CN219361294U - 具有伸缩式气囊的水下救援机器人 - Google Patents

Abstract

具有伸缩式气囊的水下救援机器人，包括依次连接的主机舱、伸缩机构和条形气囊，主机舱内部设有元器件安装腔，主机舱外部设有用于提供竖直方向推进力的推进器A和用于提供水平方向推进力的推进器B；伸缩机构在一侧直接或间接与主机舱外壁连接，在另一侧与条形气囊可拆卸连接，其用于控制条形气囊折叠或展开，当条形气囊折叠时，其在长度方向上被压缩呈一字型，当条形气囊展开时，其在长度方向上被拉伸成C形。本实用新型的优点在于，相比现有的水下救援机器人具有较高的灵活性、安全性、可靠性和更广泛的适用范围。

Description

具有伸缩式气囊的水下救援机器人

技术领域

本实用新型涉及水下救援设备技术领域，特别是一种具有伸缩式气囊的水下救援机器人。

背景技术

在江、河、湖、水库、泳池等各类天然或人工水体中，溺水事件并不罕见，发生溺水事件时，对落水者进行快速有效的救援非常重要。目前，针对落水者的救援方式大多采用人工救援的方式，通过向水面上抛放漂浮物供落水者抓取，或由精通水性的救援人员跳入水中实施救援。其中，抛放漂浮物的救援方式需要落水者主动抓取漂浮物，但受到风力、波浪、落水者自身反应速度及身体状态的影响，无法保证落水者一定能抓取到漂浮物。其中，救援人员跳水施救的方式受救援人员自身身体素质、水温、光线及水质的影响，潜水深度及潜水时长存在不确定性，无法保证救援人员一定能找到落水者并将落水者带出水面。

基于人工救援落水者可靠性差的现状，水下救援机器人应运而生，授权公告号为CN215752942U的实用新型专利公开了一种具有辅助机械爪结构的水下救援机器人。其工作原理是：当机器人潜入水下并靠近搜救对象后，利用舵机带动电磁铁和机械臂进行旋转，来对搜救对象进行夹紧，夹紧完成后利用自锁卡扣锁紧，然后电磁铁断电，使机械臂和电磁铁脱离机器人，机械臂上固定有自动膨胀的气囊，在机器人与机械臂脱离后，气囊迅速发生膨胀，将搜救对象带出水面。

上述水下救援机器人在实际应用中存在以下不足之处：

1、灵活性还有待提升，其四个推进器的布置方向均为竖直方向，虽然能实现水中上下移动和机身竖向倾斜，但水平转向和水平移动的驱动力较弱；

2、安全性还有待提升，救援时先通过两个机械臂合围抱住落水者的腰部，再通过两个机械臂末端的自锁卡扣锁紧；由于机械臂本身为刚性部件，机械臂与人体接触为“硬接触”，当落水者在水中挣扎时存在身体碰伤擦伤的可能性；由于落水者的体型胖瘦有别，当落水者体型偏胖腰围较大时，两个机械臂合拢时存在无法环抱住落水者的腰部的可能性，进而导致两个机械臂末端的自锁卡扣无法锁紧，或锁紧时夹伤落水者的腰部皮肉；

3、适用范围存在局限性，两条机械臂为相对布置的C形构件，在张开或闭合的过程中需要占用一定的操作空间，对于体型偏胖的落水者，救援时两个机械臂张开或闭合的角度更大，所占用的操作空间将会更大，难以在狭窄水域环境中展开施救；

4、可靠性还有待提升，两条机械臂夹紧者落水者后，救援机构会整体与机器人框架脱离，两条机械臂在一端通过齿轮副啮合，在另一端通自锁卡扣锁紧，即机械臂两端都是采用活动连接的方式闭合形成“包围圈”，除了必要的气囊还包含了其它较多的部件，当落水者在水中因慌乱而挣扎时，容易导致两条机械臂连接处的齿轮损坏或自锁卡扣松脱，进而造成救援失败。

