CN204486105U - 一种化工厂泄露事故洗消机器人 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出一种化工厂泄露事故洗消机器人，包括控制机构、底盘框架、承重轮机构和细水雾系统，承重轮机构设置在底盘框架底部，细水雾系统设置在底盘框架上部，底盘框架和承重轮机构外包覆有履带，所述承重轮机构包括支撑轮，支撑轮与支撑轮轴相连，支撑轮轴与支撑杆相连，支撑杆与减震底座、带座轴承相连，减震底座与减震杆相连，减震杆上设有调节圈，弹簧套设在减震杆上且弹簧底座由调节圈限位，减震杆顶部的挡圈与钢轴相连，带座轴承上也连有一个钢轴，钢轴两端连有钢轴夹。本实用新型能够在危险化学品发生泄漏的时候替代工作人员、到达最接近现场的地方，可以利用细水雾系统进行洗消操作，防止工人进入现场作业导致的二次伤害。

Description

一种化工厂泄露事故洗消机器人

技术领域

   本实用新型涉及一种消防机器人，具体涉及一种用于在危险化学品发生泄漏时代替工作人员进行洗消操作的机器人。

背景技术

近年来，化工厂泄露事故频发，造成了重大的人员伤亡和财产损失。化工生产中的三种主要事故：火灾、毒气泄露和腐蚀都可能会产生人无法靠近的环境，并且可能对环境造成永久的损坏，这时需要工作人员穿着防化服或者其他防化措施靠近现场进行洗消作业以消除环境的危害。

所谓洗消，是指消除染毒体和污染区毒性危害的主要措施，因此危险化学品灾害事故处置中洗消是个非常重要的必不可少的环节。消洗包括物理方法和化学方法，无论是物理方法还是化学方法，都需要工作人员手持相应设备进入危险环境实施洗消作业，这样无疑增加了对人员产生二次伤害的可能性。如果此时有一台机器人能替代洗消过程中人的工作，将大大降低人员产生伤亡的可能性，机器人可以深入最危险的区域、携带更多的洗消剂，其工作效率可以远远大于人工，并且机器人准备时间短，能迅速进入事故现场，尽可能早的投入救援或洗消。

近年来随着材料科学、传感技术、大规模集成电路的发展，机器人技术已经日臻完善，机器人的应用也越来越广泛。由于机器人可适用于对人有害的场合，能突破人类体质的局限等优点，使得其在灾难救援异域拥有人类无可比拟的优势，并且必将拥有广阔的前景。

与此同时，随着国民经济的发展，对各种生活必需品需求量的激增，各类化工厂遍布全国。大部分化工厂都存在高温高压、有毒有害环境以及发生事故的隐患。无数的事故案例表明，我国的化工安全不容乐观。在很多的化工厂，例如氯碱厂、化肥生产厂等，经常会发生有毒有害气体泄漏的情况。针对这种情况，尚无安全的处理方案。例如某化肥生产企业2011年发生氨气阀门泄漏事故，最后是以为工段长穿着防化服冲进泄漏车间堵上阀门，最终导致该工段长呼吸道严重烧伤，永远的失声。

综合以上背景，一款能在危险化学品发生泄漏时代替人到达最接近现场的地方利用细水雾系统进行洗消操作，甚至是用机械手完成简单的如关闭阀门等任务的机器人十分有必要。它势必能冲在最危险的前线，最大程度的减少人员伤亡和财产损失。

国际上较早开展消防机器人研究的是美国和前苏联，稍后英国、日本、法国、德国等国家也纷纷开始研究该类技术。目前已有很多种不同功能的消防机器人用于救灾现场。由于日本灾难频发，因此比较重视消防机器人的研发。例如子母车消防机器人，使用内燃机为动力，用四个橡胶轮驱动，装有大流量喷射水炮，最远喷射距离可达150m，同时该机器人装备的有气体检测仪和电视监视设备。除了日本，美国、法国、前苏联等国家也有消防机器人投入使用。我国的公安部上海消防科学研究所在公安部的支持下也研发了多种自动消防设施和消防机器人。其中包括“自行式消防炮”(六轮消防灭火机器人)，该机器人有独立悬挂的六个轮子，装备有远控消防炮和水、泡沫双供给系统。控制方面，该机器内装有环境与车体内部温度探测系统，远程视频监控系统和有线电力供应及控制系统，可在消防员的操作下深入火场，进行灭火和化学洗消。

