CN211835958U - 一种轮足混合式消防机器人 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种轮足混合式消防机器人，包括本体，所述本体的下部安装有两个用于实现双足行走的行走机构，每个行走机构的下部安装有两个行走轮组件；所述行走轮组件与行走机构的相对高度能够调节以使得：行走轮组件的下端低于底板时，行走轮组件带动本体实现轮式行走；反之，行走机构带动本体实现双足行走；所述行走机构的最下端为底板，所述底板的上表面安装有灭火组件；所述底板的上表面固设有支撑架，所述支撑架与双轴电机固定，所述双轴电机的输出轴分别固连有一个丝杠。

Description

一种轮足混合式消防机器人

技术领域

本实用新型属于消防机器人技术领域，具体涉及一种轮足混合式消防机器人。

背景技术

消防机器人能够代替人类执行很多复杂危险环境的工作，使得消防员不必深入火场就可以实现灭火操作。消防机器人一般采用自行走机器人加装灭火组件形成，传统轮式机器人、履带式机器人、双足灭火机器人受环境制约局限性大，具体的，传统的轮式机器人越障能力差、地形适应能力差，转外半径大，容易打滑，不够平稳；而履带式机器人受地形高低落差影响，运动的稳定性较差容易翻车；双足灭火机器人需模仿人的关节运动其运动速度慢、采用舵机控制行走，控制精度低、不及四轮避障机器人灵活方便。

发明人了解到，现有技术中存在轮足混合式机器人，如专利文献CN201910917406.9一种基于电液混合驱动的轮足切换机器人；CN201510061791.3 一种轮足混合式四足机器人，中均涉及轮足混合机器人的内容，但是发明人认为，现有轮足混合消防机器人具有下述缺点：

(1)采用仿人足的行走机构，机器人直立时的高度较大，且将灭火装置安装在行走机构上方，重心高，导致机器人容易出现倾倒不稳的情况。

(2)实现机器人在行走轮和行走足之间运动转换的方式为行走足主动变形，使得行走轮的最低点可以高于行走足的最低点；这种方式中，对于行走足的形变范围要求较高，限制了行走足的尺寸设计。

同时，因为行走轮本身不能调节自身高度，机器人两侧的两组行走轮处于相同高度，不能适应于复杂路况下，对两组行走轮高度的不同要求。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种轮足混合式消防机器人，能够解决现有轮组混合式机器人安装灭火设备后的重心高、容易倾覆；通过行走足变形来改变行走模式时，行走足尺寸设计受限、不同组的行走轮只能够保持相同水平高度的问题。

为实现上述目的，本实用新型采用下述技术方案：一种轮足混合式消防机器人，包括本体，所述本体的下部安装有两个用于实现双足行走的行走机构，每个行走机构的下部安装有两个行走轮组件；所述行走轮组件与行走机构的相对高度能够调节以使得：行走轮组件的下端低于底板时，行走轮组件带动本体实现轮式行走；反之，行走机构带动本体实现双足行走。所述行走机构的最下端为底板，所述底板的上表面安装有灭火组件。

所述底板的上表面固设有支撑架，所述支撑架与双轴电机固定，所述双轴电机的输出轴分别固连有一个丝杠，所述丝杠与支撑架转动连接以实现支撑，每个丝杠上设置有一个螺母件，所述螺母件与连接杆的一端铰接，所述连接杆的另一端与行走轮组件铰接。

位于行走机构同一侧的两个行走轮组件之间的距离为定值，以使得丝杠的转动能够定量的改变行走轮组件与丝杠之间的距离。

进一步，所述底板的上表面固设有轴线水平设置的水平舵机，所述水平舵机轴线方向与底板的延伸方向相同。

所述水平舵机外部安装有U形架，所述U形架中相互平行的两个板件分别与水平舵机的两个输出轴固定，所述U形架的连接板朝上设置，连接板与竖向舵机的输出轴固定连接，竖向舵机的壳体与本体固定连接。

