CN203094223U - 一种爬楼梯搜救机器人 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种爬楼梯搜救机器人，它包括运动机构和控制机构；运动机构由四个行星轮组构成，四个行星轮组两两一组对称设置在车体底部两侧；每个行星轮组均包括一个中心轮、两个传动轮、六个传动齿轮、两个直流伺服电机、一个轮架和三个轮子；中心轮通过转轴连接在轮架的中心位置处，该转轴的输出端通过第一个传动轮同轴连接第一个直流伺服电机，第一个传动轮与第二个传动轮啮合后同轴连接第二个直流伺服电机；两个直流伺服电机均由控制机构控制其工作；在轮架的三个支架上，与中心轮同侧，每个支架上都设置有一对相互啮合的传动齿轮，且靠近轮架中心处的传动齿轮与中心轮啮合，远离轮架中心处的传动齿轮与轮子同轴连接。本实用新型可以广泛在各种待救援或特殊环境中应用。

Description

一种爬楼梯搜救机器人

技术领域

本实用新型涉及一种搜救机器人，特别是关于一种在地震、火灾等重大灾难以及特殊环境中使用的爬楼梯搜救机器人。 

背景技术

随着我国城市高层建筑迅速增多，近年来，我国高层建筑火灾逐渐呈上升趋势。以上海为例，2004年高层建筑发生火灾239起，与2003年同期相比上升了50.3%，直接财产损失上升45.9%，这些对防灾装备和救援能力带来新挑战。我国消防应急救援装备能力与高层建筑的快速发展严重失衡。消防应急救援装备的高度限制、机动性差，受周边环境影响严重，已经成为影响高楼有效灭火和救援的致命缺陷。目前的装备品种单一，作业能力远远落后于高层建筑的高度发展。用于消防灭火的装备主要是消防水罐车，其喷水远射最大能力目前仅为8层楼高，用于登高救援的装备主要是消防云梯车，其举高救援最大能力目前约50米，相当于高层建筑的十五层，对于应对更高的高层建筑火灾来说，这些消防应急救援装备远远不够。而机器人作为一种自动化的机器，所具备一些与人或生物相似的智能能力，如动作能力、感知能力、协同能力和规划能力等，是一种具有高度灵活性的自动化机器。对适应所执行不同任务和特殊环境的能力，也是机器人与一般自动化装备的重要区别。越障机器人的研究，对扩展机器人的作业空间，在人不能到达或不便到达的环境中进行作业，具有重要的意义。尤其是在重大灾难，如地震、火灾中的作用不可小觑。 

目前已有的爬梯机器人有履带式结构机器人、轮组式爬楼梯装置和步行式爬楼梯装置，但是都存在着一些问题。履带式结构传动效率比较高，行走时重心波动很小，运动非常平稳，且使用地形范围较广，在一些不规则的楼梯上也能使用。它除了具备爬楼梯功能外，也能作为普通的电动轮椅使用。但是这类装置仍存在很多不足之处：重量大、运动不够灵活、爬楼时在楼梯边缘造成巨大的压力，对楼梯有一定的损坏；且平地使用所受阻力较大，而且转弯不方便，这些问题限制了其在日常生活中的推广使用。轮组式爬楼梯装置的活动范围广，运动灵活，但是上下楼梯时平稳性不高，重心起伏较大，会使乘坐者感到不适。此外，轮组式爬楼梯装置体积较大，很难在普通住宅楼梯上使用。步行式爬楼梯装置爬楼时运动平稳，适合不同尺寸的楼梯；但它对控制的要求很高，操作比较复杂，在平地行走时运动幅度不大，动作缓慢。 

综上所述，国外在爬楼梯装置方面的研究已经有一百多年的历史，成果也较多，但是它们大多结构复杂、造价昂贵，远远超出了发展中国家人民的经济承受能力。国内的研究相对较晚，虽然也诞生了很多专利，但由于受到体积、重量、稳定性及安全性的限制，还没有产品真正投入使用。由此可见，为了解决移动机器人使用受限的问题，同时考虑到我国使用者的经济承受能力，需要研究一种价格低廉、功能多样的爬楼梯装置。 

