CN109432658B

CN109432658B - 一种履带式灭火机器人

Info

Publication number: CN109432658B
Application number: CN201811287887.1A
Authority: CN
Inventors: 王海; 张丽; 吴勇强
Original assignee: Anhui Polytechnic University
Current assignee: Anhui Polytechnic University
Priority date: 2018-10-31
Filing date: 2018-10-31
Publication date: 2021-04-23
Anticipated expiration: 2038-10-31
Also published as: CN109432658A

Abstract

本发明涉及一种履带式灭火机器人，壳体（1）通过链轮（28）、链条（27）及驱动轮（26b）驱动履带运行；支重轮承重架（21）的下端铰接支重轮架（23）及其支重轮（22）、上端连接缓冲装置（24）；壳体（1）中部铰接的连接板（20）后部与支重轴（20a）铰接、前端与涨紧轮支架（16）的后端铰接，涨紧轮支架（16）的上下端分别连接与大涨紧轮（3）和小张紧轮（17）连接；连接板铰接的弹簧架（19）与张紧装置（18）铰接，张紧装置与涨紧轮支架（16）连接。本发明具有以下优点：a.支撑面积大，适合松软、泥泞的路面，与路面滚动摩擦小，通过性能良好。b.因履带设置了张紧缓冲装置，使得本发明越过障碍的能力大幅提高。

Description

一种履带式灭火机器人

技术领域：

本发明属于机器人领域，具体地说是一种履带式灭火机器人。

技术背景：

随着国内的物流业运输业快速发展，各种大型仓库、港口也在日益增多，且其中有很大部分都存放有易燃、易爆等危险物品，这些危险品在一些条件下会给仓库、港口等造成火灾，更严重者发生爆炸，对人们造成巨大的生命财产伤害，这就需要在火灾爆发初期第一时间了解高温、易燃易爆、有毒、缺氧、浓烟等危险灾害事故现场的情况，进行灭火、洗消、排烟、照明、侦查以及数据采集、处理、反馈等，为消防人员第一时间提供火场内部信息，及时扑灭小型火源，这样能够使消防人员提前做好准备，对于火场信息有着充足了解，就能够在一定的程度上降低了火灾事故对于救援人员的人身威胁，以及能够在一定程度上减少公众的生命财产损失。

为了解决上述问题，现有的履带式灭火机器人具有可靠的动力性能，能够越过一般障碍物，同时可根据不同地形，切换行驶速度；履带式灭火机器人带有冷却，防火，防爆系统，能够在易燃易爆的环境下安全作业；同时机器人携带有机械臂和一定量的灭火剂，能够通过机械臂执行采集样品、启闭阀口、扑灭局部火点等作业。

但现有消防灭火机器人的负载能力不足、拖动消防水带时抗拉能力弱、由于重心位置整体后移造成倾覆、越障能力及爬楼梯能力不足、遇到火焰对自身本体或履带烧灼时无法行进或撤退、灭火效率低下等问题。

发明内容：

本发明的目的就是为解决现有消防灭火机器人的负载能力不足、灭火效率低下等问题，提供一种履带式灭火机器人破拆灭火装置。

本发明采用了如下技术方案：

一种履带式灭火机器人，包括壳体，壳体两侧分别设有履带及履带驱动装置，壳体上面设有机械臂破拆灭火装置，其特征在于履带驱动装置包括：

a. 壳体后方两侧下方分别连接一个动力轴及其对应的链轮连接板，每个动力轴伸入到壳体内与驱动电机相连，每个动力轴伸出壳体外并链接一个链轮，每个链轮上连接链条，每个链轮连接板下方连接从动轴，从动轴的一侧连接从动链轮、另一侧连接与履带配合的驱动轮；

壳体两侧上方分别连接一个与履带配合拖带轮；

b. 壳体中部两侧下方分别连接一个支重轴，壳体中部两侧分别设置一对呈交叉配合的支重轮承重架，每个支重轮承重架中部分别设有滑槽，每个支重轴穿过对应的一对支重轮承重架中的滑槽，每个支重轮承重架下端分别铰接一个支重轮架，每个支重轮架的两端分别连接一个与履带配合的支重轮，每对支重轮承重架上端分别连接一个缓冲装置；

c. 壳体中部两侧下方分别连接一个连杆轴，每个连杆轴与一对中心连接板的上部铰接，每对中心连接板的后部与支重轴铰接，每对中心连接板的后端与链轮大臂固定连接，链轮大臂与链轮连接板是通过传动轴连接, 每对连接板的前端与一对T型涨紧轮支架的后端铰接，每对T型涨紧轮支架的上下端分别连接与履带配合的大涨紧轮和小张紧轮，