进一步，所述行走轮组件包括安装架，所述安装架上设置有旋转驱动机构，所述旋转驱动机构的输出轴与行走轮固定。位于行走机构同一侧的两个安装架之间通过连杆固定，以使得行走机构同一侧的两个行走轮之间的间距为定值。

进一步，位于行走机构同一侧的两个丝杠的旋向相反，所述连接杆的上端朝向双输出轴设置；在行走轮同一侧，两个丝杠、双轴电机、行走轮组件与连接杆形成等腰梯形结构，以使得同侧的两个行走轮能够同步升降。

进一步，所述底板的上表面安装有喷射调节装置，所述喷射调节装置与水流喷射装置连接，所述喷射调节装置能够调节水流喷射装置的喷射方向。

进一步，所述本体上设置有控制装置和摄像机构，所述摄像机构能够拍摄照片并传递给控制装置，所述控制装置能够将拍摄的照片或视频信息实时传递给图像分析模块以完成图像分析。

本实用新型的有益效果：

(1)采用行走机构与行走轮组件的配合使用，行走轮机构与行走轮组件的相对高度可以调节的方式使得机器人可以完成轮式行走和仿人双足行走的切换。

(2)采用在行走机构底部的底板上安装灭火设备，降低机器人在使用状态时的中心高度，提高机器人运送时的稳定性。

(3)采用丝杠螺母、双轴电机以及连接杆的组合，在同一侧两个行走轮组件之间距离为设定值的情况下，双轴电机的转动能够带动同一侧的两个螺母沿丝杠的轴线方向同步移动，进而通过连接杆的驱动带动同一侧的驱动轮组件能够同步上升或者下降，使得行走轮组件的下端能够低于行走机构的下端，并与通过行走轮实现轮式行走过程。

(4)在行走机构两侧的两个行走轮组件均与地面接触，以实现轮式行走的前提下，因为两侧的行走轮组件独立调节，在地面不平整得情况下，其中一侧的双轴电机可以继续转动，使得该侧的行走轮组件相对于行走轮组件继续下降。最终使得两侧的行走轮组件处于不同的水平高度，满足行走轮组件在不平整地面的行走功能，避免因为地面坡度的存在造成轮式行走时的倾覆现象。

(5)采用水平舵机，U形架及竖向舵机的组合，仅需要在每个行走机构处设置两个关节就可以完成双足行走功能，相对于现有仿足行走机构设置至少3个关节的方式来说，节省了关节电机或舵机的使用数量，降低了成本的同时，减少的控制程序的复杂程度。

(6)采用位于行走机构同一侧的两个安装架之间通过连杆固定的方式，使得同侧行走轮组件之间的距离形成固定值，此时丝杠螺母沿设定方向转动的过程中，连接杆及行走轮组件的运动轨迹被确定，行走轮组件可以相对于底板完成升降过程。

(7)在行走轮同一侧，两个丝杠、双轴电机、行走轮组件与连接杆形成等腰梯形结构：当行走轮与地面接触时，底板被抬升；行走机构、本体及灭火设备的重力听通过等腰梯形结构均匀的分配给同侧的两个行走轮组件，保证两个行走轮组件均匀受力，同时能够保证轮式行走时的稳定性，减少倾覆的概率。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的限定。

图1为本实用新型实施例中整体结构主视图；

图2为本实用新型实施例整体结构侧视图；

图3为本实用新型实施例中整体结构俯视图；

图4为本实用新型实施例中去除储水箱等机构后的轴测图；

图5为本实用新型实施例中减速电机与安装架的结构示意图；

图6为本实用新型实施例中行走轮组件与连接杆等部分结构示意图；

图7为本实用新型实施例中两个行走机构组成双足行走机构的示意图。

图中：1、底板；101、第一底板；102、第二底板；2、行走轮；3、减速电机；4、转向平台；5、平台转向舵机；6、舵机连接杆；7、摄像机构；8、水流喷射装置；9、喷水高度调节舵机；10、螺栓连接杆；11、双轴电机；12、螺纹孔；13、螺母件；15、储水箱；16、控制装置；17、安装架；18、连接杆；19、支撑架；21、U形架；901、第一水平舵机；902、第一竖向舵机；903、第二竖向舵机；904、第二水平舵机。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

