CN109927043A - 一种用于消防救援机器人的机械手臂 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于消防救援机器人的机械手臂，包括机械臂和机械手，机械臂包括固定于基板上的转动电机，与转动电机输出轴固定连接的转盘，铰接于转盘上的大臂，与大臂铰接的小臂，设置于小臂内、且可滑动的伸缩臂，通过旋转电机与伸缩臂连接的机械手；转盘和大臂之间铰接有第一电动推杆，大臂和小臂之间铰接有第二电动推杆，小臂与伸缩臂之间设置有第三电动推杆；机械手包括两个缓冲组件，两个缓冲组件相对的面上设置有卡爪；本发明的机械臂，通过在机械手上安装一组缓冲组件构成柔性机械手，在救援过程中，在夹持不规则的物体时，通过弹簧的作用能够增大卡爪的夹持力，抓取更加可靠，有效提高机械臂的工作效率。

Description

一种用于消防救援机器人的机械手臂

技术领域

本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种用于消防救援机器人的机械手臂。

背景技术

现今社会中，随着城镇化推进，高楼建设速度加快，但应对高楼消防的设备发展相对滞后，同时，随着化工行业的迅速发展，各类容易爆炸不适合人类靠近处理的消防事件呈上升趋势。今年来，消防官兵因高楼消防设备滞后、消防过程中近距离处理易爆案件导致伤亡人数不断增多，这一消防上的难题一直未得到解决。目前的消防手段，多是采用云梯消防车来解决高楼消防问题，普通的云梯消防车的有效作业高度为30-50米，再高的可达60-70米。但消防车因体积较大，在出警消防时受到街道通常度限制，难以在狭窄街道通行，常常不能在第一时间赶到火灾现场，导致火灾进一步恶化。

高层建筑一旦发生火灾，有一个显著的特征是“烟囱效应”，即：在底层发生的火灾形成的热空气，因为密度交底，经电梯槽或楼梯通道得以网上流动，就像一个巨大的烟囱中的气流，使高热气体不断在通道得顶部积聚，结果是使火势透过这种空气的对流在大厦的顶层制造另一个火场。而且随着热空气的排出，新鲜空气不断从底部流程吸入，导致火势进一步加剧。这种火灾多是顺着电梯槽或楼道通道蔓延，消防队员不能像处理一般建筑火灾那样从外部进行灭火，只能佩戴空气呼吸器进入火场，通过内部强攻扑救大火。但是，在这些狭窄区域，灭火设备无法有效作业，一旦火灾蔓延到高层楼层，消防员无法携带灭火设备进行扑救，给救援工作带来了很大的困难。

因此，在消防领域内出现了很多解决该问题的消防设备，例如消防机器人等，但是，目前使用的消防机器人其机械臂均为刚性连接，该结构不利于夹持形状不规则的物体，所以，影响消防救援的工作效率。

发明内容

为了解决现有技术中存在的现有消防机器人的刚性机械臂救援效率低的技术问题，本发明提供了以下技术方案：

一种用于消防救援机器人的机械手臂，包括机械臂和机械手，所述机械臂包括固定于基板上的转动电机，与所述转动电机输出轴固定连接的转盘，铰接于所述转盘上的大臂，与所述大臂铰接的小臂，设置于所述小臂内、且可滑动的伸缩臂，通过旋转电机与所述伸缩臂连接的机械手；

所述转盘和大臂之间铰接有第一电动推杆，所述大臂和小臂之间铰接有第二电动推杆，所述小臂与伸缩臂之间设置有第三电动推杆；

所述机械手包括与所述旋转电机输出轴固定连接的壳体，所述壳体内固定设置有第四电动推杆，所述第四电动推杆顶端伸出所述壳体外、且固定连接一铰接轴，所述壳体顶面固定设置有两块相互平行设置的铰接板，所述电动推杆伸出壳体外的部分和所述铰接轴均位于两块所述铰接板之间；

