CN109794012B - 柔性深井救援器 - Google Patents

Abstract

柔性深井救援器，包括支撑机构、机械手姿态调整机构以及柔性机械手；所述支撑机构为机械手姿态调整机构提供支撑以及安装平台；所述机械手姿态调整机构安装在支撑机构上，柔性机械手安装在机械手姿态调整机构上，通过机械手调整机构实现柔性机械手其位置以及角度的调整，所述柔性机械手包括气囊机构以及多个首尾相连的手节，相邻手节间通过电动关节连接，各电动关节为连接在其上的各手节提供动力，通过控制各电动关节实现各手节旋转角度的调整进而实现有效的抓取或缠绕，所述气囊机构包括设置在各个手节上的气囊瓣。本发明采用柔性机器手和气囊机构，对人体不同部位都具有良好的贴合能力，抓取可靠，对人体二次伤害作用小。

Description

柔性深井救援器

技术领域

本发明涉及井下救援设备技术领域，具体的涉及一种用于井下救援的柔性深井救援器。

背景技术

据不完全统计，我国每年深井事故发生次数多达万余起。在深井救援中，目前多采用的还是消防战士倒立下井法，下井救援。然而井下情况复杂，下井的消防队员承担着极大的救援风险。

而目前的深井救援装备，因为其结构的限制使得其不能够灵活的进行姿态调整，机械手的设计不符合人体工学，不能够安全、可靠的支撑、保护被困人员，还有可能因为救援设备的结构缺陷造成二次伤害。因此，亟需设计一种能够灵活轻便、安全可靠的面向井下救援的救援设备。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种搭载柔性救援机械手的柔性深井救援器，其具有延展性强和自由度多的特点，通过将柔性机械手缠绕在被困者的腰部和腋下，通过外部升降平台提拉，实施救援。

为实现本发明的技术目的，采用以下技术方案：

柔性深井救援器，包括支撑机构、机械手姿态调整机构以及柔性机械手，柔性机械手为1个以上；所述支撑机构为机械手姿态调整机构提供支撑以及安装平台；所述机械手姿态调整机构安装在支撑机构上，柔性机械手安装在机械手姿态调整机构上，通过机械手调整机构实现柔性机械手其位置以及角度的调整，所述柔性机械手包括气囊机构以及多个首尾相连的手节，相邻手节间通过电动关节连接，各电动关节为连接在其上的各手节提供动力，通过控制各电动关节实现各手节旋转角度的调整进而实现有效的抓取或缠绕，所述气囊机构包括设置在各个手节上的气囊瓣。

作为本发明的优选技术方案，所述支撑机构包括支撑架以及支撑底盘，支撑底盘固定连接在支撑架的下方，所述支撑底盘为圆环形底盘。

作为本发明的优选技术方案，一个柔性机械手对应一机械手姿态调整机构，所述机械手姿态调整机构包括圆周调节机构、径向调节机构以及竖向伸缩调节机构；其中通过圆周调节机构调节柔性机械手在圆环形底盘上所处的圆周方向的位置；通过径向调节机构调节柔性机械手在圆环形底盘径向上的所处的位置；通过竖向伸缩调节结构调节柔性机械手与圆环形底盘竖直方向上的距离。

作为本发明的优选技术方案，所述圆环形底盘的下盘面设有内圆环形滑槽、外圆环形滑槽以及设置在内环形滑槽与外环形滑槽之间的圆环形齿条；内圆环形滑槽、外圆环形滑槽、圆环形齿条与圆环形底盘同圆心设置。

圆周调节机构包括滑块，所述滑块的上侧面设置有分别与圆环形底盘上的内环形滑槽、外环形滑槽对应的内弧形滑块、外弧形滑块；内弧形滑块滑动连接在内环形滑槽中，外弧形滑块滑动连接在外环形滑槽中；所述滑块上设置有容纳齿轮以及齿轮驱动电机的空间，齿轮驱动电机固定安装在滑块上，齿轮驱动电机的输出轴与齿轮连接，齿轮与圆环形底盘上圆环形齿条对应，利用齿轮驱动电机驱动齿轮在圆环形齿条上作圆周运动，进而带动整个滑块以及滑块上安装的所有组件同步作圆周运动。

