CN112415631B - 一种用于抗震救灾的充气动力自生长装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于抗震救灾的充气动力自生长装置，属于探测技术领域。包括：用于收卷并导向压力囊体、维持整体气密、容纳并分配气路管线的主体；用于通过外翻生长实现前行与转向、跨越或绕过障碍、穿过细小孔隙并搭载尖端载荷，具有多腔室与转向辅助齿条的柔性充气压力囊体；用于传递传感信号或各种探测功能的尖端载荷。本发明利用充气囊体的柔性外翻运动时的方向指向性使其得以穿过细小孔隙。该方案可以较为有效地辅助尖端任务载荷工作，实现直行，转向于越障等任务职能，进而高效、安全、稳定地完成探测、导航、定位等任务。

Description

一种用于抗震救灾的充气动力自生长装置

技术领域

本发明涉及一种用于抗震救灾的充气动力自生长装置，属于探测技术领域。

背景技术

随着科技水平的提升，各种先进的探测设备在震后抢险救援任务中逐渐展现出其独特的优势。相比传统营救方案，此类设备的救援任务中的采用在提升搜救效率、确保人员安全等诸多方面都具有显著的积极意义，如日本东北大学科研人员曾经开发出一款蛇型机器人，顶部安装了摄像头，可用于大型机器人无法进入的碎石、泥道中进行搜救。但其总体仍属于刚性结构，难以穿越小于其直径尺度的缝隙，有限的长度也限制了其搜救的有效范围。而各种仿生昆虫型的无人单元在空间运动能力、通讯与续航等方面仍存在各种不足，仍未受到实用。

总体而言，传统的搜救探测平台仍存在诸多不足，首先，受限于能源与通讯的要求传统的探测设备往往具有一定的体积与刚性的结构，难以进入地震造成的废墟开展探测工作；其次，传统的探测设备往往采用无线方法进行通讯与信号传输，而由于地震灾区电器的损坏，往往存在大量的射频干扰，复杂的电磁环境将极大程度地影响无线通讯的效果。最后，传统探测设备的刚性结构往往具有较为精密的机构与元件，在震后伴随尘埃屑、电气火花、水系混乱等恶劣条件的任务灾区往往难以保证系统的稳定工作。

因此，为高效可靠地开展废墟环境下的救援工作，对废墟内部进行探测与定位，亟需设计新型的无人移动装置，在易于行进的路径被地震破坏或受到震区废墟阻隔后，充分利用废墟间的缝隙等厘米尺寸范围内的微小狭窄通道，实现“无孔不入”的全方位搜救，为后续的救援工作提供数据和图像支持。

发明内容

本发明的目的在于针对抗震救灾中废墟内部环境复杂，传统刚体机器人难以接近的问题，提供一种用于抗震救灾的充气动力自生长装置，特别是一种利用建筑物门窗缝隙、地下排污口，废墟结构间隙等厘米级尺寸范围内的微小狭窄通道的单人携带的尖端外翻自生长及方向控制的压力驱动软体移动装置。如图1所示，本发明实现微型探测器等尖端载荷狭窄曲折缝隙的快速通过，提高对废墟内部环境的感知，定位和导航能力。为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种用于抗震救灾的充气动力自生长装置，包括：本体、压力囊体和尖端载荷；

所述本体包括：外壳、保持架、底盖、囊体导向与回卷装置和囊体夹持装置；囊体夹持装置、囊体导向与回卷装置中的传动轴、囊体收纳轮和收纳轮轴固定在形状适配的保持架中；然后整体置于外壳与底盖中；

囊体夹持装置由一个紧固环、直行腔室夹持块、多个方向控制腔室夹持块和密封垫圈组成；多个方向控制腔室夹持块安装在直行腔室夹持块周围，并通过紧固环和密封垫圈固定；直行腔室夹持块呈圆盘型，中部带有用于配合方向控制腔室夹持块的凸台，所述凸台中心开设有用于囊体穿行的通气孔A，凸台周围开设与通气孔B连通的孔；所述方向控制腔室夹持块上开设有通气孔B；

囊体导向与回卷装置包括：收纳轮轴、囊体收纳轮、传动轴和伺服电机；传动轴带有3个齿轮，两端齿轮用于与囊体收纳轮啮合；第三个齿轮用于与伺服电机的齿轮啮合，以形成传动；气囊安装于收纳轮轴和囊体收纳轮之间；