每对中心连接板的前部铰接一个弹簧架固定轴，每对中心连接板之间设置一对三角形的弹簧架，每对弹簧架的后端铰接与连杆轴上、前端交接于弹簧架固定轴上，弹簧架的上端与张紧装置的一端铰接，张紧装置的另一端与一对弹簧连杆的一端铰接，弹簧连杆的另一端交接于T型涨紧轮支架的中部。

在上述技术方案的基础上，还有以下进一步的方案：

a.在壳体的上面连有固定底座，固定底座上面连有可转动的U型支座，固定底座上面设有驱动U支座水平方向转动的旋转电机，U型支座中设有在垂直方向摆动的摆动电机；

b.摆动电机输出轴上连接摆动臂，摆动臂上端铰接在中臂后端，中臂前端连接小臂，小臂前端连有用于破拆的机械手爪，小臂中设有电动伸缩杆与机械手爪相连以驱动机械手爪张开或闭合实现破拆功能；

c. 摆动臂上铰接第一电动推杆，第一电动推杆的另一端交接于中臂的铰接座上。

d. 小臂上设有与干粉灭火剂储罐及高压惰性气体钢瓶相连高压喷头。

e. 中臂上设有红外摄像机。

由于采用了上述技术方案，使得本发明具有以下优点：

本发明具有以下特点：

a.支撑面积大，适合松软、泥泞的路面，与路面滚动摩擦小，通过性能良好。

b.因履带设置了张紧缓冲装置，使得本发明越过障碍的能力大幅提高。

c. 本发明主要用于破拆、采集样品、启闭阀门、搬移物品等作业，同时机械臂手部安装有高压喷头，喷头由管路连接至灭火剂储藏罐，使用高压泵体作为动力，使其可用来进行灭火、冷却等工作；并且在机械臂上安装有红外摄像机，用来侦察火场环境。所述机械手爪，使用它进行破拆、采集样品、启闭阀门、搬移物品等作业，机械手爪的动作更加灵活，活动范围更大，使其可以在多种工况下动作。

附图说明：

图1是本发明的主视图；

图2是本发明中的灭火装置的立体图；

图3是图1中履带张紧装置的立体图；

图4是图3中去掉涨紧轮支架的立体图；

图5是图1中支重轮及其支架的立体图；

图6是图1中履带驱动装置的立体图；

图7是本发明的控制系统结构图。

具体实施方式：

如图1所示，本发明提供的一种履带式灭火机器人，包括壳体1，壳体1上面设有机械臂破拆灭火装置，壳体1两侧分别设有履带2和履带驱动装置、履带支重装置以及履带张紧缓冲装置，

一、如图1、图6所示，所述的履带驱动装置包括：

a. 壳体1后方两侧下方分别连接一个动力轴28b及其对应的链轮连接板28c，每个动力轴伸入到壳体1内与驱动电机相连，每个动力轴28b伸出壳体外并链接一个链轮28，每个链轮上连接链条27，每个链轮连接板28c下方连接从动轴26a，从动轴26a的一侧连接从动链轮26、另一侧连接与履带配合的驱动轮26b（属现有技术）。通过驱动电机、动力轴28b、链轮28、链条27及从动链轮26，带动驱动轮26b转动，驱动轮26b则与履带啮合带动履带运转。

另外在壳体1两侧上方分别连接一个与履带2配合拖带轮29，构成履带后部的驱动支撑结构。

二、所述履带支重装置，如图1、图5所示，包括：

a. 壳体1中部两侧下方分别连接一个支重轴20a，壳体1中部两侧分别设置一对呈交叉配合的支重轮承重架21，每个支重轮承重架21中部分别设有滑槽21a，每个支重轴20a穿过对应的一对支重轮承重架21中的滑槽并呈滑动配合，其中每个支重轮承重架21呈双架结构。

b.每个支重轮承重架21下端分别铰接一个三角形的支重轮架23，每个支重轮架的两端分别连接一个与履带2配合的支重轮22，每对支重轮承重架上端分别铰接一个缓冲装置24，它包括液压缸24及其活塞杆（图中没显示），它们分别铰接于每对支重轮承重架的两端，活塞杆上套设有弹簧24b，通过设置在液压缸24上的螺母24a调节支重轮的缓冲强度。

