專利名稱：危難救援與管道并聯(lián)機器人的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種特種機器人領域，特別是涉及一種危難救援與管道并聯(lián)機器人。
背景技術：
危難救援和管道機器人是基于一般機器人技術發(fā)展起來的一類特種機器人。它們 用于做人不能做的事，在人無法進入的狹小空間(管道和倒塌建筑物造成的縫隙)進行作 業(yè)和救援，在人無法適應的環(huán)境下進行危險作業(yè)。它們也用于做人不愿意做的事，把人從危 險的、有毒的、有害的、復雜的和重復單調(diào)的環(huán)境中解救或解脫出來。管道機器人是一種可 沿管道內(nèi)壁行走的機械，它可以攜帶一種或多種傳感器及操作裝置，在操作人員的遠距離 控制下進行一系列的管道檢測維修作業(yè)。多年來世界各國對危難救援與管道機器人的研究 十分重視，對其研究逐步從試驗研究轉(zhuǎn)入到實際應用。目前，多種技術融合化、多智能體網(wǎng) 絡化是危難救援和管道機器人研究的發(fā)展方向，在國民經(jīng)濟和安全中起著重要作用并具有 重大的戰(zhàn)略意義。至今人們已研制出多種危難救援機器人和管道機器人。中國沈陽自動化研制出空 中搜索探測機器人，能快速獲取震區(qū)信息和影像。瑞典VOLVO公司研制生產(chǎn)了一種拆除機 器人，適合在室內(nèi)、狹窄場地及因地震等原因引起的建筑倒塌現(xiàn)場進行拆除作業(yè)、開辟火場 救生通道等。美國Massachusetts大學Micire研究用于坍塌建筑搜尋與救援多功能救援 機器人系統(tǒng)。意大利Genova大學研究了蝸牛式和蛇形救援機器人。東京理工大學和Hosei 大學研制了蛇形救災機器人。德國Kimtze研制出四輪獨立驅(qū)動管道檢測機器人系統(tǒng)。西 班牙Jorge Momleda研制出利用水流噴射驅(qū)動的管道機器人系統(tǒng)；日本東京工業(yè)大學研制 出螺旋推動螺旋輪的管道機器人系統(tǒng)；東京油氣有限公司曾開發(fā)出世界上第一臺無纜管道 爬行機器人。中國哈爾濱工業(yè)大學研制六獨立輪驅(qū)動管內(nèi)檢測牽引機器人。迄今為止，世界各國研究的能真正在危難之中實施救援的機器人的作業(yè)能力與現(xiàn) 實要求還有很大差距。大多危難救援機器人僅能執(zhí)行一些探測及信號傳送等輔助性作業(yè)， 在直接實施有效救援方面還顯得無能為力，在保證安全前提下，還不能及時挖掘并拖出被 埋幸存者。在戰(zhàn)/火場上還不能及時快速拖動和轉(zhuǎn)移傷員。目前一些管道機器人能進行一 些探測及信號傳送和有限的清淤和除障作業(yè)，但在垂直上升管道內(nèi)爬行能力、在變直徑和 拐陡彎管道內(nèi)運行靈活性、在長距離密封管道內(nèi)牽引電纜能力等能力仍很差。危難救援和 管道清淤和除障作業(yè)合一的機器人未見報道。