所述压力囊体为中空、双层的软体结构；两层分别为内层和外层；所述内层和外层部分区域固定连接，使得非连接区域形成空腔，所述空腔的数量需与方向控制腔室夹持块数量相同；

所述尖端载荷为用于探测的元器件；

所述空腔中带有柔性齿条结构；需保证空腔未通气时，两柔性齿条处于啮合状态；转向可以将囊体弯度的改变固定在某一位置处；

工作过程：本发明在工作时需通过外接气源提供气压与流量，进而驱动软体外翻生长。在直行时，气路管线需穿过底盖，向本体内部充气。此时方向控制腔室的气路管线关闭，气源、本体与压力囊体形成回路。在内压的作用下，囊体从直行腔室夹持块中部的通气孔A向外翻出生长，并推动尖端载荷保持在囊体尖端并向前运动。由于充气囊体具备较高的柔性且已展开部分与环境保持相对静止，对于尺寸小于囊体直径的空隙与通道仍具有一定的通行能力；

在转向时，需要暂停或减缓对直行腔室的供气，同时开启所需转向方向相反的方向控制腔室的气路管线进行供气。此时，方向控制腔室内原本啮合的柔性齿条会垂直脱开，并在方向控制腔室的膨胀作用下发生错动。随后，停止对方向控制腔室的供气并保压，恢复对直行腔室的供气。此时，在直行腔室的膨胀作用下柔性齿条会产生不对称啮合，其弹性力会驱动压力囊体向相对方向弯曲，并保证其他部位不受影响。

有益效果

本发明公开的一种用于抗震救灾的充气动力自生长装置，与现有的刚体机器人和传统软体机器人相比，具有如下有益效果：

1.所述用于抗震救灾的充气动力自生长装置构造简单，主要采用材料易获得与加工，生产与加工成本低廉。

2.所述用于抗震救灾的充气动力自生长装置的尖端载荷与控制平台的连接为通过光电线缆实现的有线连接，具有抗干扰能力强，探测半径大，续航时间长等优势。

3.所述用于抗震救灾的充气动力自生长装置展开部分与周围环境保持静止，仅有尖端不断外翻生长，加之充气结构柔软的特性，利于在废墟的细小孔隙中穿行并避免划伤。

附图说明

图1为一种用于抗震救灾的充气动力自生长装置的使用原理示意图。

图2为一种用于抗震救灾的充气动力自生长装置本体的构成。

图3为囊体夹持装置的具体组成。

图4为囊体导向与回卷装置的具体组成。

图5为保持架的具体组成。

图6为外壳的具体组成。

图7为压力囊体的具体组成。

图8为压力囊体直行原理示意图；图a为一种用于抗震救灾的充气动力自生长装置的结构示意；图b为压力囊体生长原理示意图。

图9为压力囊体转向原理示意图。

其中，1为外壳、2为保持架、3为囊体导向与回卷装置、4为囊体夹持装置、5为紧固环、6为方向控制腔室夹持块、7为直行腔室夹持块、8为收纳轮轴、9为囊体收纳轮、10为传动轴、11为伺服电机、12为上部保持架、13为中部保持架、14为下部保持架、15为地脚、16为上盖、17为底盖、18为直行腔室、19为方向控制腔室、20为柔性齿条。

具体实施方式

本发明主要用于地震后废墟中对内部人员进行感知与搜索，如图1所示。为了更好地说明本发明的目的和优点，下面使用已装配完成的一种用于抗震救灾的充气动力自生长装置对其直行、转向、越障功能进行验证与详细说明。

实施例1

本实施例中，装置总体构成与发明内容所述保持一致。其中本体包括：外壳1、保持架2、囊体导向与回卷装置3和囊体夹持装置4；囊体夹持装置4、囊体导向与回卷装置3中的传动轴10、囊体收纳轮9和收纳轮轴8固定在形状适配的保持架2中，整体置于外壳1中。

囊体夹持装置由一个紧固环5、直行腔室夹持块7、4个方向控制腔室夹持块6和密封垫圈组成，如图3所示；直行腔室夹持块7呈圆盘型，中部带有用于配合方向控制腔室夹持块的凸台，凸台中心开设有用于囊体穿行的通气孔A，凸台周围开设与通气孔B连通的孔；方向控制腔室夹持块7上开设有通气孔B；

囊体导向与回卷装置具体由1台伺服电机11、1条传动轴10、1个囊体收纳轮9与收纳轮轴8组成，如图4所示。伺服电机11提供软体回卷时的作动力，传动轴10通过1面锥齿轮和一对直齿轮将伺服电机11的收卷运动传递至囊体收纳轮9。囊体收纳轮9的端板有与传动轴10相啮合的轮齿，同时起到收卷囊体的作用，而囊体收纳轮9上有开槽用于与收纳轮轴8共同夹持囊体。

保持架具体分为上中下三个部分，如图5所示。上部保持架12主要用于容纳并定位囊体夹持机构4，中部保持架13与下部保持架14共同定位传动轴10与囊体收纳轮9。

外壳具体分为上盖16、底座17、地脚15、密封圈与紧固件，如图6所示。地脚用于保持本体接地稳定，其余零件共同容纳内部零件与装置，固定伺服电机11并主要维持整个系统的气密。

