CN109364405B - 一种消防救援机器人摆动装置及消防机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种消防救援机器人摆动装置，属于消防救援领域，包括：摆动基座（71），所述的摆动基座固定在机器人活动臂上，机器人活动臂能够控制摆动基座至少2个轴方向的转动和1个方向的移动；固定座（73），固定座用来固定抓手（8），所述的抓手用来抓手人体或/物体以进行救援。

Description

一种消防救援机器人摆动装置及消防机器人

技术领域

本发明涉及消防器材领域。

背景技术

消防机器人作为特种机器人的一种，在灭火和抢险救援中愈加发挥举足轻重的作用。各种大型石油化工企业、隧道、地铁等不断增多，油品燃气、毒气泄漏爆炸、隧道、地铁坍塌等灾害隐患不断增加。消防机器人能代替消防救援人员进入易燃易爆、有毒、缺氧、浓烟等危险灾害事故现场进行数据采集、处理、反馈。

在消防机器人中，有一种救援机器人，为救援而采取先进科学技术研制的机器人，如地震救援机器人，它是一种专门用于大地震后在地下商场的废墟中寻找幸存者执行救援任务的机器人。这种机器人配备了彩色摄像机，热成像仪和通讯系统。

公开号为108671451A的中国专利公开一种智能消防机器人 ，该文献的全文引用到本申请当中。

消防救援机器人能够对身在大火或者浓烟或其他危险环境的待救人员进行救助，从而替代了消防人员直接进入火中进行救助，减少了消防人员的伤亡，并且提高了救助效果，需要对机器人具有多种自由度的操作，如转动、移动、抓、放等操作，但是现有的机器人的手臂为了达到这些自由度就需要机器人有多个不同的手臂，这些手臂需要较长、并且移动的时候也很不方便。因此，需要一种占用空间小的摆动装置，以能够给机器人的手臂提高足够的自由度。

发明内容

本发明针对上述的问题，公开了一种消防救援机器人手臂摆动装置，包括：

摆动基座，所述的摆动基座固定在机器人活动臂上，机器人活动臂能够控制摆动基座至少2个轴方向的转动和1个方向的移动；

固定座，固定座用来固定抓手，所述的抓手用来抓手人体或/物体以进行救援；

三个活动座，三个活动座成正方向的分布在摆动基座上,每个活动座内设有螺杆，并设有电机驱动螺杆转动，螺杆上套有滑动单元，螺杆转动驱动滑动单元沿着螺杆轴向移动，滑动单元铰接有摆动杆，三个活动座内的三个螺杆在一个平面上，并且三个螺杆轴向的延长线相交于一点，三个电机被驱动以驱动摆动杆和活动座的铰接处仅能够沿着螺杆的轴向移动进一步控制固定座的移动或/和转动；