实用新型内容

本实用新型的目的是克服现有技术的不足，而提供一种具有伸缩式气囊的水下救援机器人，它相比现有的水下救援机器人提升了灵活性、安全性、可靠性和适用范围。

本实用新型的技术方案是：具有伸缩式气囊的水下救援机器人，包括依次连接的主机舱、伸缩机构和条形气囊；主机舱内部设有元器件安装腔，主机舱外部设有用于提供竖直方向推进力的推进器A和用于提供水平方向推进力的推进器B；伸缩机构在一侧直接或间接与主机舱外壁连接，在另一侧与条形气囊可拆卸连接，其用于控制条形气囊折叠或展开，当条形气囊折叠时，其在长度方向上被压缩呈一字型，当条形气囊展开时，其在长度方向上被拉伸成C形。

本实用新型进一步的技术方案是：所述C形的开口角度为20-50°。

本实用新型再进一步的技术方案是：伸缩机构包括基座、活动板、内弧齿条、电机、齿轮、轴座A、轴座B和弧形剪叉支架；基座直接或间接与主机舱连接，基座上端设有呈弧形轨迹的滑槽；活动板下端设有与滑槽相配合的滚轮，活动板通过滚轮滑动安装在滑槽上端，其可沿滑槽做弧形轨迹移动；内弧齿条固定安装在基座上，其一侧为内弧形边，另一侧为外弧形边，内弧齿条的内弧形边朝向主机舱；电机固定安装在活动板上；齿轮固定安装在电机的机轴上，并与内弧齿条相啮合，当齿轮沿内弧齿条啮合滚动时，带动活动板沿滑槽做弧形轨迹移动；轴座A固定安装在基座上，轴座B固定安装在活动板上；弧形剪叉支架包括多个依次连接的菱形单元，每两个相邻的菱形单元之间设有一根铰接轴，每根铰接轴上固定安装有一个电磁铁，弧形剪叉支架中部两个相邻的铰接轴分别与轴座A和轴座B铰接，弧形剪叉支架随着轴座A的移动而发生变形进而折叠或展开，当弧形剪叉支架处于折叠状态时，其在长度方向上被压缩呈一字型，当弧形剪叉支架处于展开状态时，其在长度方向上被拉伸成C形；相应的，条形气囊外壁上沿长度方向间隔固设有多个铁磁性材料块，条形气囊通过铁磁性材料块与电磁铁磁力连接，并且，铁磁性材料块与电磁铁一一对应。

本实用新型更进一步的技术方案是：条形气囊外壁上固定连接有高压气瓶，高压气瓶用于向条形气囊内部充气，高压气瓶的瓶口处连接有拉绳，拉绳末端与条形气囊上的铁磁性材料块连接；当条形气囊处于折叠状态时，拉绳松弛，高压气瓶未放气，当条形气囊处于展开状态时，拉绳绷紧，高压气瓶触发放气。

本实用新型再进一步的技术方案是：其还包括设在在伸缩机构与主机舱之间的缓冲机构；缓冲机构包括从一端至另一端依次连接的端板A、底座、中心杆、端板B和弹簧；设定端板A与端板B分别相对的表面为内表面，设定端板A与端板B分别相背的表面为外表面，端板A的外表面与主机舱的外壁固定连接，端板B的外表面与伸缩机构的基座固连；底座固定安装在端板A的内表面中心处，其内设有球窝，其上设有开口，开口连通至球窝；中心杆一端设有与球窝形状相吻合的球头，中心杆一端通过球头活动安装在底座的球窝内，另一端从底座的开口伸出后，固定连接在端板B的内表面中心处；多根弹簧围绕中心杆呈环形均布在端板A与端板B之间，弹簧一端与端板A连接，另一端与端板B连接，弹簧通过弹力使中心杆与底座之间产生相互脱离的趋势，然而，中心杆的球头无法通过开口离开球窝。

本实用新型更进一步技术方案是：端板A的内表面上设有呈环形均布的凸台A，端板B的内表面上设有呈环形均布的凸台B，凸台A与凸台B相对布置并一一对应，位置相对的凸台A和凸台B分别供一根弹簧的两端插入，从而实现弹簧两端分别与端板A和端板B连接。

本实用新型更进一步的技术方案是：主机舱外部相对的两侧壁上固设有耳板；推进器A的数量为四个，四个推进器A两两对称布置在两块耳板上，推进器B的数量为四个，四个推进器B呈矩形布置在主机舱底部，任意两个相邻的推进器B提供的推进力相互垂直。