压力管线为提供气体压力的软管，穿过外壳与囊体夹持装置4与气源连接，分别为不同的气室供气。每条管线上串联有常闭式电磁换向阀1个、手动球阀1个、溢流阀1个，分别用于控制腔室开始或停止工作、手动急停与过载保护。

压力囊体为一条分为条空腔的薄膜软管，通过外翻展开。直行腔室夹持块7的中央通路主要为囊体外翻提供空间，周围四条通路则作为方向控制腔室19。充气前整体收卷至本体内的囊体收纳轮9上，两端分别固定于本体的囊体夹持装置4与囊体收纳轮9。如图8所示，囊体外翻时，内外层之间的密闭空间作为直行腔室18，并与本体形成压力控制回路，随着压力囊体内介质压力的增大，尖端囊体不断外翻，并向前生长。

本实施以测试一种用于抗震救灾的充气动力自生长装置的直行功能为目的，因此方向控制腔室19全程关闭。其中所采用的压力囊体由四条收卷宽度为80mm，单层厚度为0.05mm的PE膜管热合制成，共10m，可展开最大长度为5m。充气管线中方向控制腔室不启动，尖端载荷未搭载。实施场地为塑胶平地，测量范围为2.5m。

分别在不同气源压力下进行三次测试。实施中，随着气源压力的提升，压力囊体的生长速度随之增加，本体接地良好，压力囊体前进速度稳定且未发生偏移与打滑。总体而言，直行功能的实施较为理想，符合预期。

表压(kpa)	时间(s)	平均速度(m/s)
			0	12	0.21
1	6.8	0.37
			2	3.4	0.74

实施例2

本实施例中，装置总体构成与发明内容保持一致。其中本体包括：外壳1、保持架2、囊体导向与回卷装置3和囊体夹持装置4；囊体夹持装置4、囊体导向与回卷装置3中的传动轴10、囊体收纳轮9和收纳轮轴8固定在形状适配的保持架2中，整体置于外壳1中。

囊体夹持装置4由一个紧固环5、直行腔室夹持块7、4个方向控制腔室夹持块6和密封垫圈组成；多个方向控制腔室夹持块6安装在直行腔室夹持块7周围，并通过紧固环5和密封垫圈固定；直行腔室夹持块7呈圆盘型，并均布有4个用于气路管线穿行的圆孔。在囊体夹持装置4中起到保持装置整体形状、定位囊体与其他零件、提供气路等作用。方向控制腔室夹持块6呈花瓣形台，中部带有1个用于气路管线穿行的圆孔。4个方向控制腔室夹持块6与直行腔室夹持块7配合形成完整的圆台形，以配合紧固环5。紧固环5用于与腔室夹持块组配合并提供预紧力以夹持压力囊体。密封垫圈用于保持夹持装置4的气密并提供预紧力。

囊体导向与回卷装置3包括：收纳轮轴8、囊体收纳轮9、传动轴10和伺服电机11；传动轴10带有3个齿轮，两端齿轮用于与囊体收纳轮9啮合；第三个齿轮用于与伺服电机11的齿轮啮合，以形成传动；气囊安装于收纳轮轴8和囊体收纳轮9之间；

压力囊体为中空、双层的软体结构；两层分别为内层和外层；内层和外层部分区域固定连接，使得非连接区域形成空腔，空腔的数量与本实施例中方向控制腔室夹持块6数量相同。

柔性齿条20固联于方向控制腔室19内表面两侧。在直行时，方向控制腔室19不蓄气，两侧柔性齿条20互相啮合，保证以展开部分形状不受转向影响。转向时，向相反方向的控制腔室19蓄气的同时直行，使柔性齿条20不对称啮合，在其弹性的作用下使囊体弯曲转向，其原理如图9所示。

尖端载荷为囊体末端搭载的任务载荷，形状配合囊体尖端，随其生长推动向前，通过光电线缆或无线传递接受信号指令。部分可根据任务需求，装载微型摄像机、红外探测器、电子干扰器等。

本实施以测试一种用于抗震救灾的充气动力自生长装置的转向功能为目的。一种用于抗震救灾的充气动力自生长装置与实施例1相同。实施场地为带有刚性立方体障碍的塑胶平地，测量范围为2.5m*2.5m²，气源提供常压(0表压)。实施分为直行腔室与方向控制腔室同时启动(模式1)与二者交替启动(模式2)两种控制模式。

在无障碍物的实施中，模式1齿条始终未啮合，仅通过外部控制腔室的张力使压力囊体产生微小弯曲。模式2实现了齿条的不对称啮合，弯曲显著优于模式1，且程度随交替的时间有所变化。在有刚性障碍物的实施中，两种模式皆可绕过障碍物选择预定的方向，但模式二的方向可控性明显更强。总体而言，在适宜的控制模式下，转向功能的实施较为理想，符合预期。