为了方便叙述，本实用新型中如果出现“上、下、左、右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

本实用新型的一种典型实施方式中，如图1-7所示，提供一种轮足混合式消防机器人，包括本体，所述本体的下部安装有两个用于实现双足行走的行走机构，每个行走机构的下部安装有两个行走轮组件；所述行走轮组件与行走机构的相对高度能够调节以使得：行走轮组件的下端低于底板1时，行走轮组件带动本体实现轮式行走；反之(即行走轮组件的下端高于底板1时)，行走机构带动本体实现双足行走。

所述行走机构的最下端为底板1，所述底板1的上表面安装有灭火组件。所述底板1的上表面与支撑架19固定连接，所述支撑架19与双轴电机11固定，所述双轴电机11的输出轴分别固连有一个丝杠，所述丝杠与支撑架19转动连接以实现支撑，每个丝杠上设置有一个螺母件，所述螺母件与连接杆18的一端铰接，所述连接杆18的另一端与行走轮组件铰接。

位于行走机构同一侧的两个行走轮组件之间的距离为定值，以使得丝杠的转动能够定量的改变行走轮组件与丝杠之间的距离。

行走机构：所述底板1的上表面固设有轴线水平设置的水平舵机，所述水平舵机轴线方向与底板1的延伸方向相同。

所述水平舵机外部安装有U形架21，所述U形架21中相互平行的两个板件分别与水平舵机的两个输出轴固定，所述U形架21的连接板朝上设置，连接板与竖向舵机的输出轴固定连接，竖向舵机的壳体与本体固定连接。

具体的，底板1包括第一底板101和第二底板102，第一底板101上安装有第一水平舵机901，第一水平舵机901与第一竖向舵机902连接，第二底板102 上安装有第二水平舵机904，第二水平舵机904与第二竖向舵机903连接。

行走轮组件：所述行走轮组件包括安装架17，所述安装架17上设置有旋转驱动机构，所述旋转驱动机构的输出轴与行走轮2固定；位于行走机构同一侧的两个安装架17之间通过连杆(图中未示出)固定，以使得行走机构同一侧的两个行走轮2之间的间距为定值。所述旋转驱动机构包括减速电机3。在另外一些实施方式中，所述的旋转驱动机构可以采用气动马达，可由本领域技术人员自行设置。

在一些实施方式中，所述行走轮2可以采用麦克纳姆轮，在另外一些实施方式中，可以采用其他形式的行走轮2，如采用防火、耐热材质制成的普通轮胎形式的车轮。

位于行走机构同一侧的两个丝杠的旋向相反，所述连接杆18的上端朝向双输出轴设置；

在行走轮2同一侧，两个丝杠、双轴电机11、行走轮组件与连接杆18形成等腰梯形结构，以使得同侧的两个行走轮2能够同步升降。

灭火组件：所述灭火机构包括安装在底板1上表面的储水箱15和水泵，所述水泵能够将储水箱15中的水流加压后从水流喷射装置8喷出。

所述底板1的上表面安装有喷射调节装置，所述喷射调节装置与水流喷射装置8连接，所述喷射调节装置能够调节水流喷射装置8的喷射方向。

所述喷射调节装置包括相互连接的多个舵机，所述喷射调节装置通过舵机的转动来改变水流喷射装置8的喷水方向。

具体的，舵机转向平台4上通过四根螺栓连接杆10支撑，螺栓连接杆10通过螺纹孔12固定在底板1上。舵机转向平台4上装有转向舵机5和喷水高度调节舵机99：转向舵机5可控制喷水装置在X、Y平面内实现180°旋转、喷水高度调节舵机99可控制水流喷射装置8在Z坐标方向上实现90°喷射水流。所述水流喷射装置8采用双头喷射，分别安装在两个底板1的前方。