本实用新型更进一步的技术方案是：其还包括视觉支持机构；视觉支持机构包括摄像头和照明模块；摄像头安装在主机舱上端和/或下端和/或侧壁上，其用于获取主机舱周边视野；照明模块安装在主机舱上端和/或下端和/或侧壁上，其用于照亮主机舱周边区域。

本实用新型与现有技术相比具有如下优点：

1、具有较高的灵活性：主机舱通过四个推进器A提供竖直方向的推进力，实现机器人上升、下降和竖向倾斜，通过四个推进器B提供水平方向的推进力，实现机器人前进、后退和水平转向。

2、具有较高的安全性：在机器人的所有部件中，仅条形气囊与落水者身体发生接触，条形气囊展开和充气后，在长度方向上被拉伸成C形，并将落水者的腰部抱住；一方面，条形气囊与人体接触为“柔性接触”，当落水者在水中挣扎时不会碰伤或擦伤身体，另一方面，条形气囊会根据落水者的腰围自适应变形(对于腰围较小的落水者，条形气囊充气和展开后形成的C形开口角度相对较小，对于腰围较大的落水者，条形气囊充气和展开后形成的C形开口角度相对较大)，不会出现夹伤落水者腰部皮肉的现象。

3、适用范围相对更广泛：救援落水者时，未充气且处于折叠状态的条形气囊与落水者的腰部相接触，在条形气囊充气和展开的过程中，能贴着落水者的腰部轮廓发生变形，直至环抱住落水者的腰部，整个救援过程所需的操作空间相对较小，更有利于在狭窄水域开展救援任务。

4、具有较高的可靠性：

4.1、救援落水者时，当条形气囊环抱住落水者的腰部后，仅条形气囊这一个部件与机器人脱离，条形气囊与机器人脱离后通过浮力带着落水者上浮，不存在落水者挣扎而损坏刚性连接件的情况，相比于现有的水下救援机器人，上浮速度和可靠性都得到了大幅提升；

4.2、为满足条形气囊充气后与机器人完整脱离的设计要求，选用了气瓶拉绳式气囊结构，通过弧形剪叉支架的变形带动条形气囊从折叠变为展开，条形气囊展开后将拉绳绷紧，进而触发气瓶放气；也就是说，条形气囊的展开和充气这两个动作存在联动机制，不会出现充气时未展开，或展开后不充气的情况；

4.3、条形气囊充气后会立即产生浮力，从而给伸缩机构施加一个向上的弯矩，这会使伸缩机构产生相对于主机舱向上偏转的趋势，此时设置在伸缩机构与主机舱之间的缓冲机构可产生适应性弯曲(弹簧弯曲和中心杆球头在底座球窝内转动)，将弯矩抵消，从而保证了伸缩机构与主机舱连接的可靠性。

以下结合图和实施例对本实用新型作进一步描述。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为主机舱的仰视图；

图3为主机舱的俯视图；

图4为伸缩机构与条形气囊均处于展开状态时的装配图(视角1)；

图5为伸缩机构与条形气囊均处于展开状态时的装配图(视角2)；

图6为条形气囊充气后的状态图；

图7为伸缩机构在弧形剪叉支架折叠时的状态图

图8为伸缩机构在弧形剪叉支架展开时的状态图；

图9为缓冲机构的结构示意图。

图例说明：主机舱1；推进器A11；推进器B12；耳板13；端板A21；凸台A211；底座22；中心杆23；端板B24；凸台B241；弹簧25；基座31；滑槽311；活动板32；滚轮321；内弧齿条33；电机34；齿轮35；轴座A36；轴座B37；弧形剪叉支架38；电磁铁39；条形气囊4；铁磁性材料块41；高压气瓶42；排气口44。