發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有救援機器人存在的直接救援能力差、管道機器人在垂直管道內(nèi)爬行 能力差、在變直徑和拐陡彎管道內(nèi)運行不靈活以及在長距離密封管道內(nèi)牽引能力不足等問 題，本發(fā)明提供一種危難救援與管道并聯(lián)機器人，該發(fā)明能夠自動行走、轉(zhuǎn)彎、爬坡、翻轉(zhuǎn)身 體等作業(yè)動作，當通過控制系統(tǒng)互換手/腳操作裝置的功能，可以實現(xiàn)該機器人逆向作業(yè)。所述危難救援與管道并聯(lián)機器人，包括一個3自由度并聯(lián)腰機構、一個手操作裝
3置和一個腳操作裝置。所述3自由度并聯(lián)腰機構的三個主驅(qū)動桿的一端與前支架轉(zhuǎn)動副連接，另一端與 后支架球鉸連接。所述手操作裝置的第一、二、三輔助驅(qū)動桿的一端分別與第一、二、三擺桿及第一、 二、三支撐輪轉(zhuǎn)動副連接，第一、二、三輔助驅(qū)動桿的另一端同時與前支架轉(zhuǎn)動副連接。所述腳操作裝置的第四、五、六輔助驅(qū)動桿的一端分別與第四、五、六擺桿及第四、 五、六支撐輪轉(zhuǎn)動副連接，第四、五、六輔助驅(qū)動桿的另一端同時與后支架轉(zhuǎn)動副連接。所述前支架為圓筒形結構，設置在前支架前端部的三個鉸鏈座與設置在前支架后 端部的三個鉸鏈座均布前支架相同徑向圓周上。所述后支架為圓筒形結構，設置在后支架前端部的三個鉸鏈座與設置在后支架后 端部的三個鉸鏈座均布后支架相同的徑向圓周上。所述第一主驅(qū)動桿、第二主驅(qū)動桿和第三主驅(qū)動桿前端部的鉸鏈座與后端部的球 鉸座均布在前支架和后支架相同的徑向圓周上。本發(fā)明的有益效果是在復雜地形行走傾翻時，仍能保持行走，故本發(fā)明適合外星 探測、軍事偵察、危險品的探測和清除等場合。在危難現(xiàn)場，救援者可將探測器和小型救援 裝置安裝在機器人管狀空腔內(nèi)實施求援，并從管形空腔將遇難者安全運出。本發(fā)明能以蠕 動方式鉆入瓦礫深處搜索，實施救援。在戰(zhàn)/火場，毒氣或核輻射場等危險場地，該機器人 可以通過手/腳裝置及并聯(lián)機構協(xié)調(diào)操作，將遇難者拖入其管形空腔內(nèi)，再利用手/腳操作 裝置、并聯(lián)機構及支撐輪協(xié)調(diào)快速行走，將遇難人員安全運離危險區(qū)，具有爬行驅(qū)動力大， 爬行速度快，抗壓能力大，挖掘救援能力強等優(yōu)點。另外在管道內(nèi)，機器人的手操作裝置的 擺桿與腳操作裝置的擺桿與管道內(nèi)壁交替支撐，利用該機器人并聯(lián)腰機構驅(qū)動機器人擺動 和伸縮，實現(xiàn)在輸油及排污的直/彎段管道內(nèi)和變直徑管道內(nèi)行走，并將淤泥或障礙物由 從手裝置入口通過該機器人管形空腔排送到腳裝置出口。與現(xiàn)有的管道機器人相比，爬行 推力大，適應長的、拐彎和變內(nèi)徑管道，可在垂直管道內(nèi)爬行，具有牽引、清淤和除障能力強 等特點。
圖1是危難救援與管道并聯(lián)機器人的結構示意圖。在圖1中，1.前支架，2.后支架，3.可伸縮主驅(qū)動桿，3-1.第一主驅(qū)動桿，3_2.第 二主驅(qū)動桿，3-3.第三主驅(qū)動桿，4.擺桿，4-1.第一擺桿，4-2.第二擺桿，4-3.第三擺桿， 4-4.第四擺桿，4-5.第五擺桿，4-6.第六擺桿，5.可伸縮輔助驅(qū)動桿，5-1.第一輔助驅(qū)動 桿，5-2.第二輔助驅(qū)動桿，5-3第三輔助驅(qū)動桿，5-4第四輔助驅(qū)動桿，5-5.第五輔助驅(qū)動 桿，5-6.第六輔助驅(qū)動桿，6.支撐輪，6-1.第一支撐輪，6-2.第二支撐輪，6-3.第三支撐輪， 6-4.第四支撐輪，6-5.第五支撐輪，6-6.第六支撐輪。