舵机换向装置：被四个螺栓固定在舵机转向平台4上方，所述舵机换向装置包括舵机旋转平台、舵机连接杆6、平台转向舵机5、喷水高度调整舵机。所述平台转向舵机5连接水流喷射装置8，当机器人接收到摄像头处理的火源点信号时机器人开始运动，抵达火场，启动水流喷射装置8进行灭火作业。平台转向舵机5控制水流喷射装置8可实现180°自由喷水。

控制及摄像系统：

所述本体上设置有控制装置16和摄像机构7，所述摄像机构7能够拍摄照片并传递给控制装置16，所述控制装置16能够将拍摄的照片或视频信息实时传递给图像分析模块以完成图像分析。

具体的，图像分析模块采用RGB-HSI混合颜色模型的火焰识别方法对火场照片进行处理分析，对于火焰而言，红色分量R和绿色分量G会很大，并且绿色分量G会大于蓝色分量B。HSI颜色模型分别用H(色度)、S(饱和度)、I(亮度)来描述颜色特性，而在火焰检测中主要利用S饱和度来判定火焰，正确检测火源点位置，将信号反馈到单片机。控制装置16包括STMF103C8T6主控模块、传感器模块、减速电机驱动模块、舵机驱动模块和电源。所述STMF103C8T6主控模块连接减速电机驱动模块、传感器模块和舵机驱动模块。所述减速电机驱动模块、舵机驱动模块信号连接行走机构中的舵机或行走轮组件中的减速电机3。所述舵机驱动模块信号连接喷射调节装置中的舵机以控制水流喷射方向。

通过采用摄像头处理火灾图像的方式，相比较采用传统的温度、火焰传感器检测火源点而言，本技术提高了灭火机器人进行灭火作业时检测火源点实时性，火灾检测范围、探测距离大大增强，对火源点检测的精确度大大提高。

本实用新型水流喷射装置8设置平台转向舵机5和喷水高度控制舵机，通过水流喷射装置8与转向舵机配合可实现水平方方向180°全方位灭火；通过水流喷射装置8与喷水高度控制舵机配合可实现垂直方向90°全方位灭火。此外本实用新型采用双喷嘴设计，喷水效率及强度大大提高。

机器人采用轻型铝型材和防火塑料管，耐高温耐腐蚀，使结构设计更加可靠。

工作原理：首先机器人通过摄像机构7对火灾发生地点进行拍照，并根据 RGB-HSI混合颜色模型进行对火灾的火源进行分析，确定火源点后，将灭火指令发送回单片机。机器人通过单片机主控模块接收的信号对运动控制模块下发指令，测算出最短距离进行灭火作业。此时机器人接受单片机传递出的电信号通过轮足混合式行走装置进行越野、爬楼运动。等机器人到达距火场最近的安全位置时机器人停止运动，启动水流喷射装置8。水泵开始抽水，水流喷射装置8开始进行喷水灭火作业，此时摄像头会对火源点进行间隔拍照、实时分析火源点。待所有的火源灭掉后，关闭水泵装置，水流喷射装置8停止工作。单片机下达指令使机器人退出火场，回到原点位置。

行走轮组件处的的四个减速电机3控制四个行走轮2可在道路上实现快速运动，当机器人遇到崎岖不平的道路时候，通过单片机控制相应的双轴电机11转动，通过丝杠螺母13使得使同侧的两个连接杆18带动两个安装架17实现同侧的两个行走轮2同步上升或下降，使机器人平稳的、快速的到达目标。

当需要爬楼时：初始状态下，两个行走机构的底板1分别处于同一台阶，二者均与台阶面接触。第一水平舵机901转动，使得本体向着第一水平舵机901的方向偏转，第二底板102脱离地面直至与上一层台阶的高度相同；然后第一竖向舵机902转动带动本体机构第二底板102等以第一竖向舵机902的转轴为中心转动，第二底板102摆动至上层台阶的正上方；然后，第一水平舵机901复位使得第二底板102下落并与上层台阶接触。