具体实施方式

实施例1：

如图1-9所示，具有伸缩式气囊的水下救援机器人，包括依次连接的主机舱1、缓冲机构、伸缩机构和条形气囊4。

主机舱1内部设有元器件安装腔，元器件安装腔用于提供给各类电器元件密闭防水的安装环境，主机舱1外部相对的两侧壁上固设有耳板13。主机舱1外部设有用于提供竖直方向推进力的推进器A11和用于提供水平方向推进力的推进器B12。推进器A11的数量为四个，四个推进器A11两两对称布置在两块耳板13上，推进器B12的数量为四个，四个推进器B12呈矩形布置在主机舱1底部，任意两个相邻的推进器B12提供的推进力相互垂直。

伸缩机构包括基座31、活动板32、内弧齿条33、电机34、齿轮35、轴座A36、轴座B37和弧形剪叉支架38。基座31上端设有呈弧形轨迹的滑槽311。活动板32下端设有与滑槽311相配合的滚轮321，活动板32通过滚轮321滑动安装在滑槽311上端，其可沿滑槽311做弧形轨迹移动。内弧齿条33固定安装在基座31上，其一侧为内弧形边，另一侧为外弧形边，内弧齿条33的内弧形边朝向主机舱1。电机34固定安装在活动板32上。齿轮35固定安装在电机34的机轴上，并与内弧齿条33相啮合，当齿轮35在电机34的驱动下沿内弧齿条33啮合滚动时，带动活动板32沿滑槽311做弧形轨迹移动。轴座A36固定安装在基座31上，轴座B37固定安装在活动板32上。弧形剪叉支架38包括多个依次连接的菱形单元，每两个相邻的菱形单元之间设有一根铰接轴，每根铰接轴上固定安装有一个电磁铁39，弧形剪叉支架38中部两个相邻的铰接轴分别与轴座A36和轴座B37铰接，弧形剪叉支架38随着轴座B37的移动而发生变形，进而折叠或展开，当弧形剪叉支架38处于折叠状态时，其在长度方向上被压缩呈一字型，当弧形剪叉支架38处于展开状态时，其在长度方向上被拉伸成C形。

缓冲机构包括从一端至另一端依次连接的端板A21、底座22、中心杆23、端板B24和弹簧25。端板A21的外表面与主机舱1外壁固定连接，端板B24的外表面与伸缩机构的基座31固定连接，设定端板A21与端板B24分别相对的表面为内表面，设定端板A21与端板B24分别相背的表面为外表面。底座22固定安装在端板A21的内表面中心处，其内设有球窝，其上设有开口，开口连通至球窝。中心杆23一端设有与球窝形状相吻合的球头，中心杆23一端通过球头活动安装在底座22的球窝内，另一端从底座22的开口伸出后，固定连接在端板B24的内表面中心处。多根弹簧25围绕中心杆23呈环形均布在端板A21与端板B24之间，弹簧25一端与端板A21连接，另一端与端板B24连接，弹簧25通过弹力迫使中心杆23与底座22之间产生相互脱离的趋势，然而，中心杆23的球头无法通过开口离开球窝。

条形气囊4外壁上沿长度方向间隔固设有多个铁磁性材料块41，条形气囊4通过铁磁性材料块41与电磁铁39磁力连接，并且，铁磁性材料块41与电磁铁39一一对应。条形气囊4随着弧形剪叉支架38的变形而折叠或展开，当条形气囊4处于折叠状态时，其在长度方向上被压缩呈一字型，当条形气囊4处于展开状态时，其在长度方向上被拉伸成C形。

优选，条形气囊4外壁上固定连接有高压气瓶42，高压气瓶42用于向条形气囊4内部充气，高压气瓶42的瓶口处连接有拉绳(图中未示出)，拉绳末端与条形气囊4上的铁磁性材料块41连接。当条形气囊4处于折叠状态时，拉绳松弛，高压气瓶42未放气，当条形气囊4处于展开状态时，拉绳绷紧，高压气瓶42触发放气。基于该结构，条形气囊4可在展开过程中自动充气，充分满足了条形气囊4充气后与机器人完整脱离的设计要求。

优选，条形气囊4外壁上设有排气口44，排气口44上螺纹连接有堵头。

优选，端板A21的内表面上设有呈环形均布的凸台A211，端板B24的内表面上设有呈环形均布的凸台B241，凸台A与凸台B相对布置并一一对应，位置相对的凸台A和凸台B分别供一根弹簧的两端插入，从而实现弹簧25两端分别与端板A21和端板B241连接。