所述铰接轴两端分别铰接有第一连接臂，所述铰接板顶端两边分别铰接有第二连接臂，所述第一连接臂与第二连接臂铰接；

所述第二连接臂顶端固定连接有缓冲组件，两个所述缓冲组件相对的面上设置有卡爪；

所述缓冲组件包括外壳，所述外壳上与所述卡爪相邻且平行的侧面上设置有供连接杆插入外壳内部的第二通孔，所述连接杆设置有两个且相互对称设置；

所述连接杆处于外壳外部的一端与所述卡爪固定连接，所述连接杆插入所述外壳内部的一端的两个相对侧面上对称设置有两个第二滑轮；

所述外壳内与所述第二通孔相对的内壁和所述连接杆之间固定设置有第四弹簧；

所述外壳内设置有两个缓冲块，所述缓冲块与外壳内壁滑动连接，两个所述缓冲块之间固定连接有第三弹簧；

所述连接杆上的两个第二滑轮分别与外壳内壁和缓冲块的侧面接触；

所述缓冲块与第二滑轮接触的侧面为第三斜面。

作为本发明的进一步说明，所述基板下方设置有移动机构，所述移动机构包括机架，安装于所述机架两侧的主动轮和从动轮，所述主动轮和从动轮上设置有履带，所述主动轮上连接有电动马达。

与现有技术相比，本发明取得的有益效果为：

本发明的机械臂，通过在机械手上安装一组缓冲组件构成柔性机械手，在救援过程中，在夹持不规则的物体时，通过弹簧的作用能够增大卡爪的夹持力，抓取更加可靠，有效提高机械臂的工作效率。

以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。

附图说明

图1是机器人整体结构示意图。

图2是连接机构的结构示意图。

图3是机械手结构示意图。

图4是缓冲组件结构示意图。

图5套筒内部结构示意图。

图中：1、插接部；2、插座部；3、基座；4、连接部；5、空腔；6、第一铁芯；7、左端面；8、右端面；9、第一弹簧；10、第一斜面；11、第一滑轮；12、第一电磁铁；13、连接块；14、第一通孔14；15、第二斜面；16、第二弹簧；17、第一凹槽；18、第二凹槽；19、基板；20、转动电机；21、转盘；22、大臂；23、小臂；24、伸缩臂；25、旋转电机；26、机械手；27、第一电动推杆；28、第二电动推杆；29、第三电动推杆；30、壳体；31、第四电动推杆；32、铰接轴；33、铰接板；34、第一连接臂；35、第二连接臂；36、缓冲组件；37、卡爪；38、外壳；39、第二通孔；40、第二滑轮；41、第四弹簧；42、缓冲块；43、第三弹簧；44、机架；45、主动轮；46、从动轮；47、履带；48、电动马达；49、底座；50、滚轮；51、旋转座；52、支杆；53、支撑板；54、内齿轮；55、套筒；56、驱动电机；57、第二电磁铁；58、第二铁芯；59、第五弹簧；60、中间齿轮；61、主动齿轮；62、蜗杆；63、第一齿轮；64、第二齿轮；65、连接杆；66、球形壳体；67、支撑杆；68、立板；69、喷头；70、齿条；71、固定部；72、连杆；73、支座；74、卡箍；75、上板；76、下板。

具体实施方式

为进一步阐述本发明达成预定目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及实施例对本发明的具体实施方式、结构特征及其功效，详细说明如下。

在本发明创造的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明创造和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明创造的限制。

此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明创造的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明创造中的具体含义。

