CN114290317B - 一种可爬升调姿的井下救援机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可爬升调姿的井下救援机器人，包括第一爬升平台，并联机构，第二爬升平台，抓手机构；第一和第二爬升平台具有完全相同的结构，包括齿条，被动齿轮，主动齿轮，被动齿轮传动轴，主动齿轮传动轴，齿条支撑件，爬升平台基座；并联机构包括并联机构上平台，杆件，虎克铰，并联机构下平台；抓手包括抓手基座，抓手动力平台，抓手连杆，抓手手指，抓手手指内壁固定有气囊。与现有技术相比，本发明具有结构紧凑，运动灵活，功能多样的特点，可以更好地实现救援任务，不会对儿童造成二次伤害等优点。

Description

一种可爬升调姿的井下救援机器人

技术领域

本发明涉及井下救援机器人，尤其是涉及一种可爬升调姿的井下救援机器人。

背景技术

在一些荒野或者农田旁存在着废弃的或没有警示牌的小口径水井，这些水井的井口直径只有30cm-40cm，水井深度达到10-20m。由于长时间没有人使用和维护，这些水井通常没有井盖，在水井的旁边长满了杂草。当一些孩童在野外踏青嬉戏时，如果没有注意到这些水井的存在，很容易就会跌落到这些水井中，每年都有很多关于孩童跌落到水井中的新闻被报道。成年男性肩宽为37.5cm左右,成年女性肩宽35.1cm左右，显而易见，一个身着消防服并而装备好安全装置的消防员是无法进入井下对被困人员实施救援任务的，而由于孩童年纪较小，他们也不懂得在消防员的指引下实施自救。目前对于这些跌落到水井的孩童的救援措施十分匮乏，唯一可行的办法就是将水井周围的土层挖开，直到可以将被困人员救出为止，显然，这样做会耗费大量的救援时间，很多时候也是导致救援不成功的原因之一，但这也是唯一可以选择的救援办法。

发明内容

本发明的目的就是为了提供一种可爬升调姿的井下救援机器人，并联机构包括上平台、下平台、第一移动副和多个第二移动副，第一移动副的一端固连于上平台的中央，另一端与通过虎克铰连接于下平台的中央，第二移动副的一端与上平台通过虎克铰连接，另一端与下平台通过虎克铰连接，且各第二移动副分布于第一移动副的四周，结合爬升平台的齿条齿轮结构，可以实现爬升的同时，快捷地进行姿态调整，提升井下救援的适用范围。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种可爬升调姿的井下救援机器人，包括从上至下依次设置的第一爬升平台、并联机构，第二爬升平台和抓手机构；

所述并联机构包括上平台、下平台、第一移动副和多个第二移动副，所述第一移动副的一端固连于上平台的中央，另一端与通过虎克铰连接于下平台的中央，所述第二移动副的一端与上平台通过虎克铰连接，另一端与虎克铰连接，虎克铰通过转动副和下平台连接，且各第二移动副分布于第一移动副的四周；

所述第一爬升平台和第二爬升平台的结构相同，包括爬升平台基座、主动齿轮传动轴、主动齿轮和多个分布于主动齿轮四周的从动单元，所述从动单元包括齿条、从动轮模块和被动齿轮传动轴，所述齿条的一端设有接触板，所述从动轮模块分别与主动齿轮和齿条啮合，所述主动齿轮通过主动齿轮传动轴连接于爬升平台基座的中央，所述从动轮模块通过被动齿轮传动轴安装于爬升平台基座上，所述齿条的轴向与爬升平台基座所在平面平行，且第一爬升平台的爬升平台基座连接所述上平台，所述第二爬升平台的爬升平台基座分别连接所述下平台和抓手机构。

所述从动轮模块包括同轴同步转动的第一被动齿轮和第二被动齿轮，所述第一被动齿轮与所述主动齿轮啮合，所述第二被动齿轮与所述齿条啮合。

所述从动单元还包括齿条支撑件，所述齿条支撑件包括固定板、抬高板和两根限位条，所述固定板与所述爬升平台基座贴合连接，所述抬高板与爬升平台基座垂直，两根限位条间隔设于抬高板上形成用于所述齿条滑动的滑道，且所述滑道的高度大于或等于第二被动齿轮的厚度。

