CN105397817A - 一种应急救援机器人 - Google Patents

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赵修林
姬芳
魏盼盼
刘红建
万熠
马玉华
宋峰
宋滕飞
王德健
梁西昌
寇彦芸
朱振杰
靳一凡
吕海新
闵凡涛
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SHANDONG LUBAN MACHINERY TECHNOLOGY Co Ltd
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    • AHUMAN NECESSITIES
    • A62LIFE-SAVING; FIRE-FIGHTING
    • A62BDEVICES, APPARATUS OR METHODS FOR LIFE-SAVING
    • A62B5/00Other devices for rescuing from fire
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25JMANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J11/00Manipulators not otherwise provided for

Abstract

本发明涉及一种应急救援机器人,包括底盘及支承、动力及平台、起重举升臂、覆盖件、座椅、操作台、前双臂及辅具、液压传动系统、回转机构和人头形检测头。本发明的有益效果是:同时具备搜索和救援功能。具备远距离大范围搜索和几乎所有救援机械所具备的挖掘、破碎、剪切、抓装、装卸、叉装、吊装、整平、高空作业等功能。反应速度快,可在非公路环境行走和平稳作业。具备人工操作、遥控和计算机远程控制功能,可实现操作人员和救援装备之间、操作人员和遇难者之间、多救援装备之间多种形式的通讯。

Description

一种应急救援机器人
技术领域
[0001] 本发明专利涉及机器人,具体涉及一种应急救援机器人。
背景技术
[0002] 中国是世界上自然灾害种类最多、灾情最为严重的国家之一,干旱、洪涝、地震、冰雹、冰冻雪灾、风灾和沙尘暴等重特大灾害时有发生。仅就2008年以来,我国先后经历了南方大面积的冰冻雪灾、四川汶川特大地震、青海玉树地震、甘肃舟曲特大山洪泥石流、雅安芦山大地震等重特大自然灾害,再加上火灾、矿难、交通事故等频发的生产安全事故,使人民生命和财产经受了巨大损失。灾害发生后,抢险救援任务紧迫而繁重,分分秒秒都与群众生命财产安全密切相关。应急救援机器人是机器人的一个新兴发展领域,属于危险作业机器人的一个分支,具有危险作业机器人的特点。在世界各地,由于自然灾害、恐怖活动和各种突发事故等原因,灾难经常发生。在灾难救援中,救援人员只有非常短的时间(约48小时)用于在倒塌的废墟中寻找幸存者,否则发现幸存者的几率几乎为零。在这种紧急而危险的环境下,救援机器人可以为救援人员提供帮助。因此,将具有自主智能的救援机器人用于危险和复杂的灾难环境下“搜索和营救”(SAR)幸存者,是机器人学中的一个新兴而富有挑战性的领域。灾难现场搜索有了较多的仪器、设备,但救援还是局限于前期的人工和后期的工程机械。灾害前期多因道路破坏或阻塞,大型工程机械很难第一时间进入灾区现场。人工救援设备工具有限,多以千斤顶、撬棍、铁锨、洋镐为主,危险性、体能消耗大,效率低下。能介入的多以直升飞机外挂运输,国内普遍装备的直升飞机“直8”最大外挂载荷只有5吨,已拥有的200余架米-171外挂质量3吨。数量有限的“米26”(据有关资料介绍,汶川地震时我国仅有1架,临时租用俄联邦一架)外挂载荷可达20吨,但因传统工程机械挖掘机、装载机、起重机等功能单一,自身质量较大,给运输和救灾作业带来不便,极大的影响了救援效率。地震救灾所面对的是一系列世界性的科学技术难题,生命救援的最佳时间只有48小时。