作为本发明的优选技术方案，所述圆周调节机构其滑块的下侧面设置有径向调节机构，径向调节机构包括沿圆弧形底盘径向设置的导轨、安装座以及能够驱动安装座沿导轨径向运动的径向驱动电机，在滑块的下侧面上设有沿圆弧形底盘径向设置的导轨，安装座滑动安装在导轨上；安装座左侧装配径向驱动电机，安装座与径向驱动电机的输出轴连接，在径向驱动电机的驱动下，安装座在导轨上作径向来回运动，进而带动安装座以及安装座上安装的所有组件同步作圆周运动。

作为本发明的优选技术方案，所述径向调节机构的安装座上安装有竖向伸缩调节结构，竖向伸缩调节机构包括由竖向伸缩驱动电机驱动的丝杆，丝杆的末端连接有托盘，柔性机械手安装连接在托盘上；竖向伸缩驱动电机驱动丝杆作竖向伸缩运动，进而带动丝杆上的托盘以及安装在托盘上的柔性机械手同步作竖向的伸缩运动。

作为本发明的优选技术方案，所述支撑架包括顶部支撑架和支撑柱，顶部支撑架为一环形支撑件，环形支撑件上设有多个用于提升的提升构件，提升构件与提升动力连接，能够将整个柔性救援机械手以及柔性救援机械手抱持的井下受困人/物平稳的提升出来；顶部支撑架与支撑底盘之间通过多根支撑柱连接。

作为本发明的优选技术方案，所述支撑机构上还设置有防护罩，防护罩由多块罩体拼合而成，在各支撑柱的竖直支撑段的外侧设置有用于连接罩体的安装构件，罩体通过连杆安装在安装构件上，外力驱动各连杆能够实现各罩体的收拢和展开。

作为本发明的优选技术方案，所述气囊机构包括设置在各个手节上的气囊瓣、气路、真空泵以及压力传感器，外置的真空泵与各个手节上的气囊泵之间通过气路连接，所述气路包括导气管以及设置在各导气管上的阀门以及检测传感器，所述气囊瓣内表面设置有压力传感器，各手节上设置有安置气囊瓣的沟槽，气囊瓣未充气时，气囊瓣折叠置于手节的沟槽内，真空泵对气囊瓣充气后，气囊瓣在手节外围形成有效包裹。进一步地，柔性机械手最末端的手节外端设置为半圆形，且安置有摄像头和供氧系统出气口。

作为本发明的优选技术方案，所述电动关节为十字万向轴，十字万向轴内安装有两组驱动机构，一组驱动机构分别包括一个舵机和一个微型减速箱，两组驱动机构分别对应驱动连接电动关节上连接的两个手节，为手节旋转提供动力，使每个手节获得自由度。

与现有技术相比，本发明能够产生以下技术效果：

1、柔性机器手采用可伸缩、可旋转的仿生结构，整个结构运动灵活，柔韧性好，对人体不同部位都有很好的缠绕能力，有较好的适应性，为了增大柔性机器手与人体的接触面积，提高舒适性，本发明中的柔性机器手还安置了气囊机构，对保持升降过程中的平稳性也具有一定作用。

2、本发明其整体结构体积小且简单，采用柔性机器手和气囊机构，对人体不同部位都具有良好的贴合能力，抓取能力强，抓取可靠对人体二次伤害作用小。

3、本发明中的柔性机械手的数量优选为三个，三个柔性机器手可以通过机械手姿态调整机构调整位置，并依据被困人员姿态和井下环境，采取合适的姿态，捕捉待救援人员的腋下和双腿根部进行救援，保障抓取牢靠。通过机械手姿态调整机构调整各柔性机器手水平姿态和竖直位移可以保证机械手姿态调整机构能适应不同人体大小，姿态不一的需求。