总体上来说，消防机器人包括以下几部分：（1）运动部分，即由内燃机或电机驱动的有一定越障能力的底盘，有的使用履带，有的使用轮子。（2）消防装置，通常包括储水装置（有的直接连接到消防车或其他水源，可以无此装置）、管道、喷枪、泵、喷枪位置调节装置等。（3）控制部分，有的采用无线控制，有的用电缆进行有线控制。通常有无线视频监控、各种传感器辅助操作者对机器人进行操控。

现有技术中，虽然有很多类型的机器人，但是暂未发现可以专门用于洗消作业的机器人。洗消机器人的组成和通用的消防机器人十分类似，但又有其特殊之处。由于所携带的洗消液有可能会带有腐蚀性，并且泄漏现场很有可能高温高湿、有毒有害、烟雾弥漫，这都对洗消机器人的防护措施以及探测措施提出了更高要求。

实用新型内容

本实用新型提出一种化工厂泄露事故洗消机器人，能够在危险化学品发生泄漏的时候替代工作人员、到达最接近现场的地方，可以利用细水雾系统进行洗消操作，防止工人进入现场作业导致的二次伤害。

本实用新型的技术方案是这样实现的：一种化工厂泄露事故洗消机器人，包括控制机构、底盘框架、承重轮机构和细水雾系统，承重轮机构设置在底盘框架底部，细水雾系统设置在底盘框架上部，底盘框架和承重轮机构外包覆有履带，所述承重轮机构包括支撑轮，支撑轮与支撑轮轴相连，支撑轮轴与支撑杆相连，支撑杆与减震底座、带座轴承相连，减震底座与减震杆相连，减震杆上设有调节圈，弹簧套设在减震杆上且弹簧底座由调节圈限位，减震杆顶部的挡圈与钢轴相连，带座轴承上也连有一个钢轴，钢轴两端连有钢轴夹。

所述底盘框架包括驱动部分、上横杆、下横杆、上竖杆、下竖杆，上横杆、下横杆通过连接杆相连，上横杆与上竖杆垂直连接，下横杆与下竖杆垂直连接，带座轴承两端的钢轴夹与下竖杆相连，减震杆顶部的两个钢轴夹与上竖杆相连。

所述驱动部分包括电机，电机设置在电机支架上，电机通过主动链轮、从动链轮带动驱动轮转动，驱动轮的驱动轮轴通过带座轴承与上竖杆相连。

所述细水雾系统包括水箱，水箱与比例混合阀相连，比例混合阀另一个入口与洗消剂储罐相连，比例混合阀的出水口与高压柱塞泵相连，高压柱塞泵与动力源相连，高压柱塞泵的出水口与压力表、喷枪相连。

高压柱塞泵与压力表之间的软管上还连有溢流减压阀，溢流减压阀还连接到比例混合阀、高压柱塞泵之间的软管上。

还包括监控系统，监控系统包括固定在底盘框架上的锂电池和电动推杆，电动推杆与摄像头相连，锂电池外包覆有一层铝壳。

所述电动推杆顶部穿过连接孔之后与摄像头底部基座相连，连接孔设置在上连接板上，上连接板与中间连接板垂直相连，中间连接板与Ｌ型的下连接板垂直相连。

本实用新型的机器人有一定的越障能力，可以远程无线控制，携带尽可能多的洗消液，采用细水雾系统进行洗消作业，喷头的高度、朝向可以调节，洗消液流量也可以调节。本实用新型替代工作人员进入洗消现场，能够防止现场的毒、雾等有害物质损伤工作人员。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型的主视示意图。