所述从动轮模块为一从动齿轮。

所述接触板末端上设有用于增大摩擦系数的防滑条纹。

所述第二移动副包括第一杆件和第二杆件，所述第一移动副包括第三杆件和第四杆件。

所述第一爬升平台和第二爬升平台的齿条均位于爬升平台基座背向并联机构的一侧。

所述抓手机构包括抓手基座、抓手动力平台和多根抓手手指，所述抓手手指的一端通过转动副连接抓手基座，另一端设有抓取部，中部通过一抓手连杆连接所述抓手动力平台，所述抓手动力平台与所述抓手基座连接并形成移动副。

所述抓手动力平台上设有深度相机和照明光源。

所述抓取部的内侧设有气囊。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、并联机构包括上平台、下平台、第一移动副和多个第二移动副，第一移动副的一端固连于上平台的中央，另一端与通过虎克铰连接于下平台的中央，第二移动副的一端与上平台通过虎克铰连接，另一端与虎克铰连接，虎克铰通过转动副和下平台连接，且各第二移动副分布于第一移动副的四周，结合爬升平台的齿条齿轮结构，可以实现爬升的同时，快捷地进行姿态调整，提升井下救援的适用范围。

2、采用两个被动齿轮的结构，结合滑道的限位设计，可以在提高齿条运动的平稳性的同时，由于第二被动齿轮的厚度不超过滑道的厚度，从而，可以将第二被动齿轮和齿条的啮合部设置于滑道中，从而缩小直径，扩展适用范围。

3、抓手机构只需要单一控制抓手动力平台与抓手基座之间形成移动副即可完成抓手的动作控制，控制简单，维修调试方便快捷。

4、抓手动力平台上设有深度相机和照明光源，可以进行照明和图像采集，提高救援成功率。

5、抓取部的内侧设有气囊，避免了对被救援人员造成二次伤害。

附图说明

图1为本发明实施例中的井下救援机器人的结构示意图；

图2为本发明实施例中的爬升平台的结构示意图；

图3为本发明实施例中的并联机构平台的结构示意图；

图4为本发明实施例中的救援抓手的结构示意图；

图5为本发明实施例中的爬升平台的示意图；

图6为本发明实施例中的并联机构平台的示意图；

图7为本发明实施例中的救援抓手的展开时工作模式示意图；

图8为本发明实施例中的救援抓手的抓取时工作模式示意图；

图9为本发明实施例中的井下救援机器人调姿时示意图；

图10为本发明实施例中其中一个齿条支撑件的结构示意图；

其中：1、第一爬升平台，2、并联机构，3、第二爬升平台，4、抓手机构，1-1-1、齿条，1-1-2、齿条，1-1-3、齿条，1-2-1、第一被动齿轮，1-2-2、第二被动齿轮，1-3-1、第一被动齿轮，1-3-2、第二被动齿轮，1-4-1、第一被动齿轮，1-4-2、第二被动齿轮，1-5、主动齿轮，1-6-1、被动齿轮传动轴，1-6-2、被动齿轮传动轴，1-6-3、被动齿轮传动轴，1-7、主动齿轮传动轴，1-8-1、齿条支撑件，1-8-2、齿条支撑件，1-8-3，齿条支撑件，1-9、爬升平台基座，2-1、上平台，2-2-1、第一杆件，2-2-2、第一杆件，2-2-3、第一杆件，2-3-1、第二杆件，2-3-2、第二杆件，2-3-3、第二杆件，2-3-4、第四杆件，2-4-1、虎克铰，2-4-2、虎克铰，2-4-3、虎克铰，2-5、下平台，4-1、抓手基座，4-2、抓手动力平台，4-3、深度相机，4-4、照明光源，4-5-1、抓手连杆，4-5-2、抓手连杆，4-5-3、抓手连杆，4-6-1、抓手手指，4-6-2、抓手手指，4-6-3、抓手手指，1-1-3-1、接触板，1-8-1-1、滑道。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

