CN109434796A - 一种履带式破拆灭火机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种履带式灭火机器人破拆灭火装置，包括：a.在壳体（1）上的固定底座（4）上连有U型支座（5），其中连有水平旋转电机（5a）以及垂直摆动电机（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）；c.摆动臂（6）上铰接第一电动推杆（7），其另一端交接于中臂（11）的铰接座（9）上；d.小臂（13）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（14）。本发明具有以下优点：主要用于破拆、采集样品、启闭阀门、搬移物品等作业，并可进行灭火、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。

Description

一种履带式破拆灭火机器人

技术领域：

本发明涉及机器人领域，具体涉及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，这就需要一款履带式灭火机器人能在火灾爆发初期第一时间代替消防人员进入高温、易燃易爆、有毒、缺氧、浓烟等危险灾害事故现场进行灭火、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。

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，提供一种履带式破拆灭火机器人。

本发明采用了如下技术方案：

一种履带式破拆灭火机器人，包括壳体，壳体两侧分别设有轮系及其配合行走的履，其特征在于：

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，小臂中设有第二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。

在上述技术方案的基础上，可以有以下进一步的技术方案：

中臂上设有红外摄像机；

中臂端部设有扭转装置，所述小臂连接于扭转装置中并可扭转运动；

所述扭转装置包括连接于中臂上的箱体，箱体中设有相啮合的小齿轮和大齿轮，箱体上设有扭转电机，其输出轴与小齿轮连接，大齿轮则与小臂连接。

本发明上述技术方案中，所述的第一电动推杆、第二电动伸缩杆均为公知产品。

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是本发明的立体题；

图3是本发明中的机械手爪主视图；

图4是图2的A-A剖视图；

图5是本发明的控制系统结构图。

具体实施方式：

本发明提供的一种履带式破拆灭火机器人，包括属于现有技术范畴壳体1，壳体1两侧分别设有轮系3及其配合行走的履带2，本发明的发明创新内容包括以下部分：

a.如图1、图2所示，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上面还设旋转电机5a，旋转电机5a与U型支座5的底部相连，并驱动U型支座5在水平方向转动，U型支座5U型壁中设有轴线呈水平的摆动电机5b，以便使摆动臂6在垂直方向摆动；

b.摆动电机5b输出轴两端分别连接摆动臂6，两个摆动臂6上端铰接在L型结构的中臂11的L型短边后端，第一电动推杆7的下端铰接于两个摆动臂6之间靠近摆动电机位置，第一电动推杆7的另一端交接于中臂11的L型长边中部的铰接座9上。

c.如图2、图4所示，所述中臂11前端设有扭转装置12，它包括连接于中臂11上的箱体12a，箱体12a中设有相啮合的小齿轮12b和大齿轮12c，箱体12a上设有扭转电机12e，其输出轴12d与小齿轮连接，大齿轮12c则与小臂13连接。扭转电机12e可以驱动小臂13扭转运动。

d.如图2、图3所示，小臂13前端连有凹型连接块15c，连接块15c两侧分别用轴销15d铰接一个用于破拆的机械手爪15，小臂13中设有第二电动伸缩杆13a，第二电动伸缩杆13a的伸缩杆13b前段连接一个，移动块15e，移动块15e两侧分别铰接一个连杆15b，每个连杆15b的另一端分别与对应的机械手爪15铰接。通过第二电动伸缩杆13a驱动机械手爪15张开或闭合实现破拆功能。

e. 中臂11上设有红外摄像机10与控制系统相连，小臂13上设有高压喷头14，高压喷头14通过管道及电磁阀与安装在壳体中的干粉灭火剂储罐及高压惰性气体钢瓶相连，红外摄像机10用来侦察前方火场环境，对破拆目标进行局部灭火。

本发明中的灭火管路较长，因此加设一个高压惰性气罐使其压力增大，让干粉灭火剂能够顺利的从管路中带着较高压力喷射而出使其喷附于火源上。

本实施例除了上述主要结构外，还有控制系统，如图5所示，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 (5)

1.一种履带式破拆灭火机器人，包括壳体（1），壳体（1）两侧分别设有轮系（3）及其配合行走的履带（2），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（13a）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；

d. 小臂（13）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（14）。

2.根据权利要求1所述的一种履带式破拆灭火机器人，其特征在于：

中臂（11）上设有红外摄像机（10）。

3.根据权利要求1或2所述的一种履带式破拆灭火机器人，其特征在于：中臂（11）端部设有扭转装置（12），所述小臂（13）连接于扭转装置中并可扭转运动。

4.根据权利要求3所述的履带式灭火机器人破拆灭火装置，其特征在于：所述扭转装置（12）包括连接于中臂（11）上的箱体（12a），箱体（12a）中设有相啮合的小齿轮（12b）和大齿轮（12c），箱体（12a）上设有扭转电机（12e），其输出轴（12d）与小齿轮连接，大齿轮（12c）则与小臂（13）连接。

5.根据权利要求1所述的一种履带式破拆灭火机器人，其特征在于：中臂（11）为L型结构，摆动臂（6）上端铰接在中臂（11）的L型短边后端，第一电动推杆（7）的另一端交接于中臂（11）的L型长边中部的铰接座（9）上。