三个摆动杆，每个摆动杆一端对应的和三个活动座中的一个铰接，另一端和固定座通过铰接球和固定座球接。

作为改进，所述的滑动单元包括套在螺杆上的滑块、与摆动杆铰接的铰接座，铰接座和滑块固定连接，螺杆驱动滑块移动以驱动摆动杆。

作为改进，所述的活动臂包括第一活动臂、与第一活动臂铰接的第二活动臂、与第二活动臂铰接的第三活动臂，第三活动臂和摆动基座连接。

作为改进，所述的固定座固定抓手的动力端，动力端控制抓手进行张闭合操作。

本发明还公开了一种消防救援机器人，包括上述所述的摆动装置。

附图说明

图1是消防救援机器人的结构示意图；

图2是摆动装置的示意图；

图3是摆动基座的示意图；

图4是螺杆示意图；

图5是抓手示意图；

图6是活动杆单元示意图；

图7是活动杆单元剖视图；

图8是第二活动杆剖视图；

图9是末端操作杆示意图；

图10是实施例3控制方法的示意图；

图11是实施例3控制系统；

图12是实施例3控制方法的转化示意图；

图13是实施例3的控制方法示意图；

图14是控制抓手转动的方法示意图；

图15是控制抓手移动的方法示意图

图中标记：1-本体，2-链轮，3-进水管，4-摄像头，5-喷水管，6-活动臂，601-第一活动臂，602-第二活动臂，603-第三活动臂，7-摆动装置，71-摆动基座，73-固定座，74-活动座，75-摆动杆，76-铰接球，77-螺杆，78-电机，79-滑动单元，791-滑块，792-铰接座，8-抓手，81-动力端，82-固定管，83-活动杆单元，831-第一活动杆，832-中心杆，833-第二活动杆，834-活动杆弹簧，835-凹部，84-连接头，85-转动杆，86-抓臂，87-凸块， 9-末端操作杆，91-外管，92-内管，93-复位弹簧，94-拉环，95-固定环，10-固定单元，101-固定块，102-水平转轴，103-转环，104-竖直转轴，105-感应滑块，106-感应底座。

具体实施方式

具体实施例1：如图1所示，本实施例公开了一种智能消防机器人，包括本体1以及和本体1连接的活动臂6。所述的本体设有带动本体移动的链轮2、进水管4、和喷水管5，所述的喷水管用于向外部喷水以灭火，本体1上设有对危险地带进行图像和视频采集的摄像头4。所述的链轮以驱动消防机器人前进，链轮可以是各种形式的，不限于附图1中指出的，例如可以是轮子间不带链条的，其主要适用于平地救援，也可以是轮子间带有链条的，以在需要的时候能够爬楼梯、越过障碍物等操作。进水管是和水管连接，通常是和消防栓，以提供足够的消防水，在一些实施方案中，本体内设有储水箱，储水箱和喷水管连接，这样在一些极端情况，如大火中，就需要自带少量的水用于一些紧急情况。摄像头主要用于图像和视频采集，以使得消防人员在远端能够观察消防机器人所处的周围环境，进一步为消防人员作出相应指令提供依据。所述的摄像头是可以在远端被操作旋转和升降的，所述的本体设有照明系统和供电系统以在黑暗中对摄像头需要采集的地方提供足够的光线。上述所述的消防机器人仅仅能够提供喷水灭火操作，在一些极端的情况中，如火中有人员，这个时候仅仅的灭火是不行的，需要将人员救出，但是消防人员自身进入火中救援将会给消防人员的生命带来极大的危险。

因此在一些实施方案中，本发明的消防机器人的本体上活动安装有活动臂以及活动臂上直接或者间接安装有抓手。活动臂为抓手提供自由度，以完成各种救援指令。活动臂的数量可以是一个，也可以是多个，在一个优选的方案中，安装在机器人本体上的活动臂为两个，附图1所展示的。

在消防救援的时候，需要活动臂有多重的自由度，能够根据周围环境变化角度，因此在更进一步的优选方案中，如图1所示，所述的活动臂包括与本体活动连接的第一活动臂601、与第一活动臂活动连接的第二活动臂602，与第二活动臂活动连接的第三活动臂603，第三活动臂的末端连接摆动装置7，三个活动臂的连接使得机器人能有多个转动或移动自由度，以方便救援的进行。

上述活动臂由于为了完成尽可能大的操作，因此活动臂要设置的较长，在一些操作的时候，如小空间救援的时候，这种较长的活动臂无法正常的伸展，这个时候就无法顺利的完成救援。

因此在一些优选的方案中，所述的活动臂和抓手之间连接有特殊的摆动装置，所述的摆动装置和传统的机械臂之间的连接关系不同。这个摆动装置在活动臂静止的情况下，根据自身部件小范围的运动就可以给抓手提供足够大的操作空间自由度。