4、本发明其体积小，结构简单，柔性机械手下放过程中可以收入保护罩内，一方面可以保护柔性机器手，另一方面可以在必要的时候为井壁提供支撑。

5、进一步地，可以在本发明中，可以在机械手姿态调整机构或/和柔性机器手上整合加装通讯、监视、照明、供暖和给氧等功能模块，指导和协助地面人员更高效地完成救援，并为被困人员提供全方位关怀。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的结构示意图(去掉部分防护罩的罩体)；

图3为本发明的结构示意图(去掉防护罩)；

图4为本发明柔性机械手的结构示意图；

图5为电动关节(十字万向轴)的结构示意图；

图6为手节的结构示意图；

图7为手节的位置控制伺服机构控制图；

图8为气囊机构的气路控制图。

图中标号：

1、柔性机械手；2、顶部支撑架；3、支撑柱；4、支撑底盘；5、提升构件；6、防护罩；7、连杆；8、内圆环形滑槽；9、外圆环形滑槽；10、圆环形齿条；11、滑块；12、内弧形滑块；13、外弧形滑块；14、齿轮；15、导轨；16、安装座；17、丝杆；18、托盘；19、手节；20；电动关节；21、沟槽。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的实施方式进行进一步的详细说明。

参照图1至图6，本发明提供一种柔性深井救援器，包括支撑机构、机械手姿态调整机构以及柔性机械手1，柔性机械手1为1个以上；所述支撑机构为机械手姿态调整机构提供支撑以及安装平台；所述机械手姿态调整机构安装在支撑机构上，柔性机械手1安装在机械手姿态调整机构上，通过机械手调整机构实现柔性机械手其位置以及角度的调整，所述柔性机械手1包括气囊机构以及多个首尾相连的手节19，相邻手节19间通过电动关节20连接，各电动关节20为连接在其上的各手节1提供动力，通过控制各电动关节20实现各手节19旋转角度的调整进而实现有效的抓取或缠绕，所述气囊机构包括设置在各个手节上的气囊瓣。

参照图1、2和3，所述支撑机构，包括顶部支撑架2、支撑柱3以及支撑底盘4。顶部支撑架2为一环形支撑件，顶部支撑架2上设有多个用于提升的提升构件5，提升构件5如吊耳等。提升构件5与提升动力连接，能够将整个柔性深井救援器以及柔性深井救援器抱持的井下受困人/物平稳的提升出来。因此，提升构件5的分布因使得整个柔性深井救援器在提升过程中平稳提升，本实施例中，提升构件5为3个吊耳，3个提升构件均5匀分布在环形支撑件2上。通过绳索连接吊耳和提供提升动力的吊装设备即可。

参照图3，顶部支撑架2与支撑底盘4之间通过多根支撑柱3连接。所述支撑底盘4为圆环形底盘。为了减轻整个结构的重量，所述支撑底盘4的内部镂空或者所述支撑底盘4设为两个同圆心的内、外圆环盘。在顶部支撑架2下方连接有多根支撑柱3。本实施例中，所述支撑底盘4设为两个同圆心的内、外圆环盘。支撑柱为L形空心支撑柱，其连接起来整体呈L形的竖直支撑段和水平支撑段。竖直支撑段的上端与顶部支撑架2固定连接，水平支撑段的下方连接固定在圆环形底盘4的上盘面。

参照图1和2，所述支撑机构上还设置有防护罩6。防护罩6由多块罩体拼合而成。在各支撑柱3的竖直支撑段的外侧设置有用于连接罩体的安装构件如安装孔等，罩体通过连杆7安装在安装构件上。外力(电机、液压或者人力等)驱动各连杆7能够实现各罩体的收拢和展开。本实施例中的连杆7采用平行四边形连杆，连杆7可有采用液压驱动实现收缩和伸展。平行四边形连杆收缩时，防护罩6的各罩体可以在平行四边形连杆驱动下，保持竖直方向姿态不变的同时进行收拢与展开。一方面可以保护防护罩内侧的各内部结构，另一方面罩体可以贴近墙壁，对墙壁起到支撑作用，防止墙壁坍塌，避免造成救援时的二次伤害。液压系统可安置于支撑机构中空位置，通过液压控制系统使连杆输出的支撑力满足特定性能。