本实施例提供的用于消防救援机器人的机械手臂可搭载多种结构的机器人使用，本实施例中仅提供其中一种，如图1所示，包括主动车体和从动车体，主动车体和从动车体之间通过连接机构连接，其中，连接机构包括设置于主动车体上的插接部1和设置于从动车体上的插座部2；插接部如图2所示，包括固定于主动车体上的基座3，基座3上固定连接有连接部4，连接部4内部设置有空腔5，空腔5内设置有一第一铁芯6，第一铁芯6与空腔5之间滑动连接；第一铁芯6上与第一铁芯6滑动方向垂直的左端面7和右端面8，与左端面7相邻且平行的空腔5内壁和左端面7之间通过两个第一弹簧9连接，右端面8上、下两端分别设置有第一斜面10，第一斜面10上固定设置有第一滑轮11；与左端面7相邻且平行的空腔5内壁上、位于两个第一弹簧9之间固定设置有一第一电磁铁12，与右端面8相邻且平行的空腔5内壁和右端面8之间设置有两个连接块13，两个连接块13分别通过连接部4上、下两个侧壁上设置的第一通孔14伸出连接部4外界，连接块13与第一通孔14内壁上固定设置的滑块滑动连接；两个连接块13相对的端面左侧均设置有第二斜面15，第二斜面15与第一斜面10平行，第一滑轮11与第二斜面15接触、且沿第二斜面15滑动，两个连接块13相对的端面之间设置有第二弹簧16；插座部2上设置有供连接部4插入的第一凹槽17，第一凹槽17上、下两侧均设置有供连接块13插入的第二凹槽18，主动车体和从动车体之间通过连接块13卡接在第二凹槽18内，以实现主动车体和从动车体的连接。

本实施例提供的机器人通过上述连接机构连接主动车体和从动车体，使主动车体带动从动车体共同行驶，从而不需在从动车体上安装单独的移动机构，能够减少机器人的成本。

该连接机构在使用时，通过第一电磁铁12的通电与断电实现控制第一铁芯6的左右运动，首先给第一电磁铁12断电，在第一弹簧9的弹力作用下，使第一铁芯6向右运动时，第一滑轮11沿第二斜面15滑动，从而使两个连接块13相互远离，即伸出连接部4外，从而使连接块13插入插座部2上的第二凹槽18内，实现主动车体和从动车体的对接，当主动车体和从动车体需要分离时，为第一电磁铁12通电，使第一电磁铁12吸附第一铁芯6向左运动，此时两个连接块13在第二弹簧16的弹力作用下，同时向连接部4内部运动，从而使连接部4移出第二凹槽18，实现主动车体和从动车体的分离。

需要指出的是，当主动车体和从动车体分离后，第一电磁铁12可以直接断电，使第一弹簧9和第二弹簧16均处于自由长度，第一铁芯6和连接块13的位置也不需限制，这样既能够节省电能，又能够保证弹簧处于自由长度，延长弹簧的使用寿命。

上述主动车体包括移动机构、基板19和机械臂，基板19固定于移动机构上，机械臂安装于基板19顶面，基座3固定于基板19上；机械臂包括固定于基板19上的转动电机20，与转动电机20输出轴固定连接的转盘21，铰接于转盘21上的大臂22，与大臂22铰接的小臂23，设置于小臂23内、且可滑动的伸缩臂24，通过旋转电机25与伸缩臂24连接的机械手26；转盘21和大臂22之间铰接有第一电动推杆27，大臂22和小臂23之间铰接有第二电动推杆28，小臂23与伸缩臂24之间设置有第三电动推杆29。

上述机械手26如图3所示，包括与旋转电机25输出轴固定连接的壳体30，壳体30内固定设置有第四电动推杆31，第四电动推杆31顶端伸出壳体30外、且固定连接一铰接轴32，壳体30顶面固定设置有两块相互平行设置的铰接板33，电动推杆伸出壳体30外的部分和铰接轴32均位于两块铰接板33之间；铰接轴32两端分别铰接有第一连接臂34，铰接板33顶端两边分别铰接有第二连接臂35，第一连接臂34与第二连接臂35铰接；第二连接臂35顶端固定连接有缓冲组件36，两个缓冲组件36相对的面上设置有卡爪37。

上述缓冲组件如图4所示，36包括外壳38，外壳38上与卡爪37相邻且平行的侧面上设置有供连接杆65插入外壳38内部的第二通孔39，连接杆65设置有两个且相互对称设置；连接杆65处于外壳38外部的一端与卡爪37固定连接，连接杆65插入外壳38内部的一端的两个相对侧面上对称设置有两个第二滑轮40；外壳38内与第二通孔39相对的内壁和连接杆65之间固定设置有第四弹簧41；外壳38内设置有两个缓冲块42，缓冲块42与外壳38内壁滑动连接，两个缓冲块42之间固定连接有第三弹簧43；连接杆65上的两个第二滑轮40分别与外壳38内壁和缓冲块42的侧面接触；缓冲块42与第二滑轮40接触的侧面为第三斜面。

