CN112571455B - 一种机器人给水装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及废墟救援设备，具体地说是一种机器人给水装置，包括位姿调整机构和给水机构，给水机构安装在位姿调整机构上，用以构成给水装置；其中位姿调整机构包括伸缩关节和耦合关节，伸缩关节一端通过固定底座固定在机器人上，另一端装有耦合关节，其通过电机驱动改变伸缩关节长度，达到预定目标位置；耦合关节通过双电机驱动多齿轮啮合传动，其输出可实现任意方向和角度调整，使得连接的给水机构灵活敏捷；给水机构包括储水模块和末端控制模块，储水模块储存纯净水，以供需求，末端控制模块控制末端输水管的位置及角度，以达到输水的目的。本发明具有结构轻量化、模块化、给水精度高，易于安装、更换、操控精准的特点。

Description

一种机器人给水装置

技术领域

本发明涉及废墟救援设备，具体地说是一种机器人给水装置，可安装于废墟救援机器人上。

背景技术

地震、海啸等意外事故的发生常常会导致建筑物倒塌产生废墟，救援被埋在废墟下的幸存者是一项非常紧迫的任务。为了提高救援效率，大力发展营救技术；由于废墟内环境的杂乱无章，且被困人员生命体征极度虚弱，急需水、氧供给，或药物治疗，更有甚者流血不止，需要包扎，给救援工作带来了极大的困难。

发明内容

为了解决废墟内部被困人员的各种迫切需求，甚至是简单治疗，保证被困人员生命体征正常，本发明的目的在于提供一种机器人给水装置，用于紧急救援任务。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

本发明包括位姿调整机构及给水机构，其中位姿调整机构包括伸缩关节和耦合关节，所述给水机构包括储水模块和末端控制及感知模块，所述伸缩关节的一端安装于机器人上，另一端为伸缩端，所述耦合关节的一端与伸缩关节的伸缩端相连、由伸缩关节驱动伸缩，所述耦合关节的另一端具有俯仰自由度或偏转自由度；所述储水模块和末端控制及感知模块安装在耦合关节的另一端，通过所述伸缩关节及耦合关节的驱动到达设定位置及角度。

其中：所述伸缩关节包括伸缩驱动电机、伸缩丝杠、伸缩丝母、伸缩滑块、滑块连杆、伸缩组件、固定底座、伸缩外架、伸缩丝杠固定座及多层支撑套筒，该固定底座一端安装在机器人上，另一端连接有伸缩外架，所述伸缩外架上固定有伸缩丝杠固定座，该伸缩丝杠固定座转动安装有伸缩丝杠，所述伸缩丝杠与固定在固定底座上的伸缩驱动电机的输出轴连接，该伸缩丝杠上螺纹连接有伸缩丝母，所述伸缩滑块与伸缩丝母固接，所述滑块连杆的一端与伸缩滑块铰接，另一端通过伸缩组件与多层支撑套筒中的最内层连接，所述多层支撑套筒的最外层固接于所述伸缩外架的外部。

所述伸缩组件包括支撑杆及支撑连接，该支撑杆为多根呈十字交叉状，所述支撑连接安装于多层支撑套筒的最内层，所述多根呈十字交叉状的支撑杆的两侧分别与滑块连杆及支撑连接铰接。

所述耦合关节包括耦合驱动电机、传动齿轮组、输出锥齿轮、十字轴、耦合底座及输出连接件，该耦合底座安装于所述伸缩关节的输出端，所述耦合驱动电机为两个，对称安装于所述耦合底座上，所述耦合底座的两侧各设有一组传动齿轮组；所述十字轴上安装两个输出锥齿轮，该十字轴的两端分别与输出连接件转动连接，每侧所述传动齿轮组的输入端均由一个耦合驱动电机驱动，输出端分别与两个所述输出锥齿轮有齿的一端啮合，所述输出锥齿轮的另一端安装于输出连接件上。