图2为图1的右视示意图。

图3为图1的俯视示意图。

图4为承重轮结构的结构示意图。

图5为底盘框架与承重轮结构连接状态示意图。

图6为图5中仰视示意图。

图7为图5的俯视示意图。

图8为图5的左视示意图。

图9为承重轮结构连接原理图。

图10为转接台的结构示意图。

图11为细水雾系统的原理框图。

图12为下位机控制部分的原理框图。

   其中：1. 底盘框架，1-1. 驱动轮，1-2. 从动链轮，1-3. 链条，1-4. 上横杆， 1-5. 电机支架，1-6. 电机，1-7. 上竖杆，1-8. 驱动轮轴，1-9. 下横杆，1-10. 主动链轮，1-11. 轴承挡圈，1-12. 下竖杆，1-13. 连接杆，2. 承重轮机构，2-1. 钢轴，2-2. 挡圈，2-3. 钢轴夹，2-4. 弹簧，2-5. 调节圈，2-6. 带座轴承，2-7. 支撑杆，2-8. 减震底座，2-9. 支撑轮，2-10. 支撑轮轴，2-11. 减震杆，3. 细水雾系统，3-1. 水箱，3-2. 洗消剂储罐，3-3. 比例混合阀，3-4. 高压柱塞泵，3-5. 溢流减压阀，3-6. 压力表，3-7. 喷枪，3-8. 动力源，4. 履带，5. 电动推杆，6. 摄像头，7. 水泵，8. 锂电池，9. 上方支撑架，10. 转接台，10-1. 连接孔，10-2， 上连接板，10-3. 中间连接板，10-4. 下连接板。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

如附图1~10所示，一种化工厂泄露事故洗消机器人，包括控制机构、底盘框架1、承重轮机构2和细水雾系统3，承重轮机构2设置在底盘框架1底部，细水雾系统3设置在底盘框架1上部，底盘框架1和承重轮机构2外包覆有履带4，所述承重轮机构2包括支撑轮2-9，支撑轮2-9与支撑轮轴2-10相连，支撑轮轴2-10与支撑杆2-7相连，支撑杆2-7与减震底座2-8、带座轴承2-6相连，减震底座2-8与减震杆2-11相连，减震杆2-11上设有调节圈2-5，弹簧2-4套设在减震杆2-11上且弹簧2-4底部由调节圈2-5限位，减震杆2-11顶部的挡圈2-2与钢轴2-1相连，带座轴承2-6上也连有一个钢轴2-1，钢轴2-1两端连有钢轴夹2-3。

本实用新型中，每个承重轮机构2左右两侧各设置一个支撑轮2-9，底盘框架1底部左右两侧各连有四组或者更多的承重轮机构2，减震杆2-11、弹簧2-4和减震底座2-8起到减震作用，承重轮机构由钢轴夹2-3固定在底盘框架上，整个承重轮机构形成一个三角形结构，其中减震杆2-11所在的边长、短会变化，起到主要的减震作用。

作为优选，所述底盘框架1包括驱动部分、上横杆1-4、下横杆1-9、上竖杆1-7、下竖杆1-12，上横杆1-4、下横杆1-9通过连接杆1-13相连，上横杆1-4与上竖杆1-7垂直连接，下横杆1-9与下竖杆1-12垂直连接，带座轴承2-6两端的钢轴夹2-3与下竖杆1-12相连，减震杆2-11顶部的两个钢轴夹2-3与上竖杆1-7相连。所述驱动部分包括电机1-6，电机1-6设置在电机支架1-5上，电机1-6通过主动链轮1-10、从动链轮1-2带动驱动轮1-1转动，驱动轮1-1的驱动轮轴1-8通过带座轴承与上竖杆1-7相连。驱动轮轴1-8上设有轴承挡圈1-11。

其中，底盘框架1具有驱动和承重两重功能：1. 驱动功能，电机1-6转动的时候带动主动链轮1-10转动，主动链轮1-10通过链条1-3带动从动链轮1-2转动，而从动链轮1-2和驱动轮1-1同轴设置，驱动轮1-1转动的时候，带动整个装置向前移动；2. 承重功能：由底盘框架和承重轮机构共同完成，上横杆1-4、上竖杆1-7直接与载重接触，通过横杆、竖杆间的搭建连接，最终由承重轮机构完成载重，减震承担了部分承重和减震的双重作用。

如图11所示，所述细水雾系统3包括水箱3-1，水箱3-1与比例混合阀3-3相连，比例混合阀3-3另一个入口与洗消剂储罐3-2相连，比例混合阀3-3的出水口与高压柱塞泵3-4相连，高压柱塞泵3-4与动力源3-8相连，高压柱塞泵3-4的出水口与压力表3-6、喷枪3-7相连。高压柱塞泵3-4与压力表3-6之间的软管上还连有溢流减压阀3-5，溢流减压阀3-5还连接到比例混合阀3-3、高压柱塞泵3-4之间的软管上。