发明内容

针对上述问题，本实用新型的目的是提供一种适用范围较广、结构简单，成本较低的爬楼梯搜救机器人。 

为实现上述目的，本实用新型采取以下技术方案：一种爬楼梯搜救机器人，其特征在于：它包括运动机构和控制所述运动机构的控制机构；所述运动机构由四个行星轮组构成，所述四个行星轮组两两一组对称设置在车体底部两侧；每个所述行星轮组均包括一个中心轮、两个传动轮、六个传动齿轮、两个直流伺服电机、一个轮架和三个轮子；所述中心轮通过转轴连接在所述轮架的中心位置处，该转轴的输出端通过第一个所述传动轮同轴连接第一个所述直流伺服电机，第一个所述传动轮与第二个所述传动轮啮合后同轴连接第二个所述直流伺服电机；两个所述直流伺服电机均由所述控制机构控制其工作；在所述轮架的三个支架上，与所述中心轮同侧，每个支架上都设置有一对相互啮合的所述传动齿轮，且靠近所述轮架中心处的所述传动齿轮与所述中心轮啮合，远离所述轮架中心处的所述传动齿轮与所述轮子同轴连接。 

所述控制机构包括主控制器、传感器扩展模块、烟雾传感器、数字温度传感器、超声波测距传感器、无线CCD视频模块、无线数据传输模块和两个双路直流电机驱动模块；所述主控制器通过所述传感器扩展模块连接所述烟雾传感器、数字温度传感器和超声波测距传感器，与三个传感器进行信息交互，所述烟雾传感器、数字温度传感器实时传输回现场温度、有害气体浓度数据，所述超声波测距传感器侦测与台阶距离；所述无线CCD视频模块将采集到的现场图像信息传输至所述主控制器，所述主控制器通过所述无线数据传输模块将采集到的现场数据传输至外部控制设备；同时所述主控制器根据接收到的数据通过所述两个双路直流电机驱动模块控制各所述直流伺服电机工作。 

两个所述双路直流电机驱动模块均采用LGS公司的大功率双路直流电机驱动芯片L298N。 

所述数字温度传感器采用美国DALLAS公司生产的型号为DS18B20的数字温度 传感器。 

所述烟雾传感器采用型号为DFR0049的模拟气体传感器。 

本实用新型由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本实用新型由于采用四个行星轮组构成，每个行星轮组由三个结构相同的轮子均布在轮架上，使得参与啮合的齿数增多，达到运动平稳、抵抗冲击和振动的能力较强的目的，也使得搜救工作稳定可靠，适用范围较广。2、本实用新型由于采用由控制机构控制运动机构工作，控制机构由主控制器、传感器扩展模块、烟雾传感器、数字温度传感器、超声波测距传感器、无线CCD视频模块、无线数据传输模块和双路直流电机驱动模块构成，由各传感器采集救援现场各种数据信息，进而通过主控制器控制双路直流电机驱动模块工作，实现直流伺服电机正反转等功能，并通过无线数据传输模块实现远程无线控制，其结构简单、成本较低。3、本实用新型由于采用行星齿轮传动，其与普通齿轮传动相比较，具有输入轴与输出轴具有同轴性、体积小、质量小，结构紧凑，承载能力大、传动效率高、传动比较大、运动平稳、抗冲击和振动的能力较强等优点。4、本实用新型由于采用在轮架的均布三对传动齿轮，这样可以借由中心太阳轮公转与自转的切换改变每个行星轮组行进时的力矩：平地行走时，中心太阳轮转动，通过传动齿轮传动使得每个行星轮组接触地面的两个轮子旋转并与地面摩擦以提供前进动力，此时的行进力矩只有轮子的半径大小；上楼梯时，中心太阳轮锁死，通过轮架的转动带动整个行星轮组完成公转完成上楼动作，此时的行进力矩扩大到行星轮架的半径大小。增大的力矩是使得搜救机器人能够完成上下楼梯动作的根本保障。本实用新型可以广泛在各种待救援或特殊环境中应用。 

