CN104354153A - 救援机器人用多功能执行手臂 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种救援机器人多功能执行手臂，包括手臂主体及执行末端(13)；执行末端(13)包括固定于减速电机固定座(24)上的减速电机(18)，直齿圆柱齿轮(19)、直齿齿条(20)、机械夹钳(21)、机械剪钳(22)和弹簧(23)；在机械剪钳(22)和机械夹钳(21)上均设置有挂钩，所述弹簧(23)的两端各钩挂于此两个挂钩(28，32)上，在初始时刻弹簧存在压缩预紧力。本发明针对室外伤员救援过程中影响救援进展的不利因素进行设计，具有结构紧凑、“维护方便”的优点。

Description

救援机器人用多功能执行手臂

技术领域

本实用新型属于救援机器人领域，具体涉及一种用于复杂环境下路面障碍清除，辅助搬运伤员的救援机器人附属装置。

背景技术

近年来，突发的自然灾害和重特大社会安全事故的发生，其周围自然、人为环境具有高度复杂性、任意性，其发生时间具有突发性。目前，救援机器人已经用于自然灾害和战场的救援工作，用以提高救援工作效率和安全性。

伤员所处的地形环境有时会限制救援机器人展开救援工作，这一情况会严重影响救援机器人发挥作用拖延救援工作的时间。其原因包括：(1)伤员所处的空间狭小，限制救援机器人在当场展开工作；(2)伤员所处的环境复杂、杂物众多限制救援机器人发挥救援功能；(3)伤员背负的物品，影响拾取装置的正常工作。因此，国内外众多研究机构致力于研制承载较大、操作灵活的机械臂和机械手，作业能力提高，但往往带来体积较大、价格昂贵、作业空间要求高等实际问题。

实用新型内容

本实用新型的目的是克服现有伤员救援工作中的上述不足，为救援机器人设计一种辅助拾取伤员工作的装置，用于在复杂、恶劣环境下排除伤员身体上障碍物，拖拽伤员脱离危险环境。本实用新型的多功能执行手臂，针对室外伤员救援过程中影响救援进展的不利因素，依据“结构紧凑”、“体积小巧”、“功能够用”、“维护方便”的原则进行结构设计，可以配合救援机器人其它功能子系统协调工作，辅助救援机器人高效地完成救援工作。

为此，本实用新型采用的技术方案如下：

一种救援机器人多功能执行手臂，包括与救援机器人车体固定联接手臂主体及设置在手臂主体末端的执行末端(13)；其中，

所述的执行末端(13)包括减速电机固定座(24)，固定于减速电机固定座(24)上的减速电机(18)，直齿圆柱齿轮(19)、直齿齿条(20)、机械夹钳(21)、机械剪钳(22)和弹簧(23)。

在减速电机固定座(24)上设置有导向槽，直齿圆柱齿轮(19)与减速电机(18)的输出轴连接固定；直齿齿条(20)与直齿圆柱齿轮(19)啮合并可在减速电机固定座(24)的导向槽内水平滑动；

所述的机械剪钳(22)通过剪钳固定孔座33固定连接在与直齿齿条(20)的前端。在机械剪钳(22)上设置有剪钳导向槽(30)和导向柱(31)，机械夹钳(21)与机械剪钳相贴合，其上设置有夹钳导向槽(29)，机械剪钳(22)上的导向柱(31)可在夹钳导向槽(29)内直线滑动，机械夹钳(21)上的夹钳弹簧挂钩(28)可在剪钳导向槽(30)内直线相向直线滑动；