所述传动齿轮组包括输出齿轮、惰性齿轮、传动齿轮及输入锥齿轮，该输出齿轮连接于所述耦合驱动电机的输出端，两侧的两个所述传动齿轮安装在一根锥齿轮轴上、与锥齿轮轴连动，该锥齿轮轴转动安装于所述耦合底座上，所述惰性齿轮的齿轮轴转动安装于耦合底座上，该惰性齿轮位于所述输出齿轮及传动齿轮之间，并分别与所述输出齿轮及传动齿轮啮合；所述锥齿轮轴上安装有两个输入锥齿轮，该输入锥齿轮与锥齿轮轴连动，每个所述输入锥齿轮分别与所述十字轴上的两个输出锥齿轮啮合。

所述十字轴中的一根轴的两端分别与输出连接件转动连接，另一根轴为中空管状，所述锥齿轮轴由该中空管穿过。

所述输出连接件为U形，所述十字轴中的一根轴的两端分别与所述U形开口端的两侧转动连接，所述储水模块和末端控制及感知模块安装于U形的底部。

所述储水模块包括储水罐、输水管、输水阀、水阀减速器、水阀电机、末端软管及给水底座，该储水罐固定在机器人上，通过输水管与输水阀的一端相连，所述输水阀的另一端连接末端软管；所述输水阀上装有水阀减速器和水阀电机，该输水阀和水阀电机均安装于给水底座上，所述给水底座固接在耦合关节的另一端。

所述末端控制及感知模块包括给水底座、转向电机、转向减速器、转向连接头、微型摄像头及微型测距仪，该转向电机连接转向减速器、且固定在给水底座上，所述转向减速器的输出端装有转向连接头，该转向连接头上固定有末端软管，所述微型摄像头和微型测距仪安装在给水底座的顶端。

本发明的优点与积极效果为：

1.本发明是安装在废墟救援机器人上的救援装置，位姿调整机构上固定给水机构，使得给水机构的给水角度范围较广，能够达到多角度顺利给水的目标。

2.本发明位姿调整机构中的伸缩关节和耦合关节，在采用少电机驱动的情况下，关节机构精简，能达到预定位置和角度，满足末端载荷的使用要求。

3.本发明给水机构包括了储水模块和末端控制及感知模块，储水模块不仅储存纯净水且控制纯净水的输送量，从而控制给水的多少；末端控制及感知模块除控制末端软管的给进角度外，其上的微型摄像头和微型测距仪为救援人员提供了废墟内部被困人员的具体信息和周围环境的详尽数据，为进一步救援提供了依据。

4.本发明给水装置轻量化、模块化、废墟狭小空间适应性强，易于安装、操控精度高。

附图说明

图1为本发明的立体结构示意图；

图2为本发明中伸缩关节的结构示意图；

图3为本发明中耦合关节的结构示意图；

图4为本发明中给水机构的结构示意图；

其中：1为位姿调整机构，2为给水机构，3为伸缩关节，4为耦合关节，5为储水模块，6为末端控制及感知模块，7为伸缩驱动电机，8为联轴器，9为伸缩丝杠，10为伸缩滑块，11为滑块连杆，12为支撑杆，13为支撑连接，14为固定底座，15为伸缩外架，16为伸缩丝杠固定座，17为支撑套筒，18为耦合驱动电机，19为输出齿轮，20为惰性齿轮，21为传动齿轮，22为输入锥齿轮，23为输出锥齿轮，24为锥齿轮轴，25为十字轴，26为耦合底座，27为输出连接件，28为储水罐，29为输水管，30为输水阀，31为水阀减速器，32为水阀电机，33为末端软管，34为给水底座，35为转向电机，36为转向减速器，37为转向连接头，38为微型摄像头，39为微型测距仪。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详述。

如图1～4所示，本发明包括位姿调整机构1及给水机构2，其中位姿调整机构1包括伸缩关节3和耦合关节4，给水机构2包括储水模块5和末端控制及感知模块6，伸缩关节3的一端安装于机器人上，另一端为伸缩端，耦合关节4的一端与伸缩关节3的伸缩端相连、由伸缩关节3驱动伸缩，耦合关节4的另一端具有俯仰自由度或偏转自由度；储水模块5和末端控制及感知模块6安装在耦合关节4的另一端，通过伸缩关节3及耦合关节4的驱动到达设定位置及角度，保证了给水机构2能够顺利给水的目标。