参照图3，所述圆环形底盘4的下盘面设有内圆环形滑槽8、外圆环形滑槽9以及设置在内环形滑槽8与外环形滑槽9之间的圆环形齿条10。内圆环形滑槽8、外圆环形滑槽9、圆环形齿条10与圆环形底盘4同圆心设置。

机械手姿态调整机构包括圆周调节机构、径向调节机构以及竖向伸缩调节机构。其中通过圆周调节机构可以调节机械手在圆环形底盘上所处的圆周方向的位置。通过径向调节机构可以调节机械手在圆环形底盘径向上的所处的位置。通过竖向伸缩调节结构可以调节机械手与圆环形底盘竖直方向上的距离。

圆周调节机构包括滑块11，所述滑块11的上侧面设置有分别与圆环形底盘上的内圆环形滑槽8、外圆环形滑槽9对应的内弧形滑块12、外弧形滑块13。内弧形滑块12滑动连接在内圆环形滑槽8中，外弧形滑块13滑动连接在外圆环形滑槽9中。所述滑块11上设置有容纳齿轮14以及齿轮驱动电机的空间，齿轮驱动电机固定安装在滑块11上，齿轮驱动电机的输出轴与齿轮14连接，齿轮14与圆环形底盘4上圆环形齿条10对应，利用齿轮驱动电机驱动齿轮14在圆环形齿条10上作圆周运动，进而带动整个滑块1以及滑块11上安装的所有组件同步作圆周运动。

所述滑块11的下侧面设置有径向调节机构，径向调节机构包括沿圆弧形底盘4径向设置的导轨15、安装座16以及能够驱动安装座16沿导轨15径向运动的径向驱动电机。在滑块11的下侧面上设有沿圆弧形底盘4径向设置的导轨15，安装座16滑动安装在导轨15上。安装座16左侧装配径向驱动电机，安装座16与径向驱动电机的输出轴连接，在径向驱动电机的驱动下，安装座16可以在导轨15上作径向来回运动，进而带动安装座16以及安装座16上安装的所有组件同步作圆周运动。

安装座16上安装有竖向伸缩调节结构，竖向伸缩调节机构包括由竖向伸缩驱动电机驱动的丝杆17，丝杆17的末端连接有托盘18，柔性机械手1安装连接在托盘18上。竖向伸缩驱动电机驱动丝杆17作竖向伸缩运动，进而带动丝杆17上的托盘18以及安装在托盘18上的柔性机械手1同步作竖向的伸缩运动。

参照图1至4，本发明中的柔性机器手1主要借鉴仿生结构灵活缠绕的特点，将类蛇形机器人的结构引入到机器手的设计中，使救援更加安全高效。本实施例中包括三个柔性机器手1。参照图4，每个柔性机器手1包括一个托盘18和若干手节19。托盘18和柔性机械手1的首个手节19之间以及相邻手节19间均通过电动关节20连接，本实施例中电动关节20为十字万向轴连接。托盘18是控制柔性机器手1其手节运动的节点，也是柔性机器手1与竖向伸缩调节结构相连的机构，以实现模块化设计。救援人员通过控制机器手实现对受困人员的有效缠绕，来实施救援。参照图5和图6，十字万向轴包括十字轴，十字万向轴内安装有两组驱动机构，十字万向轴内安装有两组驱动机构，一组驱动机构分别包括一个舵机和一个微型减速箱，相邻的两个手节分别采用齿轮连接在电动关节上一对相对的轴上，两组驱动机构采用齿轮驱动的方式分别对应驱动连接电动关节上连接的两个手节，为手节旋转提供动力，使每个手节获得自由度。所述手节上设置有位置控制伺服机构，对手节的位置进行检测，实现手节的位置反馈，形成位置伺服系统的闭环控制，实现对机器手姿态的监视和控制，整个控制过程参照图7。柔性机械手最末端的手节外端设置为半圆状，安置摄像头和供氧系统出气口。