细水雾系统是整个装置中起到洗消作用的主要部分，高压柱塞泵3-4、洗消剂储罐3-2安装在底盘框架上，动力源3-8将动力传递给高压柱塞泵3-4，高压柱塞泵3-4的出口接有溢流减压阀3-5，溢流减压阀3-5的出口通过高压软管与洗消用喷枪3-7相连接。高压柱塞泵3-4工作的时候，将水和洗消剂混合物喷枪3-7喷出，实现了洗消工作，水泵7则可以向水箱3-1内充水。底盘框架上连有上方支撑架9，水泵7等设置在上方支撑架9上。

由于泄露现场可能存在有毒或者带电的灰尘入侵控制电路或者电源会造成腐蚀或短路，因此防尘等级需要达到6，即完全防止外物或灰尘进入。因前端是细水雾系统，会产生大量来自各个方向的细水雾，在气流的作用下会飘到控制盒或者电源周围，细水雾系统由于密封的问题会有部分水滴泄露出来，可能会形成飞溅水滴，因此把电路的防水等级定为IP防尘4级（防止飞溅水侵入）。本实用新型中的控制盒应达到IP64标准，控制盒是一个全密封的结构，为保证散热主体由纯铝铸造而成，出线的地方用的是PG9防水接头，开关用的是防水船型开关；主体和上盖用的是法兰连接，中间有橡胶密封圈，为方便观察盒内情况，盒盖采用的是有机玻璃板，这样的控制盒内部是一个密闭的空间。

本实用新型还包括监控系统，监控系统包括固定在底盘框架上的锂电池8和电动推杆5，电动推杆5与摄像头6相连，锂电池8外包覆有一层铝壳。设置铝壳可以增加锂电池的防水性能，能够防止水飞溅，电池的接口可采用PG9防水接头。优选的，所述电动推杆5顶部穿过连接孔10-1之后与摄像头6底部基座相连，连接孔10-1设置在上连接板10-2上，上连接板10-2与中间连接板10-3垂直相连，中间连接板10-3与Ｌ型的下连接板10-4垂直相连，而喷枪3-7设置在下连接板10-4上，当电动推杆5工作的时候，摄像头和喷枪3-7一起移动，这样便于摄像头记录喷枪3-7的工作状况。

在工作的时候能够调节喷枪的角度、高低，以适应现场作业。

本实用新型中所述控制机构分为两大部分：上位机控制部分和下位机控制部分。

上位机控制部分包括控制器、上位机和无线通信模块，其主要作用是将控制器的信息通过上位机的读取和转换变成符合通信协议的控制字发送给下位机。同时上位机还具有无线视频通信的功能，使用网络摄像头通过无线信号传输现场图像信息。

下位机控制部分可以分为两部分：动力部分和细水雾部分。动力部分包括2个120W的直流电机；细水雾部分包括：一个水泵、一个电磁阀、一个升降杆和一个云台电机。其中动力部分和细水雾部分需要用MCU控制，下位机控制原理如图12所示。

上位机件可实现以下两个任务：（1）读取摇杆控制信号；（2）将控制信号提取、分解，通过串口发送符合通信协议的字符串到下位机；

LabVIEW自带的控件能方便的读取摇杆的信息，只需要将摇杆插到计算机U口后安装驱动即可。本申请中控制器是一个用于PC的飞行摇杆，具有3个旋转轴、4按键，分别是：x轴和y轴控制前后以及行进中转向，z轴控制原地转向。x轴是基准值，y轴是差分值，推进x轴时LabVIEW读取其坐标值值（-43000-43000），正负表示方向，数值表示大小且均匀变化。通过数值的转换转化成两个数值表示的电机控制信号，分别是一个方向位（0正转，1反）和pwm位，发送给下位机来控制车身运动。

上位机最重要的功能是将控制信号采集到后予以合理的处理，转化成能直接发送给下位机的串口信号。根据通信协议和摇杆的信息，由上位机产生一个11个字节的控制字符串。控制主要有以下几种状态：1. 摇杆的y轴代表油门的基数，即两个电机在x轴偏移量为0时输出值，但是x轴发生偏转后将作为偏转系数乘到y轴所代表的基数上，因此可以在行进中控制车辆的转向；2. z轴的旋转会产生一个矢量，提取其方向和大小，分配给两个电机，产生大小相同，方向相反的两个pwm值，使其原地转向；3. 按键1控制电磁阀的开关，按键2控制泵的开启和关闭，两个方向键控制推杆电机的升降。