本实施例的伸缩关节3包括伸缩驱动电机7、联轴器8、伸缩丝杠9、伸缩丝母、伸缩滑块10、滑块连杆11、伸缩组件、固定底座14、伸缩外架15、伸缩丝杠固定座16及多层支撑套筒17，该固定底座14一端安装在机器人上，另一端连接有伸缩外架15，伸缩外架15上固定有伸缩丝杠固定座16，该伸缩丝杠固定座16转动安装有伸缩丝杠9，伸缩丝杠9与固定在固定底座14上的伸缩驱动电机7的输出轴通过联轴器8连接，该伸缩丝杠9上螺纹连接有伸缩丝母，伸缩滑块10与伸缩丝母固接，滑块连杆11的一端与伸缩滑块10铰接，另一端通过伸缩组件与多层支撑套筒17中的最内层连接，多层支撑套筒17的最外层固接于伸缩外架15的外部。本实施例的伸缩组件包括支撑杆12及支撑连接13，该支撑杆12为多根呈十字交叉状，支撑连接13安装于多层支撑套筒17的最内层，多根呈十字交叉状的支撑杆12的两侧分别与滑块连杆11及支撑连接13铰接。

本实施例的耦合关节4包括耦合驱动电机18、传动齿轮组、输出锥齿轮23、十字轴25、耦合底座26及输出连接件27，该耦合底座26安装于伸缩关节3的输出端(即最内层的支撑套筒17上)，耦合驱动电机18为两个，对称安装于耦合底座26上，耦合底座26的两侧各设有一组传动齿轮组；十字轴25上安装两个输出锥齿轮23，该十字轴25的两端分别与输出连接件27转动连接，每侧传动齿轮组的输入端均由一个耦合驱动电机18驱动，输出端分别与两个输出锥齿轮23有齿的一端啮合，输出锥齿轮23的另一端安装于输出连接件27上。本实施例的传动齿轮组包括输出齿轮19、惰性齿轮20、传动齿轮21及输入锥齿轮22，该输出齿轮19连接于耦合驱动电机18的输出端，两侧的两个传动齿轮21安装在一根锥齿轮轴24上、与锥齿轮轴24连动，该锥齿轮轴24转动安装于耦合底座26上，惰性齿轮20的齿轮轴转动安装于耦合底座26上，该惰性齿轮20位于输出齿轮19及传动齿轮21之间，并分别与输出齿轮19及传动齿轮21啮合；锥齿轮轴24上安装有两个输入锥齿轮22，输入锥齿轮22与锥齿轮轴24连动，每个输入锥齿轮22分别与十字轴25上的两个输出锥齿轮23啮合。本实施例的两个输出锥齿轮23上下设置，两个输入锥齿轮22位于两个输出锥齿轮23之间。本实施例的输出连接件27为U形，十字轴25中的一根轴的两端分别与输出连接件27U形开口端的两侧转动连接，另一根轴为中空管状，锥齿轮轴24由该中空管穿过；储水模块5和末端控制及感知模块6安装于U形的底部。

本实施例的储水模块5包括储水罐28、输水管29、输水阀30、水阀减速器31、水阀电机32、末端软管33及给水底座34，该储水罐28固定在机器人上，通过输水管29与输水阀30的一端相连，输水阀30的另一端连接末端软管33；输水阀30上装有水阀减速器31和水阀电机32，该输水阀30和水阀电机32均安装于给水底座34上，给水底座34固接在耦合关节4的另一端(即输出连接件27上)。

本实施例的末端控制及感知模块6包括给水底座34、转向电机35、转向减速器36、转向连接头37、微型摄像头38及微型测距仪39，该转向电机35连接转向减速器36、且固定在给水底座34上，转向减速器36的输出端装有转向连接头37，该转向连接头37上固定有末端软管33，微型摄像头38和微型测距仪39安装在给水底座34的顶端。本实施例的微型摄像头38和微型测距仪39均为现有技术，在此不再赘述。