第二水平舵机904旋转，使得本体向着第二水平舵机904的方向偏转，第一底板101脱离地面直至与第二底板102所在的台阶的高度相同；然后第二竖向舵机903转动带动本体机构、第一底板101等以第二竖向舵机903的转轴为中心转动，第一底板101摆动至第二底板102所在台阶的正上方，同时，第一竖向舵机 902复位；然后，第二水平舵机904复位使得第一底板101下落并与上层台阶接触。通过上述过程，依次完成行走机构的爬楼过程。

上述虽然结合附图对本实用新型的具体实施方式进行了描述，但并非对本实用新型保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本实用新型的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本实用新型的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种轮足混合式消防机器人，其特征在于，包括本体，所述本体的下部安装有两个用于实现双足行走的行走机构，每个行走机构的下部安装有两个行走轮组件；所述行走轮组件与行走机构的相对高度能够调节，以实现轮式行走与双足行走之间的切换；

所述行走机构的最下端为底板，所述底板的上表面安装有灭火组件；所述底板的上表面固设有支撑架，所述支撑架与双轴电机固定，所述双轴电机的输出轴分别固连有一个丝杠，所述丝杠与支撑架转动连接以实现支撑，每个丝杠上设置有一个螺母件，所述螺母件与连接杆的一端铰接，所述连接杆的另一端与行走轮组件铰接；

位于行走机构同一侧的两个行走轮组件之间的距离为定值，以使得丝杠的转动能够定量的改变行走轮组件与丝杠之间的距离。

2.根据权利要求1所述的轮足混合式消防机器人，其特征在于，所述底板的上表面固设有轴线水平设置的水平舵机，所述水平舵机轴线方向与底板的延伸方向相同；

所述水平舵机外部安装有U形架，所述U形架中相互平行的两个板件分别与水平舵机的两个输出轴固定，所述U形架的连接板朝上设置，连接板与竖向舵机的输出轴固定连接，竖向舵机的壳体与本体固定连接。

3.根据权利要求1所述的轮足混合式消防机器人，其特征在于，所述行走轮组件包括安装架，所述安装架上设置有旋转驱动机构，所述旋转驱动机构的输出轴与行走轮固定；

位于行走机构同一侧的两个安装架之间通过连杆固定，以使得行走机构同一侧的两个行走轮之间的间距为定值。

4.根据权利要求3所述的轮足混合式消防机器人，其特征在于，所述旋转驱动机构包括减速电机。

5.根据权利要求3所述的轮足混合式消防机器人，其特征在于，所述行走轮为麦克纳姆轮。

6.根据权利要求3所述的轮足混合式消防机器人，其特征在于，位于行走机构同一侧的两个丝杠的旋向相反，所述连接杆的上端朝向双输出轴设置；

在行走轮同一侧，两个丝杠、双轴电机、行走轮组件与连接杆形成等腰梯形结构，以使得同侧的两个行走轮能够同步升降。

7.根据权利要求1所述的轮足混合式消防机器人，其特征在于，所述灭火组件包括安装在底板上表面的储水箱和水泵，所述水泵能够将储水箱中的水流加压后从水流喷射装置喷出。

8.根据权利要求7所述的轮足混合式消防机器人，其特征在于，所述底板的上表面安装有喷射调节装置，所述喷射调节装置与水流喷射装置连接，所述喷射调节装置能够调节水流喷射装置的喷射方向。

9.根据权利要求8所述的轮足混合式消防机器人，其特征在于，所述喷射调节装置包括相互连接的多个舵机，所述喷射调节装置通过舵机的转动来改变水流喷射装置的喷水方向。

10.根据权利要求1所述的轮足混合式消防机器人，其特征在于，所述本体上设置有控制装置和摄像机构，所述摄像机构能够拍摄照片并传递给控制装置，所述控制装置能够将拍摄的照片或视频信息实时传递给图像分析模块以完成图像分析。

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