CN112276901A

CN112276901A - 一种面向复杂环境的大载荷应急救援机器人

Info

Publication number: CN112276901A
Application number: CN202011186828.2A
Authority: CN
Inventors: 张鹏; 文明; 吴爱枝; 赵奎富; 周轶; 赵荣华
Original assignee: Beijing Academy Of Safety Science And Technology
Current assignee: Beijing Academy Of Safety Science And Technology
Priority date: 2020-10-30
Filing date: 2020-10-30
Publication date: 2021-01-29

Abstract

本发明公开了一种面向复杂环境的大载荷应急救援机器人，包括机械臂，动力底盘、悬挂系统、液压系统等，其中悬挂系统布置在动力底盘的两侧，用来支撑整个设备平台以及行走功能，悬挂系统采用克里斯蒂悬挂，具有高机动性和越野性能，最大越障高度达到300mm，机械臂和动力底盘通过机械臂安装法兰连接；平台用高强度薄钢板以及型材焊接而成，具备高强度、低质量的特点，用来安装和支撑动力传动箱、电池箱、散热系统、机械臂、液压系统、车载控制器部件；行走电机采用大功率伺服电机，具备低速大扭矩满足行走功能，液压泵站采用大功率电机，为机械臂液压传动提供动力，并且这个平台可实现故障自诊断和自动控制。

Description

一种面向复杂环境的大载荷应急救援机器人

技术领域

本发明涉及智能救援机器人，具体地说是一种面向复杂环境的大载荷应急救援机器人。

背景技术

近些年，战争、恐怖袭击等突发事件，干旱、洪涝、冰雹、地震、海啸、沙尘暴等自然灾害及潜在的核、化、生和爆炸物等严重威胁着人类的生命与财产安全。仅就2008年以来，我国先后经历了南方大面积的冰冻雪灾、四川汶川特大地震、青海玉树地震、台风“黑格比”、甘肃舟曲特大山洪泥石流、雅安芦山大地震等重特大自然灾害，再加上火灾、矿难、交通事故等频发的生产安全事故，使人民生命和财产经受了巨大损失。

各种灾难发生次数增多的同时，其严重性、多样性和复杂度也逐渐增加。灾难发生后的72ｈ为黄金抢救时间，但受灾难现场的非结构化环境的影响，救援人员难以快速、高效、安全地进行工作，且救援任务逐渐超出了救援人员的能力范围，因此救援机器人已经成为一个重要的发展方向。

目前，多数救援机器人主要还是以搜索目标为主，当机器人发现救援目标后，将救援信息发送至救援指挥部，由救援指挥人员根据救援信息和路况，决定派遣救援人员或其他救援设备实施救援动作，救援效率低。另外一些搜索和救援结合的机器人多以工程机械车改装居多，整体较为笨重，无法通过狭小的空间。

目前的应急救援机器人主要是以搜索目标为主，需要配合救援人员或其他救援设备才能完成救援任务，救援效率较低。并且对于狭窄区域，救援机器人无法通过等问题，因此本领域技术人员还应及时解决上述问题。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的缺点，提供一种救援机器人系统，具有搜索和救援功能，应急抢险救援能力强，功能多，载荷大，具备高通讯能力和高智能化功能。

本发明是通过以下技术方案来实现：一种面向复杂环境的大载荷应急救援机器人，其结构包括：包括机械臂，动力底盘、悬挂系统、超声波、摄像头、照明灯、外观钣金件、液压系统，其中悬挂系统布置在动力底盘的两侧，用来支撑整个设备平台以及行走功能，悬挂系统采用克里斯蒂悬挂，具有高机动性和越野性能，最大越障高度达到300mm，机械臂和动力底盘通过机械臂安装法兰连接；所述动力底盘由平台、动力传动箱、电池箱、散热系统组成；平台用高强度薄钢板以及型材焊接而成，具备高强度、低质量的特点，用来安装和支撑动力传动箱、电池箱、散热系统、机械臂、液压系统、车载控制器部件；行走电机采用大功率伺服电机，具备低速大扭矩满足行走功能，液压泵站采用大功率电机，为机械臂液压传动提供动力，并且这个平台可实现故障自诊断和自动控制。