如图1所展示的摆动装置位于抓手8和活动臂7之间，图2是摆动装置的放大图。特别如图2所示，摆动装置包括摆动基座71、固定座73以及连接摆动基座和固定座之间的三个摆动杆75和三个活动座74。所述的摆动基座固定在机器人活动臂上，机器人活动臂能够控制摆动基座至少2个轴方向的转动和1个方向的移动，固定座用来固定抓手8，所述的抓手用来抓手人体或/物体以进行救援。三个活动座74成正方向的分布在摆动基座上。如图3和图4所示，每个活动座内设有螺杆77，并设有电机78驱动螺杆转动，螺杆上套有滑动单元79，螺杆转动驱动滑动单元沿着螺杆轴向移动，滑动单元铰接有摆动杆75，三个活动座内的三个螺杆在一个平面上，并且三个螺杆轴向的延长线相交于一点，三个电机被驱动以驱动摆动杆和活动座的铰接处仅能够沿着螺杆的轴向移动进一步控制固定座的移动或/和转动。若需要固定座前进和后退时，滑动单元在活动座做相同的运动的即可，若需要转动，则需要根据转动的方向和角度控制滑动单元。每个摆动杆一端对应的和三个活动座中的一个铰接，另一端和固定座73通过铰接球76和固定座球接。滑动单元包括套在螺杆上的滑块791、与摆动杆铰接的铰接座76，铰接座和滑块固定连接，螺杆驱动滑块移动以驱动摆动杆。摆动装置控制固定座做出移动和转动以能够根据远端消防人员的操作指令由电机78自动驱动，下文会对其原理进行说明。

机器人的抓手是在远端操作，抓手通常和人体直接接触，在一些情况下，抓手需要抓紧人体的身体部分，如腰部、手部、腿部、脖子等。远端控制是无法感应到其抓手对人体的抓紧力的，进而在一些操作中抓手抓力过大对人体造成损伤，因此本发明对抓手进行了改进，以在抓手使用的时候，控制其抓手对人体的力，特别是该抓力过大的时候，抓手可以抑制该过大的力，以防止对人体的损伤。如图5-7所示，所述的抓手包括动力端81、固定管82、两个转动杆85、连个抓臂和活动杆单元，动力端固定在摆动装置上，特别的在摆动装置设有固定座的时候，动力端固定在固定座上。固定管一端和动力端固定连接，另一端铰接有两个转动杆85；两个抓臂进行抓住人体，转动杆铰接在抓臂上；活动杆单元包括和动力端连接并被动力端驱动的第一活动杆831和第二活动杆833，第一活动杆和第二活动杆之间设有活动杆弹簧，第一活动杆上设有中心杆832，第二活动杆上设有凹部835，中心杆部分插入凹部当中，中心杆末端进入凹部底部，活动杆弹簧为拉伸状态，第二活动杆连接有连接头84，连接头和抓臂铰接在抓臂的末端；动力端驱动活动杆单元以控制连接头的移动，进一步控制抓臂的张开，并且当抓臂的力大于阈值时即活动杆单元受到过大的拉力，第二活动杆相对第一活动杆运动以减少抓臂对人体的损伤，当抓臂的力小于阈值的时候，第一活动杆和第二活动杆相对静止，以保证抓臂有足够的抓力，该阈值可以根据弹簧的拉伸状态下的拉伸力进行控制，拉伸状态下弹簧的拉伸力越大，其阈值越大。该种设计，不仅能够保值抓臂有足够的抓力，也限制了抓力了增大，保证了人体的安全。

在一些方案中，所述的连接头为圆柱体，所述的抓臂的末端设有进行固定人体的凸块87，以在一些情况下防止人体的滑落。

具体实施例2：具体实施例1中所述的机器人用于远端控制，因此在本实施例中公开了可以控制机器人中的远端控制装置，其控制活动臂的按照现有的控制方式即可，其远端控制装置主要在活动臂保持静止的情况下通过控制摆动装置和抓手的开闭来完成相应的救援操作。

如图9所示，本实施例公开了一种消防设备控制装置，消防人员通过远程操作控制装置远程控制消防机器人做出消防指令，所述的远程指的是远离消防机器人所在的危险区域，所述的控制装置包括末端操作杆9以及固定末端操作杆的固定单元10。

末端操作杆包括外管91、内管92、复位弹簧93、拉环94、固定环95，所述的外管和固定环连接，外管为中空，内部为内管，内管一端延伸到固定环的环内并且在端部设有能够拉伸内管的拉环94，内管另一端露出外管，其露出端设有固定头，固定头和外管之间设有复位弹簧；消防人员手持固定环，拉动拉环进而固定内管相对外管移动，外管和内管设有感应其相对运动的传感器；