本实施例提供的机械手臂，各个关节直接铰接，使机械手臂活动更加灵活，并且使用市面上出售的电动推杆作为动力元件，方便维修和更换，在卡爪37上安装有缓冲组件36，形成柔性机械手26，在夹持不规则的物体时，通过弹簧的作用能够增大卡爪37的夹持力，抓取更加可靠，有效提高机械臂的工作效率。

上述移动机构包括机架44，安装于机架44两侧的主动轮45和从动轮46，主动轮45和从动轮46上设置有履带47，主动轮45上连接有电动马达48。本实施例提供的主动车体通过电动马达48驱动行驶，在行驶过程中，只需调节两个主动轮45上的电动马达48的转速和方向即可实现主动车体的行驶、转弯和调头等动作。

上述从动车体包括底座49，底座49底面设置有滚轮50，底座49顶面固定设置有齿轮组件和插接部，齿轮组件上安装有高压水炮；齿轮组件包括通过转轴安装于底座49上的旋转座51，旋转座51上方通过多个支杆52固定连接有支撑板53，支杆52中部固定设置有内齿轮54；旋转座51顶面上固定设置有套筒55和驱动电机56；套筒55内底部固定设置有第二电磁铁57，如图5所示，第二电磁铁57上方设置有第二铁芯58，第二铁芯58与套筒55侧壁之间滑动连接，第二铁芯58与套筒55底壁之间固定设置有第五弹簧59，套筒55上方设置有中间齿轮60，中间齿轮60与第二铁芯58通过转轴转动连接；驱动电机56输出轴固定连接有主动齿轮61；中间齿轮60分别与内齿轮54和主动齿轮61啮合；支撑板53顶面设置有一蜗杆62和第一齿轮63，蜗杆62轴心线与支撑板53顶面平行设置，第一齿轮63通过转轴安装于支撑板53上，蜗杆62端部固定设置有第二齿轮64，第二齿轮64与第一齿轮63啮合；支撑板53上设置有第三通孔（附图未示出），中间齿轮60可穿过第三通孔与第一齿轮63啮合。

上述高压水炮包括球形壳体66，球形壳体66与固定于支撑板53上的支撑杆67之间通过轴承实现可转动连接；球形壳体66内设置有水管（附图中未示出），水管出水口与固定在球形壳体66上的喷头69连通，水管进水口与供水管道连通；球形壳体66外壁底部设置有一齿条70，齿条70与蜗杆62相互平行设置、且与蜗杆62啮合。

本实施例提供的从动车体通过齿轮组件调节高压水炮的喷射方向，并且在使用时，套筒55内设置的第二电磁铁57、第二铁芯58以及第五弹簧59用于调节中间齿轮60的高度，通过控制第二电磁铁57通电与断电即可，当第二电磁铁57通电时，吸附第二铁芯58向下运动，此时中间齿轮60与内齿轮54啮合，从而使内齿轮54转动，由于内齿轮54与旋转座51和支撑板53均固定连接，所以同时带动旋转座51和支撑板53转动，即高压水炮沿水平方向转动；当第二电磁铁57断电时，吸附力消失，在第五弹簧59的弹力作用下，中间齿轮60向上运动，并且与第一齿轮63啮合，同时与内齿轮54脱离，主动齿轮61带动中间齿轮60转动时，第一齿轮63从动，并且带动第二齿轮64转动，由于第二齿轮64与蜗杆62固定连接，所以，蜗杆62随之转动，并且带动齿条70转动，即高压水炮沿竖直方向转动。

上述齿轮组件仅设置一个驱动电机56即可实现高压水炮的两部分运动，能够较少多个零部件，使高压水炮整体体积减小，而且能够节省较大的成本。

上述旋转座51侧面固定设置有一辅助支撑机构，辅助支撑机构包括固定部71、连杆72、支座73和卡箍74；固定部71包括上板75、下板76和立板68，上板75和下板76之间相互平行设置，上板75和下板76均与立板68相互垂直设置、且分别固定于立板68上端和下端，立板68与旋转座51固定连接；连杆72一端插入上板75和下板76之间、且通过销轴与固定部71可转动连接，连杆72另一端与支座73固定连接，卡箍74固定于支座73上。