柔性机器手还包括气囊机构，气囊机构包括设置在各个手节上的气囊瓣、气路、真空泵以及压力传感器，外置的真空泵与各个手节上的气囊泵之间通过气路连接，所述气路包括导气管以及设置在各导气管上的阀门以及检测传感器，所述气囊瓣内表面设置有压力传感器，各手节上设置有安置气囊瓣的沟槽21，气囊瓣未充气时，气囊瓣折叠置于手节的沟槽内。参照图8，充气时，由外置的真空泵给各气囊瓣供气，经导气管输送，对气囊瓣充气后，气囊瓣在手节外围形成有效包裹。气囊瓣内表面设置压力传感器。

利用本发明救援时，将本发明救援器和简易三角升降吊装平台进行组合后置于井口上端，然后使用升降吊装平台将本发明救援器整体装置下降到待救援人员上方20cm左右，这个过程可以通过本救援器上加装的摄像头将井下图像上传，根据从井下实时传送的视频画面来精确控制。抵近受困人员时，将防护罩通过伸缩连杆撑开，使其与井壁压力接触，固定柔性机械手的同时也能防止救援过程中有碎石脱落对人员进行二次伤害。而后，将本救援器上加装的供氧和供暖装置打开，利用本救援器上加装的通信模块与待救援人员保持沟通，稳定被困人员的情绪。救援人员根据视频实时画面对井下情况进行分析，通过机械手姿态调整机构使3个柔性机械手分别位于待救援人员腋下和腰部的正上方或更好的位置。根据柔性机械手上分布的力学传感器反馈的信息，控制柔性机械手进行缠绕。为了增大柔性机械手与人体的有效的接触面积，在柔性机械手外表面安装有柔性气囊瓣，在对人体部位进行缠绕之前，气囊瓣处于收缩状体，一旦到位以后就进行充气，这样可以增大柔性机械手与人体的接触面积，提供一定缓冲的作用，使缠绕更舒适和安全，缓解起吊过程速度不平稳等波动的影响。被困人员与装置配合完毕后，即可通过吊装平台上升出井，将待救援人员拽离受困区域，实现救援的目的。起吊过程中还能根据人体姿态的变化进行缠绕姿态的微小调整，保证时刻都紧贴人的不同部位进行有效固定。

以上所述仅为本发明的优选的实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.柔性深井救援器，其特征在于：包括支撑机构、机械手姿态调整机构以及柔性机械手，柔性机械手为1个以上；

所述支撑机构为机械手姿态调整机构提供支撑以及安装平台；所述支撑机构包括支撑架以及支撑底盘，支撑底盘固定连接在支撑架的下方，所述支撑底盘为圆环形底盘；

所述机械手姿态调整机构安装在支撑机构上，柔性机械手安装在机械手姿态调整机构上，通过机械手调整机构实现柔性机械手其位置以及角度的调整，一个柔性机械手对应一机械手姿态调整机构，所述机械手姿态调整机构包括圆周调节机构、径向调节机构以及竖向伸缩调节机构；其中通过圆周调节机构调节柔性机械手在圆环形底盘上所处的圆周方向的位置；通过径向调节机构调节柔性机械手在圆环形底盘径向上的所处的位置；通过竖向伸缩调节结构调节柔性机械手与圆环形底盘竖直方向上的距离；所述柔性机械手包括气囊机构以及多个首尾相连的手节，相邻手节间通过电动关节连接，各电动关节为连接在其上的各手节提供动力，通过控制各电动关节实现各手节旋转角度的调整进而实现有效的抓取或缠绕，所述气囊机构包括设置在各个手节上的气囊瓣、气路、真空泵以及压力传感器，外置的真空泵与各个手节上的气囊泵之间通过气路连接，所述气路包括导气管以及设置在各导气管上的阀门以及检测传感器，所述气囊瓣内表面设置有压力传感器，各手节上设置有安置气囊瓣的沟槽，气囊瓣未充气时，气囊瓣折叠置于手节的沟槽内，真空泵对气囊瓣充气后，气囊瓣在手节外围形成有效包裹；所述电动关节为十字万向轴，十字万向轴内安装有两组驱动机构，一组驱动机构分别包括一个舵机和一个微型减速箱，两组驱动机构分别对应驱动连接电动关节上连接的两个手节，为手节旋转提供动力，使每个手节获得自由度。