给水机构2在位姿调整机构1的作用下达到设定区域内任意位置和角度，保证了给水机构2能够顺利给水的目标。

本发明的工作原理为：

位姿调整机构1中的伸缩关节3通过伸缩驱动电机7为伸缩丝杠9提供动力，通过伸缩丝杠9与伸缩丝母之间形成的螺旋副，从而带动伸缩滑块10沿伸缩丝杠9的轴向做直线运动，连接在伸缩滑块10上的滑块连杆11随之运动，从而推动支撑杆12撑开或收回；末端的支撑连接13带动各层支撑套筒17做直线运动，从而改变伸缩关节3的长度，达到长距离伸缩的目的。

位姿调整机构1中的耦合关节4随支撑套筒17伸缩，通过两个耦合驱动电机18分别带动两个输出齿轮19旋转，与之啮合的两个惰性齿轮20将力矩传递给传动齿轮21，从而带动输入锥齿轮22旋转，与输入锥齿轮22垂直啮合安装的输出锥齿轮23在输入锥齿轮22的作用下旋转；当两个输入锥齿轮22同向旋转时，带动输出锥齿轮23沿锥齿轮轴24轴线旋转；当两个输入锥齿轮22逆向旋转时，带动输出锥齿轮23沿十字轴25中与输出连接件27转动连接的那根轴的轴线旋转，以使得与之连接的输出连接件27能达到设定空间内任意位置和角度。

给水机构2中的储水模块5通过储水罐28提供纯净水，由输水管29与输水阀30相连，通过控制水阀电机32和水阀减速器31从而控制输水阀30打开或闭合，或控制输水阀30的输水流量，以实现末端软管33末端精确输水的目标。

给水机构2中的末端控制及感知模块6通过转向电机35为转向减速器36提供动力，从而带动转向连接头37旋转，其上安装的末端软管33随之改变给进方向，达到控制末端软管33的目的；安装在给水底座34顶部的微型摄像头38和微型测距仪39为救援人员提供了废墟内部被困人员的具体信息和周围环境的详尽数据(包括微型摄像头38采集的视频图像及微型测距仪39采集的被困人员的距离)，为进一步救援提供了依据。

Claims (8)

1.一种机器人给水装置，其特征在于：包括位姿调整机构(1)及给水机构(2)，其中位姿调整机构(1)包括伸缩关节(3)和耦合关节(4)，所述给水机构(2)包括储水模块(5)和末端控制及感知模块(6)，所述伸缩关节(3)的一端安装于机器人上，另一端为伸缩端，所述耦合关节(4)的一端与伸缩关节(3)的伸缩端相连、由伸缩关节(3)驱动伸缩，所述耦合关节(4)的另一端具有俯仰自由度或偏转自由度；所述储水模块(5)和末端控制及感知模块(6)安装在耦合关节(4)的另一端，通过所述伸缩关节(3)及耦合关节(4)的驱动到达设定位置及角度；

所述耦合关节(4)包括耦合驱动电机(18)、传动齿轮组、输出锥齿轮(23)、十字轴(25)、耦合底座(26)及输出连接件(27)，该耦合底座(26)安装于所述伸缩关节(3)的输出端，所述耦合驱动电机(18)为两个，对称安装于所述耦合底座(26)上，所述耦合底座(26)的两侧各设有一组传动齿轮组；所述十字轴(25)上安装两个输出锥齿轮(23)，该十字轴(25)的两端分别与输出连接件(27)转动连接，每侧所述传动齿轮组的输入端均由一个耦合驱动电机(18)驱动，输出端分别与两个所述输出锥齿轮(23)有齿的一端啮合，所述输出锥齿轮(23)的另一端安装于输出连接件(27)上。