在机械剪钳(22)和机械夹钳(21)上均设置有挂钩，所述弹簧(23)的两端各钩挂于此两个挂钩(28，32)上，在初始时刻弹簧存在压缩预紧力。

作为优选实施方式，所述的手臂主体包括斜齿齿条(11)、电机座(14)、蜗轮蜗杆减速马达(12)和导杆式电动缸(10)，执行末端(13)的减速电机固定座(24)与斜齿齿条(11)固定连接，斜齿齿条(11)在电机座(14)上的导向槽内可垂直滑动，电机座(14)与导杆式电动缸(10)固定连接，导杆式电动缸(10)的缸体与救援机器人2的车体固定联接，使电机座(14)、斜齿齿条(11)、减速电机固定座(24)和执行末端(13)与导杆式电动缸(10)同步运动，从而完成执行末端(13)水平伸缩运动；蜗轮蜗杆减速马达(12)与电机座(14)连接固定，斜齿圆柱齿轮(15)固定于蜗轮蜗杆减速马达(12)上并与斜齿齿条(11)相啮合；蜗轮蜗杆减速马达(12)开机启动带动与其连接的斜齿圆柱齿轮(15)旋转，进而带动斜齿齿条(11)上下运动。

本实用新型的技术效果如下：

(1)利用本实用新型的多功能执行手臂系统，能够使救援机器人在当时没有条件进行伤员拾取的情况下，利用执行末端的机械剪钳，剪开伤员身上的多余负重装备以方便救援机器人继续救援工作；利用执行末端的机械夹钳，可夹取并移除压覆在伤员身体上的障碍和重物，亦可夹持伤员衣物，将其拖拽到有条件进行伤员拾取的环境中，以确保救援机器人能顺利开展救援工作。

(2)救援机器人附属系统中的机械剪钳和机械夹钳同时存在于执行手臂系统中，通过执行手臂与人体或其它物品之间的接触力克服弹簧的预紧力，实现机械剪钳和机械夹钳的功能切换。

(3)导杆式电动缸安装于车体内部，通过调整导杆式电动缸的伸缩长度即可调整与之连接的执行末端的水平距离；通过蜗轮蜗杆减速马达调整斜齿齿条的长度即可调整执行末端的垂直距离，实现执行手臂在空间的定位，结构紧凑。

附图说明

图1救援机器人障碍清除装置工作示意图；

图2救援机器人多功能执行手臂工作示意图；

图3救援机器人多功能执行手臂工作时等轴测视图；

图4救援机器人工作时附属装置位姿视图；

图5多功能执行手臂执行末端装置爆炸视图；

图6障碍清除装置3-耙状属具25示意图

图7障碍清除装置3-刀状属具26示意图；

图8机械夹钳示意图；

图9机械剪钳示意图；

图10救援机器人附属装置复位示意图；

图11多功能执行手臂执行末端低位姿示意图；

图12多功能执行手臂执行末端高位姿示意图；

图13为阶梯轴示意图。

图1到图13中：1:救援机器人，2收纳系统，3障碍清除装置，4多功能执行手臂，5沙石，6杂物，7伤员，8属具，10导杆式电动缸，11斜齿齿条，12蜗轮蜗杆减速马达，13执行末端，14电机座，15斜齿圆柱齿轮，16类铲形拾取装置，17中间过渡输送装置，18减速电机，19直齿圆柱齿轮，20直齿齿条，21机械夹钳，22机械剪钳，23弹簧，24减速电机固定座，25耙状属具，26刀状属具，27刀片，28夹钳弹簧挂钩，29夹钳导向槽，30剪钳导向槽，31导向柱，32剪钳弹簧挂钩，33剪钳固定孔座，34阶梯轴，35轴承座，36电机，37弹性联轴器，38属具长柄，39定位安装孔，40开口销安装孔

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型做进一步说明。

由图1—图13可知，本实用新型的救援机器人多功能执行手臂4与障碍清除装置3均属于附属系统，是其重要辅助功能装置。

当救援机器人1接近伤员7时，智能控制系统自动收集伤员7所处的周围环境信息，综合机器人自身运行姿态，预估伤员7营救方案，并发送到远程控制端，由操作人员进行决策，并制定伤员7救援策略。

当操作人员通过救援机器人1自带的传感系统或图像采集模块发现伤员7周围存在凸起土块、沙石5和其它杂物等阻碍收纳系统2进行伤员7拾取工作时，通过远程控制平台控制障碍清除装置3由高位做旋转动作如图1所示，使属具8与地面接触，通过接触式传感器反馈的信号自动控制电机36停机，避免对电机造成堵转破坏，此时救援机器人1整车后退，通过清障属具8平整地面，为收纳系统2拾取伤员7提供较好的地面环境。