具體實施例方式實施例圖1是本發(fā)明公開的一個實施例，所述危難救援與管道并聯(lián)機器人包括一個3自 由度并聯(lián)腰機構、一個手操作裝置、一個腳操作裝置和監(jiān)測與驅(qū)動控制系統(tǒng)，監(jiān)測器固定在
所述3自由度并聯(lián)腰機構由前支架1、后支架2、三個可伸縮的第一主驅(qū)動桿3-1、 第二主驅(qū)動桿3-2和第三主驅(qū)動桿3-3組成，上述三個主驅(qū)動桿一端與前支架1轉(zhuǎn)動副連 接，另一端與后支架2球鉸連接。所述手操作裝置包括前支架1和一組前擺桿機構，所述前擺桿機構由前支架1、第 一擺桿4-1、第二擺桿4-2、第三擺桿4-3、三個可伸縮的第一輔助驅(qū)動桿5-1、第二輔助驅(qū)動 桿5-2、第三輔助驅(qū)動桿5-3、第一支撐輪6-1、第二支撐輪6-2、第三支撐輪6_3組成，第一 輔助驅(qū)動桿5-1的一端與第一擺桿4-1及第一支撐輪6-1轉(zhuǎn)動副連接，第二輔助驅(qū)動桿5-2 的一端與第二擺桿4-2及第二支撐輪6-2轉(zhuǎn)動副連接，第三輔助驅(qū)動桿5-3的一端與第三 擺桿4-3及第三支撐輪6-3轉(zhuǎn)動副連接，第一輔助驅(qū)動桿5-1、第二輔助驅(qū)動桿5-2和第三 輔助驅(qū)動桿5-3的另一端同時與前支架1轉(zhuǎn)動副連接；所述腳操作裝置由后支架2和一組后擺桿機構組成，所述后擺桿機構由后支架2、 第四擺桿4-4、第五擺桿4-5、第六擺桿4-6、三個可伸縮的第四輔助驅(qū)動桿5-4、第五輔助驅(qū) 動桿5-5、第六輔助驅(qū)動桿5-6第四支撐輪6-4、第五支撐輪6-5及第六支撐輪6_6組成，第 四輔助驅(qū)動桿5-4的一端與第四擺桿4-4及第四支撐輪6-4轉(zhuǎn)動副連接，第五輔助驅(qū)動桿 5-5的一端與第五擺桿4-5及第五支撐輪6-5轉(zhuǎn)動副連接，第六輔助驅(qū)動桿5-6的一端與第 六擺桿4-6及第六支撐輪6-6轉(zhuǎn)動副連接，第四輔助驅(qū)動桿5-4、第五輔助驅(qū)動桿5-5和第 六輔助驅(qū)動桿5-6的另一端同時與后支架2轉(zhuǎn)動副連接；前支架1為圓筒形結構，設置在前支架1前端部的三個鉸鏈座與設置在前支架1 后端部的三個鉸鏈座均布前支架1相同徑向圓周上。后支架2為圓筒形結構，設置在后支架 2前端部的三個鉸鏈座與設置在后支架2后端部的三個鉸鏈座均布后支架2相同的徑向圓 周上。第一主驅(qū)動桿3-1、第二主驅(qū)動桿3-2和第三主驅(qū)動桿3-3前端部的鉸鏈座與后端部 的球鉸座均布在前支架1和后支架2相同的徑向圓周上。第一擺桿4-1、第二擺桿4-2和第 三擺桿4-3為三角形結構，其中一個邊的一側(cè)加工兩個連接孔，一個孔與設置在前支架1前 端部的鉸鏈座鉸接，另一個孔與設置在同一個位置的可伸縮輔助驅(qū)動桿和支撐輪鉸接。