当越过障碍物时，支重轮承重架21顺着支重轴20a滑动，跨度增大，支重轮液压缸24拉伸，减震弹簧压缩量减小，至此与外界受力相平衡，达到支重减震效果；

三、所述履带张紧缓冲装置，如图1、图3及图4所示，包括：

a. 壳体1中部两侧下方分别连接一个连杆轴20b，每个连杆轴与一对呈Z字形的中心连接板20的上部铰接，每对中心连接板20的后部与支重轴20a铰接，每对中心连接板20的后端20b与链轮大臂25固定连接，后端20b设有槽口20d及连接孔20e，链轮大臂25与链轮连接板28c是通过传动轴连接, 每对中心连接板20的前端与一对T型的涨紧轮支架16的后端通过轴销16b铰接，每对T型涨紧轮支架16的上下端分别通过大轴销3a、小轴销17a分别与对应的大涨紧轮3和小张紧轮17连接，大涨紧轮3和小张紧轮17则与履带前端形成张紧配合。

b.每对中心连接板20的前部铰接一个弹簧架固定轴20c，每对中心连接板20之间设置一对三角形的弹簧架19，每对弹簧架19的后端铰接与连杆轴20b上、前端交接于弹簧架固定轴20c上（它可以连接于壳体1上），弹簧架19的上端与张紧装置18的一端铰接，张紧装置18的另一端与一对弹簧连杆30的一端铰接，弹簧连杆30的另一端交接于T型涨紧轮支架16的中部。

所述张紧装置18，它包括液压缸18及其活塞杆（图中没显示），其一端通过轴销19a铰接于弹簧架19的上端、另一端通过轴销30a铰接于弹簧连杆30的上端，活塞杆上套设有弹簧18a，通过设置在液压缸18上的螺母18b调节两个张紧轮的缓冲强度。

在其前方导向轮遇到障碍物时，障碍物压至小导向轮17使其大导向轮3向前伸，张紧装置18拉伸，弹簧18a向外弹出，使其能够一直使履带2张紧，并且减小碰撞时的震动。

四、机械臂破拆灭火装置，如图1、图2所示，包括：

a.在壳体1的上面连有固定底座4，固定底座4上面连有可转动的U型支座5，固定底座4上面设有驱动U支座5水平方向转动的旋转电机5a，U型支座5中设有在垂直方向摆动的摆动电机5b；

b.摆动电机5b输出轴上连接摆动臂6，摆动臂6上端铰接在中臂11后端，中臂11前端连接小臂13，小臂13前端连有用于破拆的机械手爪15，小臂13中设有电动伸缩杆与机械手爪15相连以驱动机械手爪15张开或闭合实现破拆功能；

c. 摆动臂6上铰接第一电动推杆7，第一电动推杆7的另一端交接于中臂11的铰接座9上。

五、如图7所示，本实施例除了上述主要结构外，还有控制系统，包括检测机构、通信机构、电源管理机构构成。

所述通信机构采用STM32系列作为控制芯片，具有体积小，能配置多种时钟，对不同的设备选用合适的时钟，语句处理速度快，拥有足够的管脚作为输入与输出，自带ADC，直接用于气体浓度检测，省去外置ADC芯片，集成度更高等特点；采用NRF24101 2.4G数据传输系统，ESP8266 WIFI模块检测机构进行数据通信。检测机构包括超声波传感器，多种气体传感器，温度传感器，防碰撞传感器，生命探测仪，TTVC系列双波段热点探测摄像机。

机械臂的中臂上的红外摄像机可以将机械手臂作为云台运动，以此可以灵活的来采集四周的环境信息；采集完的信息可以通过2.4G模块传输给外界人员，外界人员通过该反馈信息来判断内部环境，以此操控履带式灭火机器人活动，或为消防人员进入室内提供信息判断。该摄像机采用TTVC系列双波段热点探测摄像机基于最新一代非制冷红外技术和连续红外变焦红外光学技术开发的远距离热成像摄像机。它采用高灵敏度640X480分辨率非制冷型焦平面成像探测器，先进数字电路和图像处理算法可提供细腻平滑的图像。特殊设计的光学连续变焦的红外镜头，兼顾搜索与观察双重应用需求。内置智能分析模块，热点检测算法，可自动探测出远距离火焰、车辆、人员等热源目标，整体外壳采用超强铝合金达到了IP66防护等级，密封充氮，内部工业级嵌入式控制电子系统，保证设备在恶劣环镜中长期运转。