障碍清除装置为模块化设计，可以搭载不同类型和功能的属具，图6为耙状属具25，适用于清除凸起土块、沙石5等硬质块状障碍物；图7为刀状属具26，适用于清除荆棘、植物枝干、织网以及钢丝网等缠绕物，刀状属具26可以根据实际情况改变刀片27数量与位置以满足不同情况的使用要求。障碍清除装置3中的耙状属具25或刀状属具26通过螺栓与两个阶梯轴34的固定联接，其中，左侧阶梯轴34一端与长柄38属具的定位安装孔39通过螺丝固定连接，另一端穿过轴承座35，通过弹性联轴器37与电机36固定连接，电机36与救援机器人车架2固定连接；右侧阶梯轴34一端与长柄38属具的定位安装孔39通过螺丝固定连接，另一端穿过轴承座35，然后用开口销穿过开口销安装孔40限制阶梯轴34的轴向移动。需要平整路面时，电机36旋转，带动阶梯轴34以及与其连接的清障属具8(包括耙状属具25和刀状属具26)摆动到与地面相接触，当救援机器人反复前进或后退之后，完成路面平整工作。完成后，电机36反向旋转，耙状属具25或刀状属具26复位到初始位置。

如图5所示，执行末端13由减速电机18、减速电机固定座24、直齿圆柱齿轮19、直齿齿条20、机械夹钳21、机械剪钳22、弹簧23组成。减速电机18通过螺钉固定于减速电机固定座24上，直齿圆柱齿轮19与减速电机18的输出轴连接固定。直齿齿条20与直齿圆柱齿轮19啮合并可在减速电机固定座24的导向槽内水平滑动。机械剪钳22的剪钳固定孔座33通过螺栓与直齿齿条20的一端连接固定，实现与其同步运动。机械剪钳22与机械夹钳21相贴合，机械剪钳22上的导向柱31可在夹钳导向槽29内直线滑动，同时机械夹钳21上的夹钳弹簧挂钩28可在剪钳导向槽30内直线相向直线滑动。弹簧23一端钩挂于钳弹簧挂钩28，一端钩挂于剪钳弹簧挂钩32上，在初始时刻弹簧存在压缩预紧力。

执行末端13的减速电机固定座2通过螺栓与斜齿齿条11连接固定，斜齿齿条11在电机座14上的导向槽内可垂直滑动。蜗轮蜗杆减速马达12通过螺栓与电机座14连接固定，斜齿圆柱齿轮15通过固定于蜗轮蜗杆减速马达12上并与斜齿齿条11相啮合。

当伤员7头部、后背处于凹地内，类铲形拾取装置16无法插入伤员7身体下部或者会对伤员7造成损伤，此时需要将伤员7拖至平整路面或者将伤员7头部悬空。导杆式电动缸直线移动，带动电机座14、动蜗轮蜗杆减速马达12、斜齿齿条11、斜齿圆柱齿轮15和执行末端13向车前方伸出，当执行末端13位于伤员7胸部上端时停机。此时，蜗轮蜗杆减速马达12开机启动带动与其连接的斜齿圆柱齿轮15旋转，进而带动斜齿齿条11向下运动。由于弹簧23存在一定的压缩预紧力作用，所以执行末端13的机械夹钳21能够贴合伤员7衣物，当执行末端13的属具8与伤员7的身体接触时，蜗轮蜗杆减速马达12停机(执行末端13的相对位姿状态如图11所示)。执行末端13开始工作，其上端减速电机18以一定速度带动直齿圆柱齿轮19旋转，两条直齿齿条20相对向中运动直至机械夹钳21将伤员7衣服加紧。此时蜗轮蜗杆减速马达12再次启动，其转向与开始时相反。当执行末端13夹取伤员7衣物上升至足够高度时(执行末端13的相对位姿状态如图12所示)，蜗轮蜗杆减速马达12停机。此时，救援机器人1后退致使执行末端13拖拽伤员7至适合的地点开展后续的拾取工作。