优选，其还包括姿态控制机构，姿态控制机构包括三轴加速度计、三轴陀螺仪、三轴磁力计、深度传感器和单片机。单片机的型号可选用STM32-F405F/F407，单片机的信号输入端分别与三轴加速度计、三轴陀螺仪、三轴磁力计和深度传感器电连接，单片机的信号输出端分别与推进器A11和推进器B12电连接。三轴加速度计、三轴陀螺仪、三轴磁力计和单片机均安装在主机舱1的元器件安装腔内，深度传感器安装在主机舱1外部。姿态控制机构的工作原理如下：机器人入水后，单片机实时获取三轴加速度计、三轴陀螺仪和三轴磁力计的原始数据，对原始数据进行四元数解算以获取实时融合姿态，融合姿态包含了三轴速度(包含X、Y、Z轴)、三轴角度和位移信息。深度传感器用于获取深度信息和z轴速度信息，通过单片机将z轴速度信息更新至三轴速度信息中。单片机结合三轴速度信息，控制四个推进器A11的推力分配，实现机器人上升、下降和竖向倾斜，控制四个推进器B12的推力分配，实现机器人前进、后退和水平转向。

优选，条形气囊被拉伸成C形时的开口角度为20-50°，基于此开口角度，可使拉伸后的条形气囊4大致呈环形，能够较好地环抱落水者的腰部。

优选，其还包括摄像头、照明模块和蓄电池。摄像头安装在主机舱1上端和/或下端和/或侧壁上，其用于获取主机舱1周边视野；照明模块安装在主机舱1上端和/或下端和/或侧壁上，其用于照亮主机舱1周边区域。

一种水下救援方法，基于具有伸缩式气囊的水下救援机器人，执行救援方法之前，条形气囊处于折叠和未充气状态，弧形剪叉支架处于折叠状态。

救援方法如下：

S01，搜寻并接近落水人员：将机器人放入水中，通过摄像头和照明模块辅助搜寻落水人员，搜寻到落水人员后，遥控机器人向靠近落水人员的方向移动，靠近落水人员后，调节机器人的姿态使条形气囊对准并贴住落水人员的腰部。

S02，条形气囊展开并充气：启动电机34，驱动齿轮35沿内弧齿条33啮合滚动，带动活动板32和轴座B37沿基座31的滑槽311做弧形轨迹移动，弧形剪叉支架38随着轴座B37的移动而展开，进而带动条形气囊4展开，使条形气囊4环抱落水人员的腰部，随着条形气囊4的展开，拉绳由松弛变为绷紧，拉绳绷紧后立即触发高压气瓶41向条形气囊4内部充气。

S03，条形气囊脱离及机器人返航：

a、高压气瓶41放气的过程中，电磁铁39断电，使条形气囊4与弧形剪叉支架38分离，条形气囊4随即在浮力作用下带着落水人员上浮；

b、条形气囊4与弧形剪叉支架38分离后，启动电机34，驱动齿轮35沿内弧齿条33啮合滚动，带动活动板32和轴座B37沿基座31的滑槽311做弧形轨迹移动，弧形剪叉支架38随着轴座B37的移动而折叠；然后在摄像头和照明模块的辅助下，遥控机器人向水面上移动，使机器人移动至岸边，通过岸边的工作人员回收机器人。

Claims (8)

1.具有伸缩式气囊的水下救援机器人，其特征是：包括依次连接的主机舱、伸缩机构和条形气囊；主机舱内部设有元器件安装腔，主机舱外部设有用于提供竖直方向推进力的推进器A和用于提供水平方向推进力的推进器B；伸缩机构在一侧直接或间接与主机舱外壁连接，在另一侧与条形气囊可拆卸连接，其用于控制条形气囊折叠或展开，当条形气囊折叠时，其在长度方向上被压缩呈一字型，当条形气囊展开时，其在长度方向上被拉伸成C形。