实施例3

本实施以测试一种用于抗震救灾的充气动力自生长装置通过不同孔隙与细窄通道的功能为目的，一种用于抗震救灾的充气动力自生长装置与实施例2相同。实施场地为带有正方形、圆形小孔的隔板与正方形、圆形截面通道的塑胶平地，为确保水力直径相同，正方形孔与通道的边长30mm，圆形孔与通道的半径15mm，隔板厚度10mm，通道长1m。

实施中，压力囊体在短暂阻滞(2至3秒)后均可快速通过隔板小孔或进入通道，由于实际面积较大，在正方形孔的阻滞时间略短于圆形孔。而在通道中由于气源流量恒定，直行速度显著高于自由直行。总体而言，通过孔隙与细窄通道功能的实施较为理想，符合预期。

根据上述实践得到一种用于抗震救灾的充气动力自生长装置的功能实施结果，体现了本发明的有益效果1、3，有益效果2所涉及的基本原理与实施例中所展现的机能趋于一致，可通过调整装置的几何尺寸实现，无附加技术难点。本发明所公开的内容可为抗震救灾提供废墟内部的探测，定位与导航支持，具有广泛的应用前景与效益。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例，用于解释本发明，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种用于抗震救灾的充气动力自生长装置，其特征在于：包括：本体、压力囊体和尖端载荷；

所述压力囊体一端连接本体，实现伸缩；尖端载荷与其连接电线从压力囊体的中空部分穿过，并置于本体外；并将压力囊体向外翻折后，将边缘部分固定在本体上；

所述压力囊体为中空、双层的软体结构；两层分别为内层和外层；所述内层和外层部分区域固定连接，使得非连接区域形成空腔，所述空腔的数量需与方向控制腔室夹持块（6）数量相同；

所述空腔中带有柔性齿条（20）结构；需保证空腔未通气时，两柔性齿条处于啮合状态；暂停或减缓对直行腔室的供气，同时开启所需转向方向相反的方向控制腔室的气路管线进行供气；此时，方向控制腔室内原本啮合的柔性齿条会垂直脱开，并在方向控制腔室的膨胀作用下发生错动；随后，停止对方向控制腔室的供气并保压，恢复对直行腔室的供气；此时，在直行腔室的膨胀作用下柔性齿条会产生不对称啮合，其弹性力会驱动压力囊体向相对方向弯曲，并保证其他部位不受影响。

2.如权利要求1所述的一种用于抗震救灾的充气动力自生长装置，其特征在于：所述本体包括：外壳（1）、保持架（2）、囊体导向与回卷装置（3）和囊体夹持装置（4）；囊体夹持装置（4）、囊体导向与回卷装置（3）中的传动轴（10）、囊体收纳轮（9）和收纳轮轴（8）固定于形状适配的保持架（2）中；然后整体置于外壳（1）中；

囊体夹持装置（4）由一个直行腔室夹持块（7）、多个方向控制腔室夹持块（6）、紧固环（5）和密封垫圈组成；多个方向控制腔室夹持块（6）安装在直行腔室夹持块（7）周围，并通过紧固环（5）和密封垫圈固定；直行腔室夹持块（7）带有用于配合方向控制腔室夹持块的凸台，所述凸台中心开设有用于囊体穿行的通气孔A，凸台周围开设与通气孔B连通的孔；所述方向控制腔室夹持块（6）上开设有通气孔B；

囊体导向与回卷装置（3）包括：伺服电机（11）、传动轴（10）、囊体收纳轮（9）和收纳轮轴（8）；传动轴（10）通过齿轮与带有轮齿的囊体收纳轮（9）与伺服电机（11）啮合，以形成传动；气囊安装于囊体收纳轮（9）和收纳轮轴（8）之间。

3.如权利要求1所述的一种用于抗震救灾的充气动力自生长装置，其特征在于：所述尖端载荷为用于探测的元器件，形状配合囊体尖端。

4.采用如权利要求2所述的一种用于抗震救灾的充气动力自生长装置来实现探测的方法，其特征在于：压力囊体为一条分为条空腔的薄膜软管，通过外翻展开；直行腔室夹持块（7）的中央通路主要为囊体外翻提供空间；充气前整体收卷至本体内的囊体收纳轮（9）上，两端分别固定于本体的夹持装置（4）与囊体收纳轮（9）；囊体外翻时，内外层之间的密闭空间作为直行腔室（18），并与本体形成压力控制回路，随着压力囊体内介质压力的增大，囊体从直行腔室夹持块中部的通气孔A向外翻出生长，并推动尖端载荷保持在囊体尖端并向前运动；由于充气囊体具备较高的柔性且已展开部分与环境保持相对静止，对于尺寸小于囊体直径的空隙与通道仍具有一定的通行能力。

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