所述的固定单元包括有：固定块101、转环103、感应滑块105和感应底座106，固定块设有一个中空部，外管穿过中空部并和固定块固定；转环为环状结构，固定块位于转环内并通过水平转轴102和转环连接，固定块可以相对水平转轴转动，水平转轴和转环固定连接，水平转轴的轴向方向和外管的轴向方向在同一平面并相互垂直，并设有感应水平转轴的传感器；转环通过竖直转轴固定在感应滑块上，并可以相对感应滑块绕着竖直转轴104转动，并设有感应这种转动的传感器，竖直转轴和水平转轴在同一面上并相互垂直；感应滑块可以相对感应底座滑动，滑动方向和外管的轴向方向在一个面上，滑动方向和竖直转轴垂直。

在本实施例中的一种操作方式中，人手握住固定环，手指控制拉环，使得内管和外管的相对运动被感应到，该感应转化成抓手动力端81的指令，以控制抓手的开闭，其设计和现场操作抓手特别相抵，只需要一只手就可以，这对消防机器人的远端操作是至关重要的。

所述的感应滑块105和感应底座106的相对运动被感应，并且转化传递以控制固定座73的前进和后退（通过三个电机控制，上文已经有所陈述）。通过感应固定块和转环的转动以及转环和感应滑块的转动，以控制固定座的转动（通过三个电机控制，上述已经有所陈述）。竖直转轴和水平转轴呈90度，刚好保持其具有足够的转动自由度。外管和水平转轴呈90度也符合抓手和摆动装置的结构设计。本发明的操作装置使用的时候，人体能够身临其境的操作，不需要转化现场环境进而思考需要发出何种指令。

在优选方案中，感应滑块上设有一个凸条，感应底座设有凹槽，感应滑块的凸条卡在凹槽中，并可以相对凹槽滑动进而控制感应滑块相对感应底座滑动。

具体实施例3：本发明公开了一种消防设备控制方法，其通过实施例2的远端控制装置控制实施例1的智能消防机器人，所述的控制方法步骤如下：

步骤一、如图11所示，摄像头获取消防危险地带的实况信息，并将该实况信息无线传递到图像显示单元并展示出来，如通过实施例1中的摄像头获取实况信息，远端控制装置附件限制，以使得控制远端控制装置的消防人员能够看到，例如，可设置有一显示屏进行显示；

步骤二、如图10所示，获取消防远程操作装置的第一单元的转动信息、第二单元的转动信息、第三单元的移动信息、第四单元的移动信息，并将其传输到处理器，所述的转动信息为获取操作装置部件的转动角度数据，所述的移动信息为操作装置部件的相对移动数据；在本实施例中，所述的第一单元的转动信息为固定块和转环的转动信息，特别的是角度的转动信息，该转动信息可以通过霍尔传感器检测到，也可以通过其他可能的传感器；第二单元的转动信息是转环和感应滑块的转动信息，特别是相对角度的转动数据；所述的第三单元的移动信息为内管92和外管91的移动数据，特别的是相对平移的的数据；所述的第四单元的移动信息是感应滑块和感应底座相对移动数据。

步骤三、

如图13所示，根据第三单元的移动信息，获得移动操作指令a，并将移动操作指令a输出到机器人终端以控制机器人抓手的开闭，抓手的开闭是通过动力端内的电机驱动（图中未示出，可参考现有技术）；

如图15，根据第四单元的移动信息，获取移动操作指令b，并根据移动操作指令b控制抓手的前进后退，其前进和后退根据固定座内的三个电机控制；

如图14所示，根据第一单元的转动信息和第二单元的转动信息，获得转动操作指令，并根据转动操作指令控制机器人抓手的转动，其转动操作指令根据固定座内的三个电机控制；

在本发明中，对于转动操作指令，由第一单元和第二单元的转动信息，能够获取两个转动数据，经过空间坐标转化，生成三个数据即三个转动操作指令，其分别为转动操作指令a、转动操作指令b、转动操作指令c，其转动操作指令a、转动操作指令b、转动操作指令c分别控制位于固定座上的三个电机（78）以控制抓手8的转动。这样就可以末端三个电机和三个摆动杆组成的三角结构去控制抓手。