当前,我国经济快速发展,城市发展和城镇化进程加快,人口高度集中,财富快速积累,各种突发灾害可能造成的破坏效应更加广泛、财产损失更加巨大,其对经济社会发展和公共安全构成的威胁更加严重。在装备制造技术发展突飞猛进的今天,常规的应急装备成为灾害救援的瓶颈,往往由于通往灾区被严重破坏的交通要道成为救援抢险的阻隔,即使再勇猛的人民解放军也只能先抢通道路才能深入灾区救援。目前救援还是局限于前期的人工和后期的工程机械。灾害前期多因道路破坏或阻塞,大型工程机械很难第一时间进入灾区现场。人工救援设备工具有限,多以千斤顶、撬棍、铁锨、洋镐为主,危险性、体能消耗大,效率低下。能介入的多以直升飞机外挂运输,国内普遍装备的直升飞机“直8”最大外挂载荷只有5吨,已拥有的200余架米-171外挂质量3吨。数量有限的“米26”(据有关资料介绍,汶川地震时我国仅有1架,临时租用俄联邦一架)外挂载荷可达20吨,但因传统工程机械挖掘机、装载机、起重机等功能单一,自身质量较大,给运输和救灾作业带来不便,极大的影响了救援效率,给人民的生命财产带来巨大损失。除了事前防范之外,事后救援能力是体现一个国家应急抢险救援能力强弱的一个重要标志。研发一种应急救援机器人最大限度的替代人工徒手作业,部分替代大型工程机械。
发明内容
[0003] 为了解决上述问题,本发明提供了一种应急抢险救援能力强,功能多,具有高通讯能力和智能化的应急救援机器人。
[0004] 为实现上述目的,本发明所采用的技术方案为:
一种应急救援机器人,包括底盘及支承、动力及平台、起重举升臂、覆盖件、座椅、操作台、前双臂及辅具、液压传动系统、回转机构和人头形检测头,在底盘及支承的上面设有动力及平台,底盘及支承与动力及平台通过回转机构连接在一起,在动力及平台上设有起重举升臂、覆盖件、座椅、操作台、前双臂及辅具、液压传动系统和人头形检测头。
[0005] 所述底盘及支承由四只蜘蛛型支腿、履带底盘(下车架、行走马达及减速机、四轮一带、涨紧装置等)、前推叉、支腿油缸压力传感器、转速传感器、垂直油缸、左右摆动油缸和前后摆动油缸组成。履带底盘在传统微型挖掘机底盘基础上进行了改进,前后焊接高强度钢板延伸下车架,增加支腿箱安装了四只蜘蛛型支腿液压支腿。四只蜘蛛型支腿具有较大支腿跨度和支撑行程,可在0-400_高度范围内实现设备的平稳作业,还可通过前后摆动油缸、左右摆动油缸复合动作,在遇有路障、履带行走方式受阻时前、后、左、右摆动辅助行走,大幅增加越野性能。平台安装有双轴倾角传感器,与支腿油缸压力传感器配合可实现车身调平和作业状态防倾翻。行走马达装有转速传感器,可实现行走状态的精确、自动控制。前推叉在垂直油缸的作用下可实现推铲和叉车功能,用去清除路障和叉举物件。
[0006] 所述动力及平台由平台、发动机、液压栗、液压油箱、燃油箱、双轴倾角传感器组成。平台作为上部基础部件,用高强度薄钢板压制焊接而成,具备高强度、低质量的特点,用来安装和支撑发动机、液压栗、液压油箱、燃油箱、前双臂、起重举升臂、覆盖件、液压系统和传感控制系统、电气系统部分零部件。发动机为多缸国排放标准工程机械用增压柴油发动机,具备低速大扭矩满足液压传动需求、电控高压共轨低排放可实现故障自诊断和自动控制,用来驱动液压栗,实现机械和液压能量的转换,驱动行走马达和其它工作装置。液压栗为负载敏感变量栗,可根据需求实现压力和流量的自动调节,增加作业平稳性、降低动力损耗。液压油箱为薄板焊成的箱式结构,用来储存、过滤、冷却液压油。燃油箱用来储存燃油,具有较大容量,可满足8小时作业需求。
所述起重举升臂用来实现起重和高空作业功能,由固定臂、起重臂、伸缩臂、作业栏、调平装置、回转装置、变幅装置、倾角传感器、电液比例阀组成。伸缩臂由外臂、内臂、伸缩臂油缸、平衡阀、滑块组成,控制伸缩臂油缸伸缩即可实现内臂伸缩,增加起重和高空作业范围。本研究应用了自润滑、自补偿发明专利的滑块,可大幅减少伸缩臂冲击,降低摩擦力和维护周期。作业栏可承载100kg,承载一人完成搜救作业。作业栏装有倾角传感器,配合调平油缸和电液比例阀实现作业栏调平。