2.如权利要求1所述的具有伸缩式气囊的水下救援机器人，其特征是：所述C形的开口角度为20-50°。

3.如权利要求2所述的具有伸缩式气囊的水下救援机器人，其特征是：伸缩机构包括基座、活动板、内弧齿条、电机、齿轮、轴座A、轴座B和弧形剪叉支架；基座直接或间接与主机舱连接，基座上端设有呈弧形轨迹的滑槽；活动板下端设有与滑槽相配合的滚轮，活动板通过滚轮滑动安装在滑槽上端，其可沿滑槽做弧形轨迹移动；内弧齿条固定安装在基座上，其一侧为内弧形边，另一侧为外弧形边，内弧齿条的内弧形边朝向主机舱；电机固定安装在活动板上；齿轮固定安装在电机的机轴上，并与内弧齿条相啮合，当齿轮沿内弧齿条啮合滚动时，带动活动板沿滑槽做弧形轨迹移动；轴座A固定安装在基座上，轴座B固定安装在活动板上；弧形剪叉支架包括多个依次连接的菱形单元，每两个相邻的菱形单元之间设有一根铰接轴，每根铰接轴上固定安装有一个电磁铁，弧形剪叉支架中部两个相邻的铰接轴分别与轴座A和轴座B铰接，弧形剪叉支架随着轴座A的移动而发生变形进而折叠或展开，当弧形剪叉支架处于折叠状态时，其在长度方向上被压缩呈一字型，当弧形剪叉支架处于展开状态时，其在长度方向上被拉伸成C形；相应的，条形气囊外壁上沿长度方向间隔固设有多个铁磁性材料块，条形气囊通过铁磁性材料块与电磁铁磁力连接，并且，铁磁性材料块与电磁铁一一对应。

4.如权利要求3所述的具有伸缩式气囊的水下救援机器人，其特征是：条形气囊外壁上固定连接有高压气瓶，高压气瓶用于向条形气囊内部充气，高压气瓶的瓶口处连接有拉绳，拉绳末端与条形气囊上的铁磁性材料块连接；当条形气囊处于折叠状态时，拉绳松弛，高压气瓶未放气，当条形气囊处于展开状态时，拉绳绷紧，高压气瓶触发放气。

5.如权利要求4所述的具有伸缩式气囊的水下救援机器人，其特征是：其还包括设在伸缩机构与主机舱之间的缓冲机构；缓冲机构包括从一端至另一端依次连接的端板A、底座、中心杆、端板B和弹簧；设定端板A与端板B分别相对的表面为内表面，设定端板A与端板B分别相背的表面为外表面，端板A的外表面与主机舱的外壁固定连接，端板B的外表面与伸缩机构的基座固连；底座固定安装在端板A的内表面中心处，其内设有球窝，其上设有开口，开口连通至球窝；中心杆一端设有与球窝形状相吻合的球头，中心杆一端通过球头活动安装在底座的球窝内，另一端从底座的开口伸出后，固定连接在端板B的内表面中心处；多根弹簧围绕中心杆呈环形均布在端板A与端板B之间，弹簧一端与端板A连接，另一端与端板B连接，弹簧通过弹力使中心杆与底座之间产生相互脱离的趋势，然而，中心杆的球头无法通过开口离开球窝。

6.如权利要求5所述的具有伸缩式气囊的水下救援机器人，其特征是：端板A的内表面上设有呈环形均布的凸台A，端板B的内表面上设有呈环形均布的凸台B，凸台A与凸台B相对布置并一一对应，位置相对的凸台A和凸台B分别供一根弹簧的两端插入，从而实现弹簧两端分别与端板A和端板B连接。

7.如权利要求6所述的具有伸缩式气囊的水下救援机器人，其特征是：主机舱外部相对的两侧壁上固设有耳板；推进器A的数量为四个，四个推进器A两两对称布置在两块耳板上，推进器B的数量为四个，四个推进器B呈矩形布置在主机舱底部，任意两个相邻的推进器B提供的推进力相互垂直。

8.如权利要求7所述的具有伸缩式气囊的水下救援机器人，其特征是：其还包括视觉支持机构；视觉支持机构包括摄像头和照明模块；摄像头安装在主机舱上端和/或下端和/或侧壁上，其用于获取主机舱周边视野；照明模块安装在主机舱上端和/或下端和/或侧壁上，其用于照亮主机舱周边区域。