CN111844073B - 一种刚柔混合多臂救援机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种刚柔混合多臂救援机器人，所述机器人包括行走机构、升降机构、执行机构、上罩和侧挡板；所述升降机构可以相对于行走机构由直线驱动装置驱动沿竖直方向移动，多组托抱装置固定连接于升降机构的下方，且所述工作臂末端设有主动减阻装置；工作时，所述行走机构移动到被救援对象上方，所述升降机构下降至合适位置，所述工作臂按照设定轨迹伸展抱起伤员，所述升降机构上升后离开救援现场。本发明通过变异剪叉组件的设计，发明了一种兼具大承载能力和高安全性、柔顺性的救援机器人，针对平躺姿态无法自主移动的受伤被困人员，实行安全救起并转移的救援任务。

Description

一种刚柔混合多臂救援机器人

技术领域

本发明涉及救援机器人技术领域，尤其涉及一种刚柔混合多臂救援机器人。

背景技术

生活中存在各种意外事故和自然灾害，例如交通事故、爆炸火灾、地震和山体滑坡等等。灾害发生后，大多被困在废墟中的幸存者都只能在短时间内维持生命，因此必须要快速进入灾区内部对被困幸存者实施有效救援。但对于救援人员而言，实施救援的过程中面临着如高温积热不散，建筑物坍塌等复杂灾害现场，单靠人力完成救援任务不但任务艰巨，而且局限性较大。因此利用救援机器人代替人工，担负起危险环境的救援任务，不仅可以缓解人力劳动，也是降低救援人员伤亡的行之有效的方法。

公开号为CN105666501A的发明专利，公开了一种救援机器人，包括平移架、三爪式可变径驱动轮、卷筒、第一伺服电机等。当机器人到达被困人员所在房间后具有两种施救方案：一种是被困人员进入机器人的救生舱后，由机器人施放救生舱将被困人员从阳台窗户降落到地面脱困，另外一种是被困人员进入救生舱后跟随机器人从楼道内原路返回。但是该救援机器人只能针对可自由活动的被救援对象实施救援，针对无法自主移动的被困对象无法施救。

公开号为CN108818546A的发明专利，发明了一种应急救援机器人，包括移动越障装置、救援运输装置、救援执行机构、通信装置和控制器。救援执行机构中的机械臂负责调整位置，末端抓取装置通过抓住被援对象的衣领等位置来将被援对象提抓至传送带的位置。与运输装置的担架装置的传送带端的配合完成将被援对象从危险区域地面到运输装置的保护外壳内的任务。该专利中对于被救援对象采取的是刚性拖拽的方式，极易对被救援对象造成二次伤害。

公开号为CN110202588A的发明专利，该发明涉及一种救援机器人，包括救援舱体、救援机械爪装置、四足运动装置、蓄电池；救援舱体为矩形箱体，救援机械爪装置安装在救援舱体内部，四足运动装置安装在救援舱体外部前后两侧，蓄电池安装在救援舱体内部为救援机器人整体提供电源。采用机械爪装置及救援舱体能够实现人员救援及保护工作。该专利的救援机械爪与被救援对象之间是刚性接触，容易对被救援对象造成伤害。

针对无法自主移动的被困对象，我们通过多臂和变异剪叉机构的设计，解决了被救援对象无自承性和刚性拖拽的问题，并采用末端减阻装置的设计，解决了刚性机械爪易伤害被救援对象的问题。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于通过变异剪叉机构的设计，发明一种兼具大承载能力和高安全性、柔顺性等特点，并可针对平躺姿态无法自主移动的受伤被困人员，实现安全救起并转移的一种刚柔混合多臂救援机器人。

本发明采用的技术方案如下：

本发明所提出的一种刚柔混合多臂救援机器人，包括行走机构、升降机构和执行机构；所述升降机构对称设置在行走机构上方的左右两侧，所述执行机构分别固定连接在两侧升降机构之间；