附图说明

图1是本实用新型的整体结构示意图； 

图2是本实用新型的运动机构结构示意图； 

图3是本实用新型的行星轮组结构示意图； 

图4是本实用新型的一个行星轮组与直流伺服电机连接示意图； 

图5（a）是本实用新型的行星轮组在前进、爬楼时的前进运行示意图， 

图5（b）是本实用新型的行星轮组在前进、爬楼时的爬楼时运行示意图。 

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型进行详细的描述。 

如图1所示，本实用新型包括运动机构10和控制运动机构10的控制机构20。 

如图2～图4所示，运动机构10由四个行星轮组11构成，四个行星轮组11 两两一组对称设置在车体底部两侧。每个行星轮组11均包括一个中心轮12、两个传动轮13、六个传动齿轮14、两个直流伺服电机M1和M2、一个轮架15和三个轮子16。中心轮12通过转轴连接在轮架15的中心位置处，该转轴的输出端通过第一个传动轮13同轴连接一个直流伺服电机M1，第一个传动轮13与第二个传动轮13啮合后同轴连接另一个直流伺服电机M2；两个直流伺服电机M1和M2均由控制机构20控制其工作。在轮架15的三个支架上，与中心轮12同侧，每个支架上都设置有一对相互啮合的传动齿轮14，且靠近轮架15中心处的传动齿轮14与中心轮12啮合，远离轮架15中心处的传动齿轮14与轮子16同轴连接。 

如图1所示，控制机构20包括主控制器21、传感器扩展模块22、烟雾传感器23、数字温度传感器24、超声波测距传感器25、无线CCD视频模块26、无线数据传输模块27和两个双路直流电机驱动模块L1、L2。主控制器21通过传感器扩展模块22连接烟雾传感器23、数字温度传感器24和超声波测距传感器25，与三个传感器进行信息交互，通过烟雾传感器23、数字温度传感器24实时传输回现场温度、有害气体（烟雾、甲烷）浓度等数据，作为救援人员进入灾难现场的参考数据；同时，通过超声波测距传感器25实现侦测与台阶距离，实现平地模式与上楼模式的自动切换。无线CCD视频模块26通过无线将采集到的现场图像信息传输至主控制器21，主控制器21通过无线数据传输模块27将采集到的现场图像信息及现场温度、有害气体浓度等数据传输至外部控制设备，实现无线控制。主控制器21根据接收到的数据通过两个双路直流电机驱动模块L1、L2控制直流伺服电机M1或M2工作。每个双路直流电机驱动模块L1或L2都直接驱动两个直流伺服电机M1、M2，通过主控制器21实现直流伺服电机M1或M2正反转等功能，构成实际救援任务时所需要的上下楼梯运动、平地运动、前进、后退、左转、右转、原地左转、原地右转和停止等各种动作。 

上述实施例中，两个双路直流电机驱动模块L1、L2均采用LGS公司的大功率双路直流电机驱动芯片L298N，其驱动电流达2A，电机输出端采用高速肖特基二极管作为保护。 

上述各实施例中，数字温度传感器24采用型号为DS18B20的数字温度传感器，该DS18B20是美国DALLAS公司生产的一总线数字温度传感器，其测温范围为－55℃～＋125℃，固有测温分辨率为0.5℃，支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现多点测温，测量结果以9～12位数字量方式串行传送。 

上述各实施例中，烟雾传感器23采用型号为DFR0049的模拟气体传感器，可 以很灵敏的检测到空气中的烟雾以及甲烷气体，方便实现灾难现场有毒气体的实时监测反馈，以及超过一定阈值的报警功能。 