一种可爬升调姿的井下救援机器人，如图1所示，包括从上至下依次设置的第一爬升平台1、并联机构2，第二爬升平台3和抓手机构4；

如图3和图6所示，并联机构2包括上平台2-1、下平台2-5、第一移动副和多个第二移动副，第一移动副的一端固连于上平台2-1的中央，另一端与通过虎克铰连接于下平台2-5的中央，第二移动副的一端与上平台2-1通过虎克铰连接，另一端与虎克铰连接，虎克铰和下平台2-5通过转动副连接，且各第二移动副分布于第一移动副的四周，本实施例中，第二移动副共设有三个，且在圆周上均匀分布，第一个第二移动副包括第一杆件2-2-1和第二杆件2-3-1，第二个第二移动副包括第一杆件2-2-2和第二杆件2-3-2，第三个第二移动副包括第一杆件2-2-3和第二杆件2-3-3，而唯一的第一移动副包括第三杆件和第四杆件3-3-4。

具体的，并联机构的零部件之间的连接：第一杆件2-2-1一端和并联机构的上平台2-1通过虎克铰连接，另一端和第二杆件2-3-1构成移动副；第一杆件2-3-1的另一端和虎克铰2-4-1连接；虎克铰2-4-1另一端和下平台2-5通过转动副连接；杆件2-2-2一端和上平台2-1通过虎克铰连接，另一端和第二杆件2-3-2构成移动副；第一杆件2-3-2的另一端和虎克铰2-4-2连接；虎克铰2-4-2另一端和下平台2-5通过转动副连接；杆件2-2-3一端和上平台2-1通过虎克铰连接，另一端和第二杆件2-3-3构成移动副，第二杆件2-3-3的另一端和虎克铰2-4-3连接；虎克铰2-4-3另一端和下平台2-5通过转动副连接；第四杆件2-3-4一端和上平台2-1上的第三杆件通过移动副连接，另一端和下平台2-5通过虎克铰连接；

第一爬升平台1和第二爬升平台3的结构相同，如图2和5所示，以第一爬升平台1为例，包括爬升平台基座1-9、主动齿轮传动轴1-7、主动齿轮1-5和多个分布于主动齿轮1-5四周的从动单元，从动单元包括齿条、从动轮模块和被动齿轮传动轴，齿条的一端设有接触板，从动轮模块分别与主动齿轮1-5和齿条啮合，主动齿轮1-5通过主动齿轮传动轴1-7连接于爬升平台基座1-9的中央，从动轮模块通过被动齿轮传动轴安装于爬升平台基座1-9上，齿条的轴向与爬升平台基座1-9所在平面平行，且第一爬升平台1的爬升平台基座1-9连接上平台2-1，第二爬升平台3的爬升平台基座1-9分别连接下平台2-5和抓手机构4。具体的，第一被动齿轮1-2-1和第二被动齿轮1-2-2通过被动齿轮传动轴1-6-1固接在爬升平台基座1-9上，第一被动齿轮1-2-1和主动齿轮1-5啮合，第二被动齿轮1-2-2和齿条1-1-1啮合；第一被动齿轮1-3-1和第二被动齿轮1-3-2通过被动齿轮传动轴1-6-2固接在爬升平台基座1-9上，第一被动齿轮1-3-1和主动齿轮1-5啮合，第二被动齿轮1-3-2和齿条1-1-2啮合；第一被动齿轮1-4-1和第二被动齿轮1-4-2通过被动齿轮传动轴1-6-3固接在爬升平台基座1-9，第一被动齿轮1-4-1和主动齿轮1-5啮合，第二被动齿轮1-4-2和齿条1-1-3啮合；齿条1-1-1、1-1-2、1-1-3末端固接的接触板作为支撑足可以与井的内壁通过摩擦力的方式固定；动力通过主动齿轮传递到被动齿轮，再传递到齿条；

并联机构2包括上平台2-1、下平台2-5、第一移动副和多个第二移动副，第一移动副的一端固连于上平台2-1的中央，另一端与通过虎克铰连接于下平台2-5的中央，第二移动副的一端与上平台2-1通过虎克铰连接，另一端与虎克铰连接，虎克铰与下平台2-5通过转动副连接。且各第二移动副分布于第一移动副的四周，结合爬升平台的齿条齿轮结构，可以实现爬升的同时，快捷地进行姿态调整，提升井下救援的适用范围。