2.根据权利要求1所述的机器人给水装置，其特征在于：所述伸缩关节(3)包括伸缩驱动电机(7)、伸缩丝杠(9)、伸缩丝母、伸缩滑块(10)、滑块连杆(11)、伸缩组件、固定底座(14)、伸缩外架(15)、伸缩丝杠固定座(16)及多层支撑套筒(17)，该固定底座(14)一端安装在机器人上，另一端连接有伸缩外架(15)，所述伸缩外架(15)上固定有伸缩丝杠固定座(16)，该伸缩丝杠固定座(16)转动安装有伸缩丝杠(9)，所述伸缩丝杠(9)与固定在固定底座(14)上的伸缩驱动电机(7)的输出轴连接，该伸缩丝杠(9)上螺纹连接有伸缩丝母，所述伸缩滑块(10)与伸缩丝母固接，所述滑块连杆(11)的一端与伸缩滑块(10)铰接，另一端通过伸缩组件与多层支撑套筒(17)中的最内层连接，所述多层支撑套筒(17)的最外层固接于所述伸缩外架(15)的外部。

3.根据权利要求2所述的机器人给水装置，其特征在于：所述伸缩组件包括支撑杆(12)及支撑连接(13)，该支撑杆(12)为多根呈十字交叉状，所述支撑连接(13)安装于多层支撑套筒(17)的最内层，所述多根呈十字交叉状的支撑杆(12)的两侧分别与滑块连杆(11)及支撑连接(13)铰接。

4.根据权利要求1所述的机器人给水装置，其特征在于：所述传动齿轮组包括输出齿轮(19)、惰性齿轮(20)、传动齿轮(21)及输入锥齿轮(22)，该输出齿轮(19)连接于所述耦合驱动电机(18)的输出端，两侧的两个所述传动齿轮(21)安装在一根锥齿轮轴(24)上、与锥齿轮轴(24)连动，该锥齿轮轴(24)转动安装于所述耦合底座(26)上，所述惰性齿轮(20)的齿轮轴转动安装于耦合底座(26)上，该惰性齿轮(20)位于所述输出齿轮(19)及传动齿轮(21)之间，并分别与所述输出齿轮(19)及传动齿轮(21)啮合；所述锥齿轮轴(24)上安装有两个输入锥齿轮(22)，该输入锥齿轮(22)与锥齿轮轴(24)连动，每个所述输入锥齿轮(22)分别与所述十字轴(25)上的两个输出锥齿轮(23)啮合。

5.根据权利要求4所述的机器人给水装置，其特征在于：所述十字轴(25)中的一根轴的两端分别与输出连接件(27)转动连接，另一根轴为中空管状，所述锥齿轮轴(24)由该中空管穿过。

6.根据权利要求5所述的机器人给水装置，其特征在于：所述输出连接件(27)为U形，所述十字轴(25)中的一根轴的两端分别与所述U形的开口端的两侧转动连接，所述储水模块(5)和末端控制及感知模块(6)安装于U形的底部。

7.根据权利要求1所述的机器人给水装置，其特征在于：所述储水模块(5)包括储水罐(28)、输水管(29)、输水阀(30)、水阀减速器(31)、水阀电机(32)、末端软管(33)及给水底座(34)，该储水罐(28)固定在机器人上，通过输水管(29)与输水阀(30)的一端相连，所述输水阀(30)的另一端连接末端软管(33)；所述输水阀(30)上装有水阀减速器(31)和水阀电机(32)，该输水阀(30)和水阀电机(32)均安装于给水底座(34)上，所述给水底座(34)固接在耦合关节(4)的另一端。

8.根据权利要求1所述的机器人给水装置，其特征在于：所述末端控制及感知模块(6)包括给水底座(34)、转向电机(35)、转向减速器(36)、转向连接头(37)、微型摄像头(38)及微型测距仪(39)，该转向电机(35)连接转向减速器(36)、且固定在给水底座(34)上，所述转向减速器(36)的输出端装有转向连接头(37)，该转向连接头(37)上固定有末端软管(33)，所述微型摄像头(38)和微型测距仪(39)安装在给水底座(34)的顶端。