当伤员7的身体上压盖了一些杂物6时，此时执行末端13会使用机械夹钳21来夹取杂物6并配合救援机器人1的底盘运动将其放至到其它位置；当伤员7身上携带有背包、背囊、武器装备时，执行末端13根据实际情况使用机械剪钳22，当执行末端13继续向伤员7下降靠近时，作用在机械夹钳21和伤员7之间的接处力突破了弹簧23的预紧力作用，机械夹钳21被顶起，压力传感器和距离传感器感知信号变化，当机械剪钳22与背带接触时，执行末端13停止靠近动作，剪断装备的背带，防止装备、杂物进入影响收纳系统2的正常工作。

当救援机器人1类铲形拾取装置16、中间过渡和输送装置17工作时，如图4所示，电机开机带动属具旋转至低位C点，同时蜗轮蜗杆减速马达12开机，带动斜齿齿条11和执行末端13向下运动，到达B点位置后电机36和蜗轮蜗杆减速马达12停机。

当救援机器人1完成伤员7的拾取工作后，类铲形拾取装置16、中间过渡输送装置17恢复图1所示位姿。电机36开机带动属具8旋转至高位D点，同时蜗轮蜗杆减速马达12开机，带动斜齿齿条11和执行末端13向上运动，到达A点位置后蜗轮蜗杆减速马达12停机，附属装置复位状态如图8所示。救援机器人1在附属装置复位之后完成了全部现场救援工作，救援机器人运送伤员7驶离现场。

Claims (2)

1.一种救援机器人多功能执行手臂，包括与救援机器人车体固定联接手臂主体及设置在手臂主体末端的执行末端(13)；其中，

所述的执行末端(13)包括减速电机固定座(24)，固定于减速电机固定座(24)上的减速电机(18)，直齿圆柱齿轮(19)、直齿齿条(20)、机械夹钳(21)、机械剪钳(22)和弹簧(23)。

在减速电机固定座(24)上设置有导向槽，直齿圆柱齿轮(19)与减速电机(18)的输出轴连接固定；直齿齿条(20)与直齿圆柱齿轮(19)啮合并可在减速电机固定座(24)的导向槽内水平滑动；

所述的机械剪钳(22)通过剪钳固定孔座33固定连接在与直齿齿条(20)的前端。在机械剪钳(22)上设置有剪钳导向槽(30)和导向柱(31)，机械夹钳(21)与机械剪钳相贴合，其上设置有夹钳导向槽(29)，机械剪钳(22)上的导向柱(31)可在夹钳导向槽(29)内直线滑动，机械夹钳(21)上的夹钳弹簧挂钩(28)可在剪钳导向槽(30)内直线相向直线滑动；

在机械剪钳(22)和机械夹钳(21)上均设置有挂钩，所述弹簧(23)的两端各钩挂于此两个挂钩(28，32)上，在初始时刻弹簧存在压缩预紧力。

2.根据权利要求1所述的多功能执行手臂，其特征在于，所述的手臂主体包括斜齿齿条(11)、电机座(14)、蜗轮蜗杆减速马达(12)和导杆式电动缸(10)，执行末端(13)的减速电机固定座(24)与斜齿齿条(11)固定连接，斜齿齿条(11)在电机座(14)上的导向槽内可垂直滑动，电机座(14)与导杆式电动缸(10)固定连接，导杆式电动缸(10)的缸体与救援机器人2的车体固定联接，使电机座(14)、斜齿齿条(11)、减速电机固定座(24)和执行末端(13)与导杆式电动缸(10)同步运动，从而完成执行末端(13)水平伸缩运动；蜗轮蜗杆减速马达(12)与电机座(14)连接固定，斜齿圆柱齿轮(15)固定于蜗轮蜗杆减速马达(12)上并与斜齿齿条(11)相啮合；蜗轮蜗杆减速马达(12)开机启动带动与其连接的斜齿圆柱齿轮(15)旋转，进而带动斜齿齿条(11)上下运动。