在进入火场内部后，可以通过履带灭火机器人内部的气体传感器对其周围环境进行气体探测，分析数据以提供给场外救援人员实时了解火场内部信息，及时做出应对策略，可为进入火场内部做足充分准备。火场内部有害气体较多，不同物质燃烧可能产生不同的有害气体，木质品燃烧会产生碳氧化物，最为主要的为CO和CO₂；一些塑料的燃烧比较复杂,会产生硫的氧化物以及一些有机物,如SO₂等，还可能产生粉尘；因此本设计中主要对几种有害气体进行侦测，CO、CO₂、SO₂、粉尘。因此在本发明中安装了一款多气体测量传感器，该传感器主要是以定电位电解为基本原理。当气体扩散到气体传感器时，其输出端产生电流输出，提供给报警器中的采样电路，起着将化学能转化为电能的作用。当气体浓度发生变化时，气体传感器的输出电流也随之成正比变化，经中间电路转换放大输出，传送给控制系统，再由控制系统发送与外界。因此我们通过传感器的信息采集，外界可以获得该火场内部各类气体浓度情况。气体检测传感器使用方法可直接插上四个4NE智能型传感器同时进行测试（需要先将4NE地址设置为1-4#），四参数模组兼容了RS485和TTL两组上位机通讯方式，可自行选择使用一组通讯方式（开关选择）。该模块设计小巧直接安装于机器人行走底盘腔内，固定于内壁上。该模块采用高稳定、超低电源纹波的稳压开关，电源输入和RS85通讯均配有短路、防反接等保护功能。将4只4NE智能传感器插入正面针座内，将通讯选择开关拨至适用的通讯模式，给四参数模组接入DC3-5V电源（可单节锂电池对本模组供电）。此时，工作指示灯会以每秒约2次的频率闪烁，与4NE通讯指示灯也会在闪烁，当上位机发送数据时，与上位机通讯指示灯也会闪烁。

所述超声波传感器是安装在履带式灭火机器人的底盘箱体主体111前后，方向是竖直向下，以探测机器人是否“踩空”，防止机器人掉落；前后方也安装了超声波传感器，用于检测前后方距离，防止行走时碰撞。超声波传感器的工作原理：（1）采用IO口TRIG触发测距，给至少10us的高电平信号；（2）模块自动发送8个40khz的方波，自动检测是否有信号返回；（3）有信号返回，通过IO口ECHO输出一个高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。测试距离=(高电平时间*声速(340M/S))/2。

所述防碰撞传感器采用TBI公司研发的传感器，在履带式灭火机器人与障碍物发生碰撞时，它能提供可靠的自动停运功能，保护机械臂免于机械碰撞损伤。本发明中将防碰撞传感器安装于每个关节法兰连接处，当受到外界震动或碰撞时，触发该传感器，使其产出电信号传送至控制系统，控制系统发出指令停止机器人动作，并发出报警及使机器人退出该碰撞区域。防碰撞传感器的参数：（1）全机械式，弹簧支撑；（2）轴向触发力550N；（3）横向释放扭矩（Mx/My）32.2Nm；（4）最大许用形变量 8°（距绝缘法兰端面300mm处测得偏移33.5mm）；（5）最小许用形变量 1.5°（距绝缘法兰端面300mm处测得偏移8mm）；（6）重复定位精度横向<±0.04mm（距绝缘法兰端面300mm处测得）；（7）重量约0.95Kg；

所述电源管理机构包括大功率锂电池、电源稳压模块，大功率锂电池安装在底盘箱体主体的内部，电源稳压模块连接大功率锂电池，并且还连接控制系统为其提供能源。

所述控制系统所设置的三种工作模式：（1）待机模式：在待机模式下，机器人不进行任何动作，当有险情发生时，操作人员可立刻通过ESP8266 WIFI模块连入无线网，在对应网页中对机器人进行物联网操作，如启动自动寻火灭火模式等；或用专用的遥控设备进行模式更换；或者直接对履带式灭火机器人进行按键操作。（2）自动侦察模式：进入自动侦察模式后，履带式灭火机器人将开始沿边行走侦察，当捕捉到火源较小时，可立即通过自身所携带的灭火装置对其进行灭火处理，同时通过生命探测仪进行生命探测，当发现受困者时将返回新号让专用遥控器发出警报，及时将现场中所捕捉到的信息通过wifi或2.4G无线传输至远程控制端，可以通过实时图像与环境声音等信息获取所在位置，操作人员可以通过专用的遥控设备或终端获得实时图像以及现场信息（CO2，SO2等有害气体浓度室内环境情况）以此来判断室内环境及受困人员的具体信息；当火灾现场环境信息复杂时超出机器人自主动作能力时，可以对控制终端发出报警信息，而由操控人员对其进行手动遥控控制，例如移动，喷水，横梁破拆等。（3）手动操作模式：当使用专用遥控器进行操作时，；履带式灭火机器人会进入手动操作模式，能进行移动，机械臂水平转动，喷水，调节喷出水的形状，或进入待机模式。当未进行操作三秒后，将从手动操作模式进入自动寻火灭火模式。