[0007] 所述起重举升臂延伸可快速更换多级多关节搜救臂,可实现大范围、多角度伸缩、弯曲,搜救臂末端为柔性结构,在搜救臂的末端装有搜索探头,可深入狭小空隙实现搜索。搜索探头由生命探测仪、红外摄像头、照明灯、麦克、扩音器组成,与遥控器、控制器、计算机、耳机配合实现远程控制,具备较强通讯能力,可实现不同高度、距离和狭小、危险空间的生命搜救。生命探测仪用于探索生命迹象,远红外摄像头配合显示器实现不同视线环境的图像传输。麦克和扩音器实现远距离搜救和遇险人员间微弱的语音通讯
所述座椅及操作台用于人工手动作业,设计在两前臂间,可以根据视线需要升降。座椅为折叠式结构,远程控制作业时可以折叠。操作台安装有显示器和各种手柄、按钮,用于显示主要性能、工况参数和实现操作。覆盖件上方设计有人头形检测头,安装有CCD摄像头、扩音器、照明灯具,用于辅助搜索。遥控器在危险工况可实现遥控操作,配合人机界面显示器可实现100范围内的远程控制。
[0008] 所述前双臂及辅具具备7个自由度,由一臂、二臂、三臂、连接装置、回转装置、液压油缸、工作辅具组成。臂架由高强度薄钢板冲压、焊接成箱式结构,符合高强度、低重量需求。各级臂及液压油缸间通过销轴及套铰接,具备良好润滑。连接装置由回转支承及马达、快换接头、摆动装置组成,可实现360全回转和较大范围内万向摆动,快换接头可自动控制实现破碎锤、液压剪、挖斗、抓具、夹具等多种工作辅具的快换,满足多种工况的作业需求。回转装置由回转臂座、回转油缸组成,可实现前双臂及工作辅具90°回转作业,配合平台回转,极大地扩大了作业范围。一臂、二臂、三臂、连接装置均有双作用液压油缸支撑和变幅,具备较大支撑力矩和变幅范围。液压油缸装有平衡阀用来锁止油缸和实现平稳伸缩。
[0009] 本发明的有益效果是:同时具备搜索和救援功能。具备远距离大范围搜索和几乎所有救援机械所具备的挖掘、破碎、剪切、抓装、装卸、叉装、吊装、整平、高空作业等功能。反应速度快,可在非公路环境行走和平稳作业。具备人工操作、遥控和计算机远程控制功能,可实现操作人员和救援装备之间、操作人员和遇难者之间、多救援装备之间多种形式的通讯。
附图说明
[0010] 图1为本发明的结构示意图。
[0011] 图2为安装搜救臂的结构示意图。
[0012] 图3为搜索探头的结构示意图。
[0013] 图4为底盘及支承的结构示意图。
[0014] 图5为前双臂及辅具的结构示意图。
[0015] 图6为连接装置的结构示意图。
[0016] 图7为起重举升臂的结构示意图。
具体实施方式
[0017] 下面结合附图与具体实施例对本发明作进一步描述:
如图1所示,一种应急救援机器人,包括底盘及支承1、动力及平台2、起重举升臂3、覆盖件4、座椅5、操作台6、前双臂及辅具7、液压传动系统8、回转机构9和人头形检测头10,在底盘及支承1的上面设有动力及平台2,底盘及支承1与动力及平台2通过回转机构9连接在一起,在动力及平台2上设有起重举升臂3、覆盖件4、座椅5、操作台6、前双臂及辅具
7、液压传动系统8、传感控制系统10、人头形检测头10。所述动力及平台2由平台、发动机、液压栗、液压油箱、燃油箱、双轴倾角传感器2-2组成。平台作为上部基础部件,用高强度薄钢板压制焊接而成,具备高强度、低质量的特点,用来安装和支撑发动机2-1、液压栗、液压油箱、燃油箱、前双臂7、起重举升臂3、覆盖件4、液压系统8和传感控制系统10、电气系统部分零部件。发动机2-1为多缸国3排放标准工程机械用增压柴油发动机,具备低速大扭矩满足液压传动需求、电控高压共轨低排放可实现故障自诊断和自动控制,用来驱动液压栗,实现机械和液压能量的转换,驱动行走马达和其它工作装置。液压栗为负载敏感变量栗,可根据需求实现压力和流量的自动调节,增加作业平稳性、降低动力损耗。液压油箱为薄板焊成的箱式结构,用来储存、过滤、冷却液压油。燃油箱用来储存燃油,具有较大容量,可满足8小时作业需求。所述座椅5及操作台6用于人工手动作业,设计在两前臂7间,可以根据视线需要升降。座椅5为折叠式结构,远程控制作业时可以折叠。操作台6安装有显示器和各种手柄、按钮,用于显示主要性能、工况参数和实现操作。覆盖件4上方设计有人头形检测头10,安装有CCD摄像头、扩音器、照明灯具,用于辅助搜索。遥控器在危险工况可实现遥控操作,配合人机界面显示器可实现100范围内的远程控制。