本申请采用用 WIFI来进行视屏信号的传输。通过一个摄像头6采集图像信号并自动散发成WIFI信号，然后用上位机（笔记本电脑）的无线网卡连接上无线摄像头的局域网，即可进行在上位机上看到实时图像。

下位机软件可完成两个任务：（1）将上位机发送过来的串口通信数据进行解析，读取每个控制位；（2）将读取到的上位机控制位信号转化成能直接控制相应模块的下位机控制信号，分别控制两个电机驱动和四个继电器，完成对两个电机、一个水泵、一个电磁阀和一个升降杆的操控。

本申请中机器人性能参数测试表如下所示

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

Claims (7)

1.  一种化工厂泄露事故洗消机器人，包括控制机构、底盘框架（1）、承重轮机构（2）和细水雾系统（3），承重轮机构（2）设置在底盘框架（1）底部，细水雾系统（3）设置在底盘框架（1）上部，底盘框架（1）和承重轮机构（2）外包覆有履带（4），其特征在于：所述承重轮机构（2）包括支撑轮（2-9），支撑轮（2-9）与支撑轮轴（2-10）相连，支撑轮轴（2-10）与支撑杆（2-7）相连，支撑杆（2-7）与减震底座（2-8）、带座轴承（2-6）相连，减震底座（2-8）与减震杆（2-11）相连，减震杆（2-11）上设有调节圈（2-5），弹簧（2-4）套设在减震杆（2-11）上且弹簧（2-4）底座由调节圈（2-5）限位，减震杆（2-11）顶部的挡圈（2-2）与钢轴（2-1）相连，带座轴承（2-6）上也连有一个钢轴（2-1），钢轴（2-1）两端连有钢轴夹（2-3）。

2.根据权利要求1所述的化工厂泄露事故洗消机器人，其特征在于：所述底盘框架（1）包括驱动部分、上横杆（1-4）、下横杆（1-9）、上竖杆（1-7）、下竖杆（1-12），上横杆（1-4）、下横杆（1-9）通过连接杆（1-13）相连，上横杆（1-4）与上竖杆（1-7）垂直连接，下横杆（1-9）与下竖杆（1-12）垂直连接，带座轴承（2-6）两端的钢轴夹（2-3）与下竖杆（1-12）相连，减震杆（2-11）顶部的两个钢轴夹（2-3）与上竖杆（1-7）相连。

3.根据权利要求2所述的化工厂泄露事故洗消机器人，其特征在于：所述驱动部分包括电机（1-6），电机（1-6）设置在电机支架（1-5）上，电机（1-6）通过主动链轮（1-10）、从动链轮（1-2）带动驱动轮（1-1）转动，驱动轮（1-1）的驱动轮轴（1-8）通过带座轴承与上竖杆（1-7）相连。

4.根据权利要求1所述的化工厂泄露事故洗消机器人，其特征在于：所述细水雾系统（3）包括水箱（3-1），水箱（3-1）与比例混合阀（3-3）相连，比例混合阀（3-3）另一个入口与洗消剂储罐（3-2）相连，比例混合阀（3-3）的出水口与高压柱塞泵（3-4）相连，高压柱塞泵（3-4）与动力源（3-8）相连，高压柱塞泵（3-4）的出水口与压力表（3-6）、喷枪（3-7）相连。

5.根据权利要求4所述的化工厂泄露事故洗消机器人，其特征在于：高压柱塞泵（3-4）与压力表（3-6）之间的软管上还连有溢流减压阀（3-5），溢流减压阀（3-5）还连接到比例混合阀（3-3）、高压柱塞泵（3-4）之间的软管上。

6.根据权利要求1~5之一所述的化工厂泄露事故洗消机器人，其特征在于：还包括监控系统，监控系统包括固定在底盘框架上的锂电池（8）和电动推杆（5），电动推杆（5）与摄像头（6）相连，锂电池（8）外包覆有一层铝壳。

7.根据权利要求6所述的化工厂泄露事故洗消机器人，其特征在于：所述电动推杆（5）顶部穿过连接孔（10-1）之后与摄像头（6）底部基座相连，连接孔（10-1）设置在上连接板（10-2）上，上连接板（10-2）与中间连接板（10-3）垂直相连，中间连接板（10-3）与Ｌ型的下连接板（10-4）垂直相连。