1>寻火灭火：默认是延边行走，当任意红外摄像机捕捉到火源信息时，控制系统调节机械臂对应火源的方向，当正确对准火源后启动电磁阀进行喷射灭火剂。同时，红外摄像机及机械手前部温度传感器实时工作判定是否依然存在火焰，当喷射灭火剂扑灭完当前位置的火焰后将遵循“左上-右上-左下-右下”的循序，调整机械臂，让喷头朝向对应火焰，进行喷火。当检测不到高处的火源时，将继续进行水平地处的灭火（从左到右的循序），当检测不到火焰时则继续移动操作。

2>破拆操作：消防员可通过实时图像传输，判断前方是否为倒塌横梁，根据情况判断是否需要使用机械手爪进行破拆操作，当进行破拆操作时，使用机械手爪对其障碍物进行移动或压断处理。

3>现场信息采集：消防员可以通过专用遥控器对履带式灭火机器人进行操作，以及实时图像，实时声音采集，实施传输的现场气体浓度检测，进行火场环境勘察，以根据情况调节喷出水柱的形状或进一步实施救援。

4>生命探测：在履带式灭火机器人进行移动时，通过生命探测仪进行生命探测，当发现受困者时将返回新号让专用遥控器发出警报，可以通过实时图像与环境声音等信息获取所在位置。

Claims

1.一种履带式灭火机器人，包括壳体（1），壳体（1）两侧分别设有履带（2）及履带驱动装置，壳体（1）上面设有机械臂破拆灭火装置，其特征在于履带驱动装置包括：

a. 壳体（1）后方两侧下方分别连接一个动力轴（28b）及其对应的链轮连接板（28c），每个动力轴伸入到壳体（1）内与驱动电机相连，每个动力轴（28b）伸出壳体外并连接一个链轮（28），每个链轮上连接链条（27），每个链轮连接板（28c）下方连接从动轴（26a），从动轴（26a）的一侧连接从动链轮（26）、另一侧连接与履带配合的驱动轮（26b）；

壳体（1）两侧上方分别连接一个与履带（2）配合的拖带轮（29）；

b. 壳体（1）中部两侧下方分别连接一个支重轴（20a），壳体（1）中部两侧分别设置一对呈交叉配合的支重轮承重架（21），每个支重轮承重架（21）中部分别设有滑槽，每个支重轴（20a）穿过对应的一对支重轮承重架（21）中的滑槽，每个支重轮承重架（21）下端分别铰接一个支重轮架（23），每个支重轮架的两端分别连接一个与履带（2）配合的支重轮（22），每对支重轮承重架上端分别连接一个缓冲装置（24）；

c. 壳体（1）中部两侧下方分别连接一个连杆轴（20b），每个连杆轴与一对中心连接板（20）的上部铰接，每对中心连接板（20）的后部与支重轴（20a）铰接，每对中心连接板（20）的后端与链轮大臂（25）固定连接，每对连接板（20）的前端与一对T型涨紧轮支架（16）的后端铰接，每对T型涨紧轮支架（16）的上下端分别连接与履带配合的大涨紧轮（3）和小涨紧轮（17）；

每对中心连接板（20）的前部铰接一个弹簧架固定轴（20c），每对中心连接板（20）之间设置一对三角形的弹簧架（19），每对弹簧架（19）的后端铰接于连杆轴（20b）上、前端铰接于弹簧架固定轴（20c）上，弹簧架（19）的上端与张紧装置（18）的一端铰接，张紧装置（18）的另一端与一对弹簧连杆（30）的一端铰接，弹簧连杆（30）的另一端铰接于T型涨紧轮支架（16）的中部。

2.根据权利要求1所述的一种履带式灭火机器人，其特征在于：

a.在壳体（1）的上面连有固定底座（4），固定底座（4）上面连有可转动的U型支座（5），固定底座（4）上面设有驱动U型支座（5）水平方向转动的旋转电机（5a），U型支座（5）中设有在垂直方向摆动的摆动电机（5b）；

b.摆动电机（5b）输出轴上连接摆动臂（6），摆动臂（6）上端铰接在中臂（11）后端，中臂（11）前端连接小臂（13），小臂（13）前端连有用于破拆的机械手爪（15），小臂（13）中设有电动伸缩杆与机械手爪（15）相连以驱动机械手爪（15）张开或闭合实现破拆功能；

c. 摆动臂（6）上铰接第一电动推杆（7），第一电动推杆（7）的另一端铰接于中臂（11）的铰接座（9）上。