所述外观钣金件上安装有摄像头、超声波、照明灯，用于辅助搜索，在复杂环境中超声波可以有效避免机器人受到损坏，摄像头可以观察周边环境，确保机器人安全；遥控器在危险工况可实现遥控操作，配合人机界面显示器可实现1.4km范围内的远程控制。

所述机械臂如图3所示具有6个自由度，由底座、底座旋转座、摆缸一、摆缸二、臂一、摆缸三、臂二旋转电机、臂四旋转电机、臂三旋转电机、臂二、臂三、臂四、机械臂末端组成，其中底座、底座旋转座、臂一、臂二、臂三、臂四、机械臂末端均采用高强度7050铝合金加工，符合高强度、低重量需求。所述底座通过旋转轴承与底部旋转座连接，底部旋转座与摆缸A 连接，可以实现机械臂的水平360°旋转，所述底部旋转座通过摆缸B 与大臂进行旋转连接，可以实现大臂旋转运动，大臂通过摆缸C 与上装部分进行旋转连接，实现上装部分的旋转运动，上装部分为电机驱动部分，包括小臂旋转电机、翻转臂旋转电机、旋转臂旋转电机、小臂、翻转臂、旋转臂、机械臂末端组成，红外摄像头、高清云台组成，其中小臂旋转电机通过减速箱，齿轮，锥齿轮将动力传送到小臂，使小臂能够进行旋转运动，翻转臂旋转电机通过减速箱，齿轮，锥齿轮将动力传送到翻转臂，使转臂能够进行翻转运动，旋转臂旋转电机通过减速箱，齿轮，锥齿轮将动力传送到旋转臂，使旋转臂能够进行旋转运动。所述上装安装有红外摄像头和高清云台用于辅助搜索。所述机械臂液压部分采用比例电磁阀控制，实现摆缸A ,摆缸B , 摆缸C平稳转动，电机部分采用伺服电机控制，实现小臂、翻转臂、旋转臂的精确位置控制. 机械臂整体采用闭环控制，编码器采集各关节角度反馈给控制器，控制器精确控制摆缸和伺服电机的运动，控制精度达到毫米级。

所述机械臂末端通过安装座安装在旋转臂上，旋转臂的旋转运动，带动丝杆旋转，进而带动丝杆螺母移动，进而带动连杆连杆及夹爪运动，完成夹取物体的功能，机械臂末端的旋转通过旋转臂的旋转来实现。另外可自动实现刀、叉、锥、钩等多种工作辅具的快换，满足多种工况的作业需求。

大载荷应急救援机器人的电气部分由电源（蓄电池）、车载控制系统（MCU）、传感器控制系统、照明信号等组成。所有用电装置由48v直流电源提供，包括灯光、报警灯、车载控制器、液压泵站电机、行走电机、机械臂电机等装置。电器部分通过模块开关来实现快速拆装。每个部分可实现快速拆装，解体后可分别包装运输，快速装配后可实现不同功能，经优化设计，具备了轻量、小型、功能集成、远程和自动控制等特点，可替代人员手工作业。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：本发明所述的技术方案同时具备搜索和救援功能；设备体积小，重量轻（约800kg），载荷大，机械臂末端载荷达到50kg，越野性能强，具备远距离大范围搜索（通信距离达到2km）和快速换工具（刀、叉、锥、钩等）功能。反应速度快，可在非公路环境行走和平稳作业。具备人工操作、遥控和计算机远程控制功能，可实现操作人员和机器人之间、操作人员和遇难者之间、多救援装备之间多种形式的通讯，通讯主要通过声音和图像的传递。另外搭载多种传感器，可以对复杂环境进行感知。同时本发明结构设计由于合理且简单，因此易于实现，适合推广应用。