上述各实施例中，超声波测距传感器25采用型号为SEN0001超声波测距传感器，其采用工业级高性能AVR单片机作处理器，具有温度校正和软件补偿，板载232接口可直接与PC串口相连，自带一路舵机控制端，提供PC机串口上位机配置软件，控制便捷，同时具有RS232和TTL串口、PWM输出、开关量输出，可与任何一款单片机连接使用。 

综上所述，本实用新型在使用时，如图4所示，直流伺服电机M1正转时，驱动行星轮组11的中心轮12正转，通过传动齿轮14驱动轮子16正转；直流伺服电机M2反转时，通过传动轮13传动驱动整个行星轮组11所在的轮架15正转，实现增大行进力矩的目的。而且本实用新型在每个轮架15上均布三对传动齿轮14，这样可以借由中心轮12公转与自转的切换改变每个行星轮组11行进时的力矩：平地行走时，中心轮12转动，通过传动齿轮14传动使得每个行星轮组11接触地面的两个轮子16旋转并与地面摩擦以提供前进动力，此时的行进力矩只有轮子16的半径大小（如图5（a）所示）；上楼梯时，中心轮12锁死，通过轮架15的转动带动整个行星轮组11完成公转完成上楼动作，此时的行进力矩扩大到轮架15的半径大小（如图5（b）所示）。增大的力矩是使得搜救机器人能够完成上下楼梯动作的根本保障。 

上述各实施例仅用于说明本实用新型，各部件的连接和结构都是可以有所变化的，在本实用新型技术方案的基础上，凡根据本实用新型原理对个别部件的连接和结构进行的改进和等同变换，均不应排除在本实用新型的保护范围之外。 

Claims (5)

1.一种爬楼梯搜救机器人，其特征在于：它包括运动机构和控制所述运动机构的控制机构；

所述运动机构由四个行星轮组构成，所述四个行星轮组两两一组对称设置在车体底部两侧；每个所述行星轮组均包括一个中心轮、两个传动轮、六个传动齿轮、两个直流伺服电机、一个轮架和三个轮子；所述中心轮通过转轴连接在所述轮架的中心位置处，该转轴的输出端通过第一个所述传动轮同轴连接第一个所述直流伺服电机，第一个所述传动轮与第二个所述传动轮啮合后同轴连接第二个所述直流伺服电机；两个所述直流伺服电机均由所述控制机构控制其工作；在所述轮架的三个支架上，与所述中心轮同侧，每个支架上都设置有一对相互啮合的所述传动齿轮，且靠近所述轮架中心处的所述传动齿轮与所述中心轮啮合，远离所述轮架中心处的所述传动齿轮与所述轮子同轴连接。

2.如权利要求1所述的一种爬楼梯搜救机器人，其特征在于：所述控制机构包括主控制器、传感器扩展模块、烟雾传感器、数字温度传感器、超声波测距传感器、无线CCD视频模块、无线数据传输模块和两个双路直流电机驱动模块；所述主控制器通过所述传感器扩展模块连接所述烟雾传感器、数字温度传感器和超声波测距传感器，与三个传感器进行信息交互，所述烟雾传感器、数字温度传感器实时传输回现场温度、有害气体浓度数据，所述超声波测距传感器侦测与台阶距离；所述无线CCD视频模块将采集到的现场图像信息传输至所述主控制器，所述主控制器通过所述无线数据传输模块将采集到的现场数据传输至外部控制设备；同时所述主控制器根据接收到的数据通过所述两个双路直流电机驱动模块控制各所述直流伺服电机工作。

3.如权利要求2所述的一种爬楼梯搜救机器人，其特征在于：两个所述双路直流电机驱动模块均采用LGS公司的大功率双路直流电机驱动芯片L298N。

4.如权利要求2所述的一种爬楼梯搜救机器人，其特征在于：所述数字温度传感器采用美国DALLAS公司生产的型号为DS18B20的数字温度传感器。

5.如权利要求2所述的一种爬楼梯搜救机器人，其特征在于：所述烟雾传感器采用型号为DFR0049的模拟气体传感器。

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