所述行走机构包括四个支腿、四个麦克纳姆轮和四个驱动电机，所述四个支腿呈矩形布置，所述麦克纳姆轮、支腿和驱动电机之间通过传动轴相连接；

所述升降机构包括第一直线驱动装置和方向控制装置；所述方向控制装置与所述支腿通过第一直线驱动装置连接；

所述执行机构包括两个主梁和多组托抱装置，所述托抱装置前后并列等距，且所述托抱装置的顶部均由主梁通过角接件连接；

所述托抱装置包括几字形横梁和对称设置在几字形横梁左右两端底部的两组变异剪叉组件；

进一步的，所述变异剪叉组件包括第一连杆、两个第二连杆、两个第三连杆、第一安装座、第二安装座、工作臂和第二直线驱动装置；所述两个第二连杆和两个第三连杆分别相对于第一连杆所在平面对称布置；所述第一连杆和第二连杆通过第一销轴连接，并呈剪叉分布；所述第一连杆和第三连杆通过第二销轴连接；所述第三连杆和第二连杆分别通过第五销轴和第六销轴与工作臂连接；所述第二连杆上端通过第三销轴与第二安装座连接；所述第一连杆上端通过第四销轴与第一安装座连接；所述第一安装座通过第二直线驱动装置与几字形横梁连接。

进一步的，所述工作臂包括第四连杆、驱动滚筒、三个托辊、传送带和张紧装置；所述驱动滚筒设置在第四连杆后侧，并与第四连杆转动副连接；所述第四连杆前部依次等距排布三个托辊，所述托辊均与第四连杆转动副连接；所述张紧装置设置在第四连杆下方，并与第四连杆转动副连接，所述传送带包裹在驱动滚筒、托辊和张紧装置的外侧。

进一步的，所述第一直线驱动装置为气缸或滚珠丝杆或电推杆；所述方向控制装置为直线导轨或直线卡槽或方钢套管；

进一步的，所述几字横梁由五段工字钢组合拼焊而成，其形状呈“几”字，且其中上部横梁长度略大于成人肩宽，其两侧段倾斜设置，各段梁拼焊处设置过渡圆角，所述两组变异剪叉组件相对于几字形横梁左右对称布置。

进一步的，所述第二直线驱动装置为气缸或滚珠丝杆或电推杆。

进一步的，所述方向控制装置包括四个方钢套管和两个边梁，且每两个所述方钢套管均由角接件固定连接在一个边梁的两端，且所述两组边梁对称布置。

进一步的，所述托抱装置和升降机构上方设置有上罩，且所述上罩的底部两侧均设置有侧挡板。

进一步的，所述变异剪叉组件的外部包裹有柔性包覆层。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

1.所述几字形横梁由五段工字钢拼焊而成，其中上部横梁长度略大于成年人体肩宽，两侧段为倾斜设计，各段梁拼焊处设置过渡圆角，不仅可以增加了伤员容纳空间，还可以避免对被救援对象造成磕碰伤害；

2.所述变异剪叉组件的末端运动轨迹接近人体横截面轮廓曲线，可以防止下降的过程中触碰伤员，提高抱起过程中的安全性，同时具有良好的承载能力与结构刚度；少自由度的设计使其驱动设置及其控制较易实现，驱动设置在与机架相连的运动副上有效降低机构的运动惯量，提高机构的灵活响应性能；多组所述工作臂协同工作，可以有效分摊人体载荷，从而解决人体无自承性这一关键问题；

3.在所述工作臂末端与人体接触时，有传送带作为工作臂末端减阻装置，可有效减少人体与救援工作臂的摩擦力，甚至通过精准速度调节可实现与人体无相对滑动接触。

附图说明

图1是本发明所提出的一种刚柔混合多臂救援机器人一个实施例的整体结构示意图；

图2是图1的内部主要结构示意图；

图3是图2中托抱装置的具体结构示意图；

图4是图3中工作臂的剖面结构示意图。

其中，附图标记：1-行走机构；2-升降机构；3-执行机构；4-上罩；5-侧挡板；11-支腿；12-麦克纳姆轮；13-驱动电机；14-传动轴；21-电推杆；22-方钢套管；23-边梁；31-主梁；32-几字形梁；33-变异剪叉组件；34-柔性包覆层；331-第一连杆；332-两个第二连杆；333-两个第三连杆；334-第一安装座；335-第二安装座；336-电机；337-丝杠座；338-丝杠；339-螺母；3310-第一销轴；3311-第二销轴；3312-第三销轴；3313-第四销轴；3314-第四连杆；3315-电动滚筒；3316-托辊；3317-传送带；3318-张紧装置；3319-第五销轴；3320-第六销轴。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“上”、“下”、“顶部”、“底部”、“一侧”、“另一侧”、“左”、“右”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和简化描述，而不是指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。

参见附图1至4，给出了本发明所提出的一种刚柔混合多臂救援机器人的一个实施例的具体结构。该机器人包括行走机构1、升降机构2、执行机构3、上罩4和侧挡板5。

所述行走机构1包括四个支腿11、四个麦克纳姆轮12和四个驱动电机13；所述四个支腿11呈矩形布置，所述每个麦克纳姆轮12、支腿11和驱动电机13均通过传动轴14相连接；所述行走机构1位于机器人的底部，用于机器人的行走移动。