2.根据权利要求1所述的柔性深井救援器，其特征在于：所述圆环形底盘的下盘面设有内圆环形滑槽、外圆环形滑槽以及设置在内环形滑槽与外环形滑槽之间的圆环形齿条；内圆环形滑槽、外圆环形滑槽、圆环形齿条与圆环形底盘同圆心设置；

圆周调节机构包括滑块，所述滑块的上侧面设置有分别与圆环形底盘上的内圆环形滑槽、外圆环形滑槽对应的内弧形滑块、外弧形滑块；内弧形滑块滑动连接在内圆环形滑槽中，外弧形滑块滑动连接在外圆环形滑槽中；所述滑块上设置有容纳齿轮以及齿轮驱动电机的空间，齿轮驱动电机固定安装在滑块上，齿轮驱动电机的输出轴与齿轮连接，齿轮与圆环形底盘上圆环形齿条对应，利用齿轮驱动电机驱动齿轮在圆环形齿条上作圆周运动，进而带动整个滑块以及滑块上安装的所有组件同步作圆周运动。

3.根据权利要求2所述的柔性深井救援器，其特征在于：所述圆周调节机构其滑块的下侧面设置有径向调节机构，径向调节机构包括沿圆弧形底盘径向设置的导轨、安装座以及能够驱动安装座沿导轨径向运动的径向驱动电机，在滑块的下侧面上设有沿圆弧形底盘径向设置的导轨，安装座滑动安装在导轨上；安装座左侧装配径向驱动电机，安装座与径向驱动电机的输出轴连接，在径向驱动电机的驱动下，安装座在导轨上作径向来回运动，进而带动安装座以及安装座上安装的所有组件同步作圆周运动。

4.根据权利要求3所述的柔性深井救援器，其特征在于：所述径向调节机构的安装座上安装有竖向伸缩调节结构，竖向伸缩调节机构包括由竖向伸缩驱动电机驱动的丝杆，丝杆的末端连接有托盘，柔性机械手安装连接在托盘上；竖向伸缩驱动电机驱动丝杆作竖向伸缩运动，进而带动丝杆上的托盘以及安装在托盘上的柔性机械手同步作竖向的伸缩运动。

5.根据权利要求1至4中任一权利要求所述的柔性深井救援器，其特征在于：所述支撑架包括顶部支撑架和支撑柱，顶部支撑架为一环形支撑件，环形支撑件上设有多个用于提升的提升构件，提升构件与提升动力连接，能够将整个柔性救援机械手以及柔性救援机械手抱持的井下受困人/物平稳的提升出来；顶部支撑架与支撑底盘之间通过多根支撑柱连接。

6.根据权利要求5所述的柔性深井救援器，其特征在于：所述支撑机构上还设置有防护罩，防护罩由多块罩体拼合而成，在各支撑柱的竖直支撑段的外侧设置有用于连接罩体的安装构件，罩体通过连杆安装在安装构件上，外力驱动各连杆能够实现各罩体的收拢和展开。

7.根据权利要求1所述的柔性深井救援器，其特征在于：柔性机械手最末端的手节外端设置为半圆形，且安置有摄像头和供氧系统出气口。