附图说明

附图1是本发明结构示意图；

附图2是本发明的平台示意图；

附图3是本发明的机械臂结构示意图；

附图4是本发明的机械臂末端结构示意图；

附图中的标记分别表示：

1、机械臂； 2、动力底盘；3、悬挂系统； 4、超声波；5、摄像头； 6、照明灯； 7、外观钣金件；8、液压系统；1-1、底座；1-2、底座旋转座；1-3、摆缸一；1-4、摆缸；1-5、臂一；1-6、摆缸三；1-7、臂二旋转电机；1-8、臂四旋转电机；1-9、臂三旋转电机；1-10、臂二；1-11、臂三；1-12、臂四；1-13、机械臂末端；1-14、红外摄像头；1-15、高清云台；1-16、编码器；1-13-1、夹爪；1-13-2、连杆；1-13-3、丝杆；1-13-4、丝杆螺母；1-13-5、安装座；2-1、比例电磁阀；2-2、液压泵；2-3、车载控制器；2-4机械臂安装法兰。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作详细的说明。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如附图所示，所述一种面向复杂环境的大载荷应急救援机器人，包括机械臂一，动力底盘2、悬挂系统3、超声波4、摄像头5、照明灯6、外观钣金件7、液压系统8，其中悬挂系统3布置在动力底盘2的两侧，用来支撑整个设备平台以及行走功能，悬挂系统3采用克里斯蒂悬挂，具有高机动性和越野性能，最大越障高度达到300mm，机械臂一和动力底盘2通过机械臂安装法兰2-4连接；所述动力底盘2由平台、动力传动箱、电池箱、散热系统组成；平台用高强度薄钢板以及型材焊接而成，具备高强度、低质量的特点，用来安装和支撑动力传动箱、电池箱、散热系统、机械臂一、液压系统8、车载控制器2-3部件；行走电机采用大功率伺服电机，具备低速大扭矩满足行走功能，液压泵站2-2采用大功率电机，为机械臂液压传动提供动力，并且这个平台可实现故障自诊断和自动控制。

所述外观钣金件7上安装有摄像头5、超声波4、照明灯6，用于辅助搜索，在复杂环境中超声波可以有效避免机器人受到损坏，摄像头可以观察周边环境，确保机器人安全；遥控器在危险工况可实现遥控操作，配合人机界面显示器可实现1.4km范围内的远程控制。

所述机械臂一如图3所示具有6个自由度，由底座1-1 、底座旋转座1-2、摆缸一1-3、摆缸二1-4、臂一1-5、摆缸三1-6、臂二旋转电机1-7 、臂四旋转电机1-8、臂三旋转电机1-9、臂二1-10、臂三1-11、臂四1-12、机械臂末端1-13组成，其中底座 1-1、底座旋转座1-2、臂一1-5、臂二1-10、臂三1-11、臂四1-12、机械臂末端1-13均采用高强度7050铝合金加工，符合高强度、低重量需求。所述底座1-1通过旋转轴承与底部旋转座1-2连接，底部旋转座1-2与摆缸A 1-3连接，可以实现机械臂的水平360°旋转，所述底部旋转座1-2通过摆缸B 1-4与大臂一-5进行旋转连接，可以实现大臂一1-5旋转运动，大臂一1-5通过摆缸C 1-6与上装部分进行旋转连接，实现上装部分的旋转运动，上装部分为电机驱动部分，包括小臂旋转电机1-7 、翻转臂旋转电机1-8、旋转臂旋转电机1-9、小臂1-10、翻转臂1-11、旋转臂1-12、机械臂末端1-13组成，红外摄像头1-14、高清云台1-15组成，其中小臂旋转电机1-7通过减速箱，齿轮，锥齿轮将动力传送到小臂一1-10，使小臂一1-10能够进行旋转运动，翻转臂旋转电机1-8通过减速箱，齿轮，锥齿轮将动力传送到翻转臂一1-11，使转臂一1-11能够进行翻转运动，旋转臂一1-9旋转电机通过减速箱，齿轮，锥齿轮将动力传送到旋转臂一1-12，使旋转臂一1-12能够进行旋转运动。所述上装安装有红外摄像头1-14和高清云台1-15用于辅助搜索。所述机械臂 1液压部分采用比例电磁阀2-1控制，实现摆缸A 1-3,摆缸B 1-4, 摆缸C1-6平稳转动，电机部分采用伺服电机控制，实现小臂一1-10、翻转臂一1-11、旋转臂一1-12的精确位置控制. 机械臂一整体采用闭环控制，编码器1-16采集各关节角度反馈给控制器，控制器精确控制摆缸和伺服电机的运动，控制精度达到毫米级。

所述机械臂末端1-13通过安装座1-13-5安装在旋转臂一1-12上，旋转臂一1-12的旋转运动，带动1-13-3丝杆旋转，进而带动1-13-4丝杆螺母移动，进而带动连杆1-13-2连杆及夹爪1-13-1运动，完成夹取物体的功能，机械臂末端1-13的旋转通过旋转臂一1-12的旋转来实现。另外可自动实现刀、叉、锥、钩等多种工作辅具的快换，满足多种工况的作业需求。