所述执行机构3和升降机构2由角接件固定连接；所述上罩4完全包裹在机器人的中上部，所述两侧挡板5用于将除麦克纳姆轮12和上罩4包覆部分的其余部分进行遮挡；所述上罩4的顶部还安装有天线41，可实现对机器人的远程操控。

所述升降机构2包括第一直线驱动装置和方向控制装置，所述第一直线驱动装置可采用气缸或滚珠丝杆或电推杆，本实施例中，所述第一直线驱动装置采用的是电推杆21；所述方向控制装置包括四个方钢套管22和两个边梁23，所述每两个方钢套管22由角接件固定连接在一个边梁23的两端，所述四个方钢套管22的底部分别与四个支腿11连接，且所述两个边梁23间隔一定距离的对称布置。

所述执行机构3包括两个主梁31和多组托抱装置，本实施例中，所述托抱装置的数量设置为三组，且所述三组托抱装置前后并列等距且由主梁31通过角接件连接，所述三组托抱装置协作式设计可以将被救援对象抱起并固定，多对托抱装置可以有效分摊人体载荷，解决了人体无自承性的问题；所述托抱装置包括几字形横梁32和两组变异剪叉组件33，所述两组变异剪叉组件33相对于几字形横梁32左右对称布置，所述几字形横梁32由五段工字钢组合拼焊而成，其形状呈“几”字，其中上部横梁长度略大于成人肩宽，两侧段为倾斜设置，各段梁拼焊处设置过渡圆角；所述变异剪叉组件33的外部包裹有柔性包覆层34，以防止工作过程中对被救援对象造成二次伤害。

所述变异剪叉组件33包括第一连杆331、两个第二连杆332、两个第三连杆333、第一安装座334、第二安装座335、工作臂和第二直线驱动装置；所述第二直线驱动装置可采用气缸或滚珠丝杆或电推杆，本实施例中，所述第二直线驱动装置采用的是滚珠丝杠，所述第二直线驱动装置包括直线驱动电机336、丝杠座337、丝杠338和螺母339；所述第一连杆331的中部通过第一销轴3310连接在两个第二连杆332的中部之间，呈剪叉分布，且所述两个第二连杆332相对于第一连杆331对称布置；所述第一连杆331的前端通过第二销轴3311连接在两个第三连杆333的前端之间，且所述两个第三连杆333相对于第一连杆331对称布置；所述第三连杆333和第二连杆332的底端分别与工作臂转动副连接；所述两个第二连杆332的上端通过第三销轴3312与所述第二安装座335连接，所述第一连杆331的后端通过第四销轴3313与第一安装座334连接，所述第一安装座334通过螺栓固定连接在螺母339的底部；所述丝杠座337和第二安装座335分别通过螺栓固定连接在几字形横梁32的下方，所述螺母339与丝杠338螺旋副相连；所述变异剪叉组件33的设计使工作臂末端轨迹接近人体横截面轮廓曲线，可以防止下降的过程中触碰被救援对象，并且具有良好的刚度，能够承担整个人体的载荷，驱动方便，同时其具有剪叉机构良好的伸缩折叠特性，工作时展开状态可满足大作业尺度范围，非工作时折叠状态又可以节省空间便于运输。

所述工作臂包括第四连杆3314、电动滚筒3315、三个托辊3316、传送带3317和张紧装置3318；所述第四连杆3314的后侧分别与第二连杆332和第三连杆333的底部转动副连接；所述电动滚筒3315设置在第四连杆3314后端，并与第四连杆3314转动副连接；所述第四连杆3314上依次等距排布三个托辊3316，所述托辊3316均与第四连杆3314转动副连接，且所述托辊3316均与电动滚筒3315平行且位于同一平面；所述张紧装置3318设置在第四连杆3314的中部下方，且与第四连杆3314转动副连接；所述电动滚筒3315、三个托辊3316和张紧装置3318的外侧包裹传送带3317；所述第三连杆333和第二连杆332的底部分别通过第五销轴3319和第六销轴3320与第四连杆3314的后端转动副连接。