[0018] 如图2-3所示,所述起重举升臂3延伸可快速更换多级多关节搜救臂11,可实现大范围、多角度伸缩、弯曲,搜救臂11末端为柔性结构,在搜救臂11的末端装有搜索探头12,可深入狭小空隙实现搜索。搜索探头12由生命探测仪12-1、红外摄像头12-2、照明灯12-3、麦克风12-4、扩音器12-5组成,与遥控器、控制器、计算机、耳机等配合实现远程控制,具备较强通讯能力,可实现不同高度、距离和狭小、危险空间的生命搜救。生命探测仪12-1用于探索生命迹象,远红外摄像头12-2配合显示器实现不同视线环境的图像传输。麦克风12-4和扩音器12-5实现远距离搜救和遇险人员间微弱的语音通讯。
[0019] 如图4所示,所述底盘及支承1由四只蜘蛛型支腿1-1、履带底盘1-2 (下车架、行走马达及减速机、四轮一带、涨紧装置等)、前推叉1-3、支腿油缸压力传感器1-4、转速传感器1-5、垂直油缸1-6、左右摆动油缸1-7和前后摆动油缸1-8组成。履带底盘1-2在传统微型挖掘机底盘基础上进行了改进,前后焊接高强度钢板延伸下车架,增加支腿箱安装了四只蜘蛛型支腿1-1。四只蜘蛛型支腿1-1具有较大支腿跨度和支撑行程,可在0-400_高度范围内实现设备的平稳作业,还可通过前后摆动油缸1-8、左右摆动油缸1-7复合动作,在遇有路障、履带行走方式受阻时前、后、左、右摆动辅助行走,大幅增加越野性能。平台2安装有双轴倾角传感器2-2,与支腿油缸压力传感器1-4配合可实现车身调平和作业状态防倾翻。行走马达装有转速传感器1-5,可实现行走状态的精确、自动控制。前推叉1-3在垂直油缸1-6的作用下可实现推铲和叉车功能,用去清除路障和叉举物件。
[0020] 如图5-6所示,所述前双臂及辅具7具备7个自由度,由一臂7-1、二臂7_2、三臂7-3、连接装置7-4、回转装置7-5、液压油缸7-6、工作辅具7_7组成。臂架由高强度薄钢板冲压、焊接成箱式结构,符合高强度、低重量需求。各级臂及液压油缸7-6间通过销轴7-8及套铰接,具备良好润滑。连接装置7-4由回转支承及马达7-4-1、快换接头7-4-2、摆动装置7-4-3等组成,可实现360全回转和较大范围内万向摆动,快换接头7-4-2可自动控制实现破碎锤、液压剪、挖斗、抓具、夹具等多种工作辅具的快换,满足多种工况的作业需求。回转装置7-5由回转臂座7-5-1、回转油缸7-5-2组成,可实现前双臂7及工作辅具7-7 90°回转作业,配合平台2回转,极大地扩大了作业范围。一臂7-1、二臂7-2、三臂7-3、连接装置7-4均有双作用液压油缸7-6支撑和变幅,具备较大支撑力矩和变幅范围。液压油缸7-6装有平衡阀7-9用来锁止油缸7-6和实现平稳伸缩。
[0021] 如图6所示,所述起重举升臂3用来实现起重和高空作业功能,由固定臂3-9、起重臂3-1、伸缩臂3-2、作业栏3-3、调平装置3-4、回转装置3_5、变幅装置3_6、倾角传感器3-7、电液比例阀3-8组成。伸缩臂3-2由外臂3-2-1、内臂3_2_2、伸缩臂油缸3_2_3、平衡阀3-2-4、滑块3-2-5组成,控制伸缩臂油缸3-2-3伸缩即可实现内臂伸缩3_2_2,增加起重和高空作业范围。本研究应用了自润滑、自补偿发明专利的滑块3-2-5,可大幅减少伸缩臂3-2冲击,降低摩擦力和维护周期。作业栏可承载100kg,承载一人完成搜救作业。作业栏装有倾角传感器3-7,配合调平油缸3-4和电液比例阀3-8实现作业栏调平。
[0022] 应急救援机器人的电气部分由电源(蓄电池、车载发电机)、车载起动机、传感控制显示系统、照明信号等组成。为所有用电装置提供12v直流电源,包括开关、灯光、喇叭、警报等装置。项目经优化设计,具备了轻量、小型、功能集成、远程和自动控制等特点,可替代20人以上手工作业。