在本发明中为了能够通过三个固定座同时控制抓手的转动和移动，因此，抓手的前进和后退通过移动操作指令b来实现，移动操作指令b有移动操作指令b1、移动操作指令b2、移动操作指令b3，移动操作指令b1、移动操作指令b2、移动操作指令b3分别控制固定座上的三个电机78。

如图12所示，在本发明中，根据感应滑块和感应底座相对移动数据，获得三个固定座上的电机转动数据（移动操作指令b1、移动操作指令b2、移动操作指令b3）。其次，根据固定块和转环的转动信息（第一单元的转动信息）、转环和感应滑块的转动信息（第二单元的转动信息），获得三个固定座的电机转动数据（转动操作指令a、b和c），再将上面两组数据叠加，三个固定座的电机最终转动数据，根据最终转动数据控制固定座电机的转动，其中根据转动或移动信息生成电机转动数据的算法不是线性的，其需要根据转环、感应滑块、固定块的具体位置空间坐标转化即可达到数据的精确性。即在这种方法中，移动操作指令b1和转动操作指令a合成综合操作指令a，移动操作指令b2和转动操作指令b合成综合操作指令b,移动操作指令b3和转动操作指令c合成综合操作指令c，操作指令a、操作指令b、操作指令c分别控制固定座上的三个电机78。

本发明还公开了一种消防设备控制系统，包括

图像收集单元和图像显示单元，实施例1的摄像头和显示屏（图中未示出）

位置信息获取单元，即获得固定块、转环、内管、外管、感应滑块、感应底座相对运动数据单元；

处理器；

末端执行单元，本发明的智能消防机器人

图像收集单元将消防危险地收集到的影像信息输送到图像显示单元，消防人员根据图像显示单元的信息操作发出指令信息，位置信息获取单元将获得到的指令信息输送到处理器，处理器发生相应的指令控制末端执行单元

本发明能够通过远端控制消防机器人的工作，避免了消防人员进入危险地带进而直接救助，减少了消防人员的伤亡，并且提高了救助效率。

在另一个消防设备的远端控制系统，包括分别获取第一单元的转动信息和第二单元的转动信息的第一获取单元和第二获取单元、和包括获取第四单元移动信息第四获取单元、处理器、末端执行单元、图像收集单元和图像显示单元；第一获取单元、第二获取单元、第四获取单元、末端执行单元分别和处理器连接；图像收集单元和图像显示单元连接。

Claims (4)

1.一种消防机器人，包括摆动装置和抓手（8），其特征在于，所述的摆动装置包括：

摆动基座（71），所述的摆动基座固定在机器人活动臂上，机器人活动臂能够控制摆动基座至少2个轴方向的转动和1个方向的移动；

固定座（73），固定座用来固定抓手（8），所述的抓手用来抓住人体或/物体以进行救援；

三个活动座（74），三个活动座成正方向的分布在摆动基座上,每个活动座内设有螺杆（77），并设有电机（78）驱动螺杆转动，螺杆上套有滑动单元（79），螺杆转动驱动滑动单元沿着螺杆轴向移动，滑动单元铰接有摆动杆（75），三个活动座内的三个螺杆在一个平面上，并且三个螺杆轴向的延长线相交于一点，三个电机被驱动以驱动摆动杆和活动座的铰接处仅能够沿着螺杆的轴向移动进一步控制固定座的移动或/和转动；

三个摆动杆（75），每个摆动杆一端对应的和三个活动座中的一个铰接，另一端和固定座（73）通过铰接球（76）和固定座球接；

所述的抓手（8）包括动力端（81）、固定管（82）、两个转动杆（85）、两个抓臂和活动杆单元，动力端固定在固定座上，固定管一端和动力端固定连接，另一端铰接有两个转动杆（85），两个抓臂进行抓住人体，转动杆铰接在抓臂上，活动杆单元包括和动力端连接并被动力端驱动的第一活动杆（831）和第二活动杆（833），第一活动杆和第二活动杆之间设有活动杆弹簧，第一活动杆上设有中心杆（832），第二活动杆上设有凹部（835），中心杆部分插入凹部当中，中心杆末端进入凹部底部，活动杆弹簧为拉伸状态，第二活动杆连接有连接头（84），连接头和抓臂铰接在抓臂的末端，动力端驱动活动杆单元以控制连接头的移动，进一步控制抓臂的张开，并且当抓臂的力大于阈值时，第二活动杆相对第一活动杆运动以减少抓臂对人体的损伤，当抓臂的力小于阈值的时候，第一活动杆和第二活动杆相对静止，以保证抓臂有足够的抓力；

