施井下无人救助。

5.根据权利要求1所述的井下救生机械手，其特征在于：采用机电结合的救生系统，适应各类复杂的井下环境。避免了部分纯机械救援装置适应能力不强，安全性、可靠性不足等缺陷。

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