[0023] 为降低整机质量,便利运输和装配,本发明前推叉1-3、四只蜘蛛型支腿1-1、前双臂及辅具7、起重举升臂3和多级多关节搜救臂11分别实现模块化设计。举例说明:如前双臂及辅具7总体是通过一臂回转臂座7-5-1与平台2、油缸7-5-2与平台2、一臂回转臂座7-5-1通过轴连接的,为了快速拆装、包装运输我们通过凸轮机构来控制轴的轴向运动,通过卡槽来控制轴的周向运动。液压管路是将多个快速接头通过一个整体外壳体来控制快速拆装实现模块化设计。电器部分通过模块开关来实现快速拆装。这样每个部分可实现快速拆装,解体后可分别包装运输,快速装配后可实现不同功能。
[0024] 本发明具有以下优点:
1、高效、多功能:同时具备搜索和救援功能。具备远距离大范围搜索和几乎所有救援机械所具备的挖掘、破碎、剪切、抓装、装卸、叉装、吊装、整平、高空作业等功能,搜寻半径大于8米,高度大于6米,可替代20名以上人工作业。附加有高低压电插口、液压、气动接口满足各种电动、气动、液压工具动力源需求,配备必要的手动救援机具,作为本设备功能有效补充,增加手机充电、照明电插口和制氧机、排水、吸尘、灭火等功能。
[0025] 2、高机动性、越野性能:反应速度快,可在非公路环境(涉水、泥泞、跨越障碍、废墟、洼地、坡道)行走和平稳作业。
[0026] 3、高通讯能力和智能化:具备人工操作、遥控和计算机远程控制功能,可实现操作人员和救援装备之间、操作人员和遇难者之间、多救援装备之间多种形式的通讯。救援装备通过灾难现场环境的识别,对遇难者进行定位,与救援队伍进行联系和通讯。操作人员和救援装备及遇难者之间的通讯主要靠声音和图像的传递。
[0027] 4、通过轻量化和模块化设计相结合的结构设计:在确保装备总质量低于我国普遍装备的直8 (外挂总质量5000kg)、米-171 (外挂总质量3000kg),可通过空运第一时间运抵灾难现场的前提下,最大限度的提高作业能力。

Claims (10)

1.一种应急救援机器人,其特征在于:包括底盘及支承、动力及平台、起重举升臂、覆盖件、座椅、操作台、前双臂及辅具、液压传动系统、回转机构和人头形检测头,在底盘及支承的上面设有动力及平台,底盘及支承与动力及平台通过回转机构连接在一起,在动力及平台上设有起重举升臂、覆盖件、座椅、操作台、前双臂及辅具、液压传动系统和人头形检测头。
2.根据权利要求1所述的应急救援机器人,其特征在于:所述底盘及支承由四只蜘蛛型支腿、履带底盘、前推叉、支腿油缸压力传感器、转速传感器、垂直油缸、左右摆动油缸和前后摆动油缸组成。
3.根据权利要求1所述的应急救援机器人,其特征在于:所述动力及平台由平台、发动机、液压栗、液压油箱、燃油箱、双轴倾角传感器组成。
4.根据权利要求1所述的应急救援机器人,其特征在于:所述起重举升臂用来实现起重和高空作业功能,由固定臂、起重臂、伸缩臂、作业栏、调平装置、回转装置、变幅装置、倾角传感器、电液比例阀组成。
5.根据权利要求4所述的应急救援机器人,其特征在于:所述伸缩臂由外臂、内臂、伸缩臂油缸、平衡阀、滑块组成,在作业栏装有倾角传感器,配合调平油缸和电液比例阀实现作业栏调平。
6.根据权利要求1所述的应急救援机器人,其特征在于:所述起重举升臂延伸可快速更换多级多关节搜救臂,搜救臂的末端装有搜索探头,可深入狭小空隙实现搜索。
7.根据权利要求6所述的应急救援机器人,其特征在于:所述搜索探头由生命探测仪、红外摄像头、照明灯、麦克风、扩音器组成。
8.根据权利要求1所述的应急救援机器人,其特征在于:所述座椅及操作台用于人工手动作业,设计在两前臂间,可以根据视线需要升降,座椅为折叠式结构,远程控制作业时可以折叠;操作台安装有显示器和各种手柄、按钮,用于显示主要性能、工况参数和实现操作。
9.根据权利要求1所述的应急救援机器人,其特征在于:覆盖件上方设计有人头形检测头,安装有C⑶摄像头、扩音器、照明灯具,用于辅助搜索。
10.根据权利要求1所述的应急救援机器人,其特征在于:所述前双臂及辅具具备7个自由度,由一臂、二臂、三臂、连接装置、回转装置、液压油缸、工作辅具组成,连接装置由回转支承及马达、快换接头、摆动装置组成。
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