本发明大载荷应急救援机器人小型化，宽度只有1米，重量约800kg，可以通过狭窄区域实行救援。自由度机械臂6，末端载荷大，高达50Kg，适合大部分救援环境。越野性能强，采用克里斯蒂悬挂，可越障30cm障碍物。智能化程度高，搭载各类传感器，有效感知周边环境。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种面向复杂环境的大载荷应急救援机器人，其特征在于：其结构包括：包括机械臂，动力底盘、悬挂系统、超声波、摄像头、照明灯、外观钣金件、液压系统，其中悬挂系统布置在动力底盘的两侧，用来支撑整个设备平台以及行走功能，悬挂系统采用克里斯蒂悬挂，具有高机动性和越野性能，最大越障高度达到300mm，机械臂和动力底盘通过机械臂安装法兰连接；所述动力底盘由平台、动力传动箱、电池箱、散热系统组成；平台用高强度薄钢板以及型材焊接而成，具备高强度、低质量的特点，用来安装和支撑动力传动箱、电池箱、散热系统、机械臂、液压系统、车载控制器部件；行走电机采用大功率伺服电机，具备低速大扭矩满足行走功能，液压泵站采用大功率电机，为机械臂液压传动提供动力，并且这个平台可实现故障自诊断和自动控制。

2.根据权利要求1所述的一种面向复杂环境的大载荷应急救援机器人，其特征在于：外观钣金件上安装有摄像头、超声波、照明灯，用于辅助搜索，在复杂环境中超声波可以有效避免机器人受到损坏，摄像头可以观察周边环境，确保机器人安全；遥控器在危险工况可实现遥控操作，配合人机界面显示器可实现1.4km范围内的远程控制。

3.根据权利要求1所述的一种面向复杂环境的大载荷应急救援机器人，其特征在于：机械臂具有6个自由度，由底座、底座旋转座、摆缸一、摆缸二、臂一、摆缸三、臂二旋转电机、臂四旋转电机、臂三旋转电机、臂二、臂三、臂四、机械臂末端组成，其中底座、底座旋转座、臂一、臂二、臂三、臂四、机械臂末端均采用高强度7050铝合金加工，符合高强度、低重量需求。

4.根据权利要求3所述的一种面向复杂环境的大载荷应急救援机器人，其特征在于：底座通过旋转轴承与底部旋转座连接，底部旋转座与摆缸A 连接，可以实现机械臂的水平360°旋转，所述底部旋转座通过摆缸B 与大臂进行旋转连接，可以实现大臂旋转运动，大臂通过摆缸C 与上装部分进行旋转连接，实现上装部分的旋转运动，上装部分为电机驱动部分，包括小臂旋转电机、翻转臂旋转电机、旋转臂旋转电机、小臂、翻转臂、旋转臂、机械臂末端组成，红外摄像头、高清云台组成，其中小臂旋转电机通过减速箱，齿轮，锥齿轮将动力传送到小臂，使小臂能够进行旋转运动，翻转臂旋转电机通过减速箱，齿轮，锥齿轮将动力传送到翻转臂，使转臂能够进行翻转运动，旋转臂旋转电机通过减速箱，齿轮，锥齿轮将动力传送到旋转臂，使旋转臂能够进行旋转运动。

5. 根据权利要求1所述的一种面向复杂环境的大载荷应急救援机器人，其特征在于：液压系统采用比例电磁阀控制，实现摆缸A ,摆缸B , 摆缸C平稳转动，电机部分采用伺服电机控制，实现小臂、翻转臂、旋转臂的精确位置控制，机械臂整体采用闭环控制，编码器采集各关节角度反馈给控制器，控制器精确控制摆缸和伺服电机的运动，控制精度达到毫米级。

6.根据权利要求1所述的一种面向复杂环境的大载荷应急救援机器人，其特征在于：机械臂末端通过安装座安装在旋转臂上，旋转臂的旋转运动，带动丝杆旋转，进而带动丝杆螺母移动，进而带动连杆连杆及夹爪运动，完成夹取物体的功能，机械臂末端的旋转通过旋转臂的旋转来实现。