且本实施例中，由于采用了两个被动齿轮的结构，结合以下设计，从动单元还包括齿条支撑件，齿条支撑件包括固定板、抬高板和两根限位条，固定板与爬升平台基座1-9贴合连接，抬高板与爬升平台基座1-9垂直，如图10所示，齿条支撑件1-8-1的两根限位条间隔设于抬高板上形成用于齿条滑动的滑道1-8-1-1，且滑道1-8-1-1的高度大于或等于第二被动齿轮1-2-2的厚度。可以在提高齿条1-1-1运动的平稳性的同时，由于第二被动齿轮1-2-2的厚度不超过滑道1-8-1-1的厚度，从而，可以将第二被动齿轮1-2-2和齿条1-1-1的啮合部设置于滑道1-8-1-1中，从而缩小尺寸，提高集成度，扩展适用范围。

当然在其他实施例中，也可以采用单一的从动齿轮的方式，即从动轮模块为一从动齿轮，该从动齿轮的厚度大于主动齿轮的厚度，从而从动齿轮的下半部与主动齿轮啮合，上半部与齿条啮合。

本实施例中，接触板末端，即其接触井内壁的一侧上设有用于增大摩擦系数的防滑条纹，从而可以在压力相同时提供更大的摩擦力。

本实施例中，第一爬升平台1和第二爬升平台3的齿条均位于爬升平台基座1-9背向并联机构2的一侧，从而在爬升和向下攀爬时更加平稳。

如图5、图7和图8所示，抓手机构4包括抓手基座4-1、抓手动力平台4-2和多根抓手手指，抓手手指的一端通过转动副连接抓手基座4-1，另一端设有抓取部，中部通过一抓手连杆连接抓手动力平台4-2，抓手动力平台4-2与抓手基座4-1连接并形成移动副。具体的，抓手手指4-6-1一端和抓手基座4-1通过转动副连接，抓手手指4-6-1中部和抓手连杆4-5-1一端通过转动副连接，抓手连杆4-5-1另一端和抓手动力平台4-2通过转动副连接；抓手手指4-6-2一端和抓手基座4-1通过转动副连接，抓手手指4-6-2中部和抓手连杆4-5-2一端通过转动副连接，抓手连杆4-5-2另一端和抓手动力平台4-2通过转动副连接；抓手手指4-6-3一端和抓手基座4-1通过转动副连接，抓手手指4-6-3中部和抓手连杆4-5-3一端通过转动副连接，抓手连杆4-5-3另一端和抓手动力平台4-2通过转动副连接；抓手动力平台4-2和抓手基座4-1通过移动副连接，

本实施例中，抓手动力平台4-2上设有深度相机4-3和照明光源4-4，可以进行照明和图像采集，提高救援成功率。

本实施例中，抓手连杆连接于抓手手指的靠上部分，从而可以用更小的移动行程获取抓手手指更大的运动幅度。

本实施例中，抓取部的内侧设有气囊，避免了对被救援人员造成二次伤害。

第一爬升平台1和并联机构2的上平台2-1通过螺栓固接，并联机构2的下平台2-5和第二爬升平台3通过螺栓固接；第二爬升平台3和抓手机构4通过螺栓固接。在本机器人中，驱动元件为第一爬升平台1和第二爬升平台3上的主动齿轮传动轴1-7与动力源形成的转动副、并联机构2上的第一杆件2-2-1、2-2-2、2-2-3分别和第二杆件2-3-1、2-3-2、2-3-3组成的移动副以及抓手基座4-1和抓手动力平台4-2形成的移动副。爬升时，第一爬升平台1上的主动齿轮传动轴1-7通过齿轮组驱动齿条伸出支撑井壁，第二爬升平台3上的主动齿轮传动轴通过齿轮组驱动齿条收缩，并联机构2上的移动副收缩带动下平台2-5和抓手机构4爬升；向下攀爬时，第二爬升平台3上的主动齿轮传动轴通过齿轮组驱动齿条伸出支撑井壁，第一爬升平台1上的主动齿轮传动轴1-7通过齿轮组驱动齿条收缩，并联机构2上的移动副收缩带动上平台2-1向下攀爬；抓取时，抓手动力平台4-2向上移动可带动抓手手指靠拢，抓手动力平台4-2向下移动可驱动抓手手指分开，以此实现抓取的功能；此外，如图9所示，第一爬升平台1上的主动齿轮传动轴1-7驱动齿条伸出支撑井壁，第二爬升平台3上的主动齿轮传动轴驱动齿条收缩，并联机构2上的移动副收缩并且收缩程度不同时可以带动下平台和抓手爬升旋转，进而调整抓手姿态。