本实施例提供的辅助支撑机构，能够固定消防水带，使水炮与水带呈直线位置，当旋转盘21转动时，辅助支撑机构一起转动，不会导致消防水带弯折，影响高压水流流量，而且固定部71与连杆72之间铰接，使整体机构更加灵活，保证高压水炮在转动调节喷射角度时，不会因消防水带弯折导致水流量减小，影响喷射水压。

本实施例提供的消防救援机器人，通过主动车体和从动车体相互配合、协同作业，在保证消防救援机器人基本功能的前提下，最大化的减少零部件，降低机器人成本，而且主动车体和从动车体之间的连接、高压水炮的喷射方向调节以及机械臂的控制，均通过现有技术远程操控即可，使机器人的使用更加方便，在主动车体和从动车体分离后，主动车体可以进行巡逻救援工作，通过机械臂即可清楚障碍，从动车体只需停在合适位置即可进行水枪喷射的灭火工作，大大提高了消防机器人的救援效率，并且消防工作人员只需远程操控即可，当危险系数降低至可控范围内时，再进入现场进行收尾工作，保证了消防人员的人身安全。

进一步的，本实施例提供的消防救援机器人，可以在主动车体和从动车体上均安装高清摄像头，使远程操控更加方便。

本实施例中使用的电动推杆、电磁铁、电机、马达等元器件，均使用市面销售的普通产品即可，其使用方法、电路连接等均为现有技术，生产时只需选用与机器人尺寸相匹配的型号即可，此为产品生产阶段根据实际生产需求而定的，所以，在此不详细阐述上述元器件的具体电路结构和使用方法。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种用于消防救援机器人的机械手臂，包括机械臂和机械手，其特征在于：所述机械臂包括固定于基板上的转动电机，与所述转动电机输出轴固定连接的转盘，铰接于所述转盘上的大臂，与所述大臂铰接的小臂，设置于所述小臂内、且可滑动的伸缩臂，通过旋转电机与所述伸缩臂连接的机械手；

所述转盘和大臂之间铰接有第一电动推杆，所述大臂和小臂之间铰接有第二电动推杆，所述小臂与伸缩臂之间设置有第三电动推杆；

所述机械手包括与所述旋转电机输出轴固定连接的壳体，所述壳体内固定设置有第四电动推杆，所述第四电动推杆顶端伸出所述壳体外、且固定连接一铰接轴，所述壳体顶面固定设置有两块相互平行设置的铰接板，所述电动推杆伸出壳体外的部分和所述铰接轴均位于两块所述铰接板之间；

所述铰接轴两端分别铰接有第一连接臂，所述铰接板顶端两边分别铰接有第二连接臂，所述第一连接臂与第二连接臂铰接；

所述第二连接臂顶端固定连接有缓冲组件，两个所述缓冲组件相对的面上设置有卡爪；

所述缓冲组件包括外壳，所述外壳上与所述卡爪相邻且平行的侧面上设置有供连接杆插入外壳内部的第二通孔，所述连接杆设置有两个且相互对称设置；

所述连接杆处于外壳外部的一端与所述卡爪固定连接，所述连接杆插入所述外壳内部的一端的两个相对侧面上对称设置有两个第二滑轮；

所述外壳内与所述第二通孔相对的内壁和所述连接杆之间固定设置有第四弹簧；

所述外壳内设置有两个缓冲块，所述缓冲块与外壳内壁滑动连接，两个所述缓冲块之间固定连接有第三弹簧；

所述连接杆上的两个第二滑轮分别与外壳内壁和缓冲块的侧面接触；

所述缓冲块与第二滑轮接触的侧面为第三斜面。

2.根据权利要求1所述的机械手臂，其特征在于：所述基板下方设置有移动机构，所述移动机构包括机架，安装于所述机架两侧的主动轮和从动轮，所述主动轮和从动轮上设置有履带，所述主动轮上连接有电动马达。