所述的抓手和摆动装置被远端控制装置控制，所述的远端控制装置包括末端操作杆（9）以及固定末端操作杆的固定单元（10），末端操作杆包括外管（91）、内管（92）、复位弹簧（93）、拉环（94）、固定环（95），所述的外管和固定环连接，外管为中空，内部为内管，内管一端延伸到固定环的环内并且在端部设有能够拉伸内管的拉环（94），内管另一端露出外管，其露出端设有固定头，固定头和外管之间设有复位弹簧；消防人员手持固定环，拉动拉环进而使内管相对外管移动，外管和内管设有感应其相对运动的传感器；

所述的固定单元包括有：固定块（101）、转环（103）、感应滑块（105）和感应底座（106），固定块设有一个中空部，外管穿过中空部并和固定块固定，转环为环状结构，固定块位于转环内并通过水平转轴（102）和转环连接，固定块相对水平转轴转动，水平转轴和转环固定连接，水平转轴的轴向方向和外管的轴向方向在同一平面并相互垂直，并设有感应水平转轴的传感器，转环通过竖直转轴固定在感应滑块上，并能够相对感应滑块绕着竖直转轴（104）转动，并设有感应这种转动的传感器，竖直转轴和水平转轴在同一面上并相互垂直，感应滑块能够相对感应底座滑动，滑动方向和外管的轴向方向在一个面上，滑动方向和竖直转轴垂直；

所述的远端控制装置通过下列控制方法控制：

步骤一、摄像头获取消防危险地带的实况信息，并将该实况信息无线传递到图像显示单元并展示出来；

步骤二、获取远端控制装置的第一单元的转动信息、第二单元的转动信息、第三单元的移动信息、第四单元的移动信息，并将其传输到处理器，所述的转动信息为获取控制装置部件的转动角度数据，所述的移动信息为控制装置部件的相对移动数据，所述的第一单元的转动信息为固定块和转环的转动信息，第二单元的转动信息是转环和感应滑块的转动信息，第三单元的移动信息为内管（92）和外管（91）的移动数据，所述的第四单元的移动信息是感应滑块和感应底座相对移动数据；

步骤三、根据第三单元的移动信息，获得移动操作指令a，并将移动操作指令a输出到机器人终端以控制机器人抓手的开闭，抓手的开闭是通过动力端内的电机驱动，根据第四单元的移动信息，获取移动操作指令b，并根据移动操作指令b控制抓手的前进后退，其前进和后退根据固定座内的三个电机控制，根据第一单元的转动信息和第二单元的转动信息，获得转动操作指令，并根据转动操作指令控制机器人抓手的转动，其转动操作指令根据固定座内的三个电机控制；由第一单元和第二单元的转动信息获取两个转动数据，经过空间坐标转化，生成三个转动操作指令，其分别为转动操作指令a、转动操作指令b、转动操作指令c，其转动操作指令a、转动操作指令b、转动操作指令c分别控制位于固定座上的三个电机（78）以控制抓手（8）的转动。

2.根据权利要求1所述的消防机器人，其特征在于，所述的滑动单元包括套在螺杆上的滑块（791）、与摆动杆铰接的铰接座（76），铰接座和滑块固定连接，螺杆驱动滑块移动以驱动摆动杆。

3.根据权利要求2所述的消防机器人，其特征在于，所述的活动臂（6）包括第一活动臂、与第一活动臂铰接的第二活动臂、与第二活动臂铰接的第三活动臂，第三活动臂和摆动基座连接。

4.根据权利要求3所述的消防机器人，其特征在于，所述的固定座固定抓手的动力端（81），动力端控制抓手进行张开闭合操作。