Claims (10)

1.一种可爬升调姿的井下救援机器人，其特征在于，包括从上至下依次设置的第一爬升平台、并联机构，第二爬升平台和抓手机构；

所述并联机构包括上平台、下平台、第一移动副和多个第二移动副，所述第一移动副的一端固连于上平台的中央，另一端与通过虎克铰连接于下平台的中央，所述第二移动副的一端与上平台通过虎克铰连接，另一端与虎克铰连接，虎克铰通过转动副和下平台连接，且各第二移动副分布于第一移动副的四周；

所述第一爬升平台和第二爬升平台的结构相同，包括爬升平台基座、主动齿轮传动轴、主动齿轮和多个分布于主动齿轮四周的从动单元，所述从动单元包括齿条、从动轮模块和被动齿轮传动轴，所述齿条的一端设有接触板，所述从动轮模块分别与主动齿轮和齿条啮合，所述主动齿轮通过主动齿轮传动轴连接于爬升平台基座的中央，所述从动轮模块通过被动齿轮传动轴安装于爬升平台基座上，所述齿条的轴向与爬升平台基座所在平面平行，且第一爬升平台的爬升平台基座连接所述上平台，所述第二爬升平台的爬升平台基座分别连接所述下平台和抓手机构。

2.根据权利要求1所述的一种可爬升调姿的井下救援机器人，其特征在于，所述从动轮模块包括同轴同步转动的第一被动齿轮和第二被动齿轮，所述第一被动齿轮与所述主动齿轮啮合，所述第二被动齿轮与所述齿条啮合。

3.根据权利要求2所述的一种可爬升调姿的井下救援机器人，其特征在于，所述从动单元还包括齿条支撑件，所述齿条支撑件包括固定板、抬高板和两根限位条，所述固定板与所述爬升平台基座贴合连接，所述抬高板与爬升平台基座垂直，两根限位条间隔设于抬高板上形成用于所述齿条滑动的滑道，且所述滑道的高度大于或等于第二被动齿轮的厚度。

4.根据权利要求1所述的一种可爬升调姿的井下救援机器人，其特征在于，所述从动轮模块为一从动齿轮。

5.根据权利要求1所述的一种可爬升调姿的井下救援机器人，其特征在于，所述接触板末端上设有用于增大摩擦系数的防滑条纹。

6.根据权利要求1所述的一种可爬升调姿的井下救援机器人，其特征在于，所述第二移动副包括第一杆件和第二杆件，所述第一移动副包括第三杆件和第四杆件。

7.根据权利要求1所述的一种可爬升调姿的井下救援机器人，其特征在于，所述第一爬升平台和第二爬升平台的齿条均位于爬升平台基座背向并联机构的一侧。

8.根据权利要求1所述的一种可爬升调姿的井下救援机器人，其特征在于，所述抓手机构包括抓手基座、抓手动力平台和多根抓手手指，所述抓手手指的一端通过转动副连接抓手基座，另一端设有抓取部，中部通过一抓手连杆连接所述抓手动力平台，所述抓手动力平台与所述抓手基座连接并形成移动副。

9.根据权利要求8所述的一种可爬升调姿的井下救援机器人，其特征在于，所述抓手动力平台上设有深度相机和照明光源。

10.根据权利要求8所述的一种可爬升调姿的井下救援机器人，其特征在于，所述抓取部的内侧设有气囊。