本发明的工作原理在于：当机器人工作时，所述驱动电机13分别驱动四个麦克纳姆轮12转动，使机器人移动到伤员上方；所述行走机构1停止后，所述升降机构2的电推杆21驱动方钢套管22，从而带动执行机构3，沿支腿11向下移动至适合位置；当所述升降机构2停止下降后，所述几字形横梁32上的直线驱动电机336驱动丝杠338转动，使螺母339水平移动，同时与螺母339连接的第一连杆331绕第四销轴3313转动，所述第一连杆331带动第二连杆332和第三连杆333转动，剪叉结构伸展，所述第二连杆332和第三连杆333共同带动工作臂整体下移接近被救援对象；在抱起被救援对象的过程中，工作臂末端设置有主动减阻装置，即在工作臂前端接触并进入被救援对象身体下方时，所述电动滚筒3315转动并带动传送带3317转动，辅助抱起过程，当两侧相对的工作臂合拢时，所述电筒滚筒3315停止转动，抱起过程结束；当所述工作臂抱起伤员后，所述升降机构2带动执行机构3上升，然后所述行走机构1工作，运送伤员回到安全区域；运送过程中，所述上罩4和两侧挡板5可以保护被救援对象不受外界伤害，所述柔性包覆层34可以有效避免被救援对象受到变异剪叉组件33的磕碰伤害。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种刚柔混合多臂救援机器人，其特征在于：所述机器人包括行走机构、升降机构和执行机构；所述升降机构对称设置在行走机构上方的左右两侧，所述执行机构分别固定连接在两侧升降机构之间；

所述行走机构包括四个支腿、四个麦克纳姆轮和四个驱动电机，所述四个支腿呈矩形布置，所述麦克纳姆轮、支腿和驱动电机之间通过传动轴相连接；

所述升降机构包括第一直线驱动装置和方向控制装置；所述方向控制装置与所述支腿通过第一直线驱动装置连接；

所述执行机构包括两个主梁和多组托抱装置，所述托抱装置前后并列等距，且所述托抱装置的顶部均由主梁通过角接件连接；

所述托抱装置包括几字形横梁和对称设置在几字形横梁左右两端底部的两组变异剪叉组件；

所述变异剪叉组件包括第一连杆、两个第二连杆、两个第三连杆、第一安装座、第二安装座、工作臂和第二直线驱动装置；所述两个第二连杆和两个第三连杆分别相对于第一连杆所在平面对称布置；所述第一连杆和第二连杆通过第一销轴连接，并呈剪叉分布；所述第一连杆和第三连杆通过第二销轴连接；所述第三连杆和第二连杆分别通过第五销轴和第六销轴与工作臂连接；所述第二连杆上端通过第三销轴与第二安装座连接；所述第一连杆上端通过第四销轴与第一安装座连接；所述第一安装座通过第二直线驱动装置与几字形横梁连接。

2.根据权利要求1所述的一种刚柔混合多臂救援机器人，其特征在于：所述工作臂包括第四连杆、驱动滚筒、三个托辊、传送带和张紧装置；所述驱动滚筒设置在第四连杆后侧，并与第四连杆转动副连接；所述第四连杆前部依次等距排布三个托辊，所述托辊均与第四连杆转动副连接；所述张紧装置设置在第四连杆下方，并与第四连杆转动副连接，所述传送带包裹在驱动滚筒、托辊和张紧装置的外侧。

3.根据权利要求1所述的一种刚柔混合多臂救援机器人，其特征在于：所述第一直线驱动装置为气缸或滚珠丝杆或电推杆；所述方向控制装置为直线导轨或直线卡槽或方钢套管。

4.根据权利要求1所述的一种刚柔混合多臂救援机器人，其特征在于：所述几字形横梁由五段工字钢组合拼焊而成，其形状呈“几”字，且其中上部横梁长度略大于成人肩宽，其两侧段倾斜设置，各段梁拼焊处设置过渡圆角，所述两组变异剪叉组件相对于几字形横梁左右对称布置。

5.根据权利要求1所述的一种刚柔混合多臂救援机器人，其特征在于：所述第二直线驱动装置为气缸或滚珠丝杆或电推杆。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的一种刚柔混合多臂救援机器人，其特征在于：所述方向控制装置包括四个方钢套管和两个边梁，且每两个所述方钢套管均由角接件固定连接在一个边梁的两端，且所述两个 边梁对称布置。

7.根据权利要求1至5中任一项所述的一种刚柔混合多臂救援机器人，其特征在于：所述托抱装置和升降机构上方设置有上罩，且所述上罩的底部两侧均设置有侧挡板。

8.根据权利要求1至5中任一项所述的一种刚柔混合多臂救援机器人，其特征在于：所述变异剪叉组件的外部包裹有柔性包覆层。

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