第 四擺桿4-4、第五擺桿4-5和第六擺桿4-6為三角形結構，其中一個邊的一側(cè)加工兩個連接 孔，一個孔與設置在后支架2后端部的鉸鏈座鉸接，另一個孔與設置在同一個位置的可伸 縮輔助驅(qū)動桿鉸接。危難救援與管道并聯(lián)機器人的3自由度并聯(lián)腰機構可實現(xiàn)手操作裝置整體沿前 進方向3自由擺動和蠕動式伸縮。手操作裝置能通過一組擺桿機構實現(xiàn)機器人前行、向前 抓取、挖掘、清淤和除障等作業(yè)運動。腳操作裝置能通過一組擺桿機構實現(xiàn)機器人前行、錨 定定位、蹬踏、或止逆行作業(yè)。綜合利用3自由度并聯(lián)腰機構、手/腳操作裝置、支撐輪及控 制裝置，可實現(xiàn)該機器人的自動行走、轉(zhuǎn)彎、爬坡、翻轉(zhuǎn)身體等作業(yè)運動。當通過控制系統(tǒng)互 換手/腳操作裝置的功能，可以實現(xiàn)該機器人逆向作業(yè)。它既可以用于外星探險和探測， 地震廢墟和山體滑坡搜索與救援，礦難或隧道坍塌搜索與救援，地面?zhèn)刹?，?zhàn)火等危險場救 援，危險品探測和清除等危險作業(yè)；也可以用于長距離管道穿纜，輸油或排污管道清淤、除 障和探測以及中央空調(diào)其通風管道的清洗等艱難作業(yè)。
權利要求
一種危難救援與管道并聯(lián)機器人，包括一個3自由度并聯(lián)腰機構、一個手操作裝置和一個腳操作裝置，其特征是所述3自由度并聯(lián)腰機構由前支架(1)、后支架(2)、三個可伸縮的第一主驅(qū)動桿(3 1)、第二主驅(qū)動桿(3 2)和第三主驅(qū)動桿(3 3)組成，上述三個主驅(qū)動桿一端與前支架(1)轉(zhuǎn)動副連接，另一端與后支架(2)球鉸連接；所述手操作裝置包括前支架(1)和一組前擺桿機構，所述前擺桿機構由前支架(1)、第一擺桿(4 1)、第二擺桿(4 2)、第三擺桿(4 3)、三個可伸縮的第一輔助驅(qū)動桿(5 1)、第二輔助驅(qū)動桿(5 2)、第三輔助驅(qū)動桿(5 3)、第一支撐輪(6 1)、第二支撐輪(6 2)、第三支撐輪(6 3)組成，第一輔助驅(qū)動桿(5 1)的一端與第一擺桿(4 1)及第一支撐輪(6 1)轉(zhuǎn)動副連接，第二輔助驅(qū)動桿(5 2)的一端與第二擺桿(4 2)及第二支撐輪(6 2)轉(zhuǎn)動副連接，第三輔助驅(qū)動桿(5 3)的一端與第三擺桿(4 3)及第三支撐輪(6 3)轉(zhuǎn)動副連接，第一輔助驅(qū)動桿(5 1)、第二輔助驅(qū)動桿(5 2)和第三輔助驅(qū)動桿(5 3)的另一端同時與前支架(1)轉(zhuǎn)動副連接；所述腳操作裝置由后支架(2)和一組后擺桿機構組成，所述后擺桿機構由后支架(2)、第四擺桿(4 4)、第五擺桿(4 5)、第六擺桿(4 6)、三個可伸縮的第四輔助驅(qū)動桿(5 4)、第五輔助驅(qū)動桿(5 5)、第六輔助驅(qū)動桿(5 6)第四支撐輪(6 4)、第五支撐輪(6 5)及第六支撐輪(6 6)組成，第四輔助驅(qū)動桿(5 4)的一端與第四擺桿(4 4)及第四支撐輪(6 4)轉(zhuǎn)動副連接，第五輔助驅(qū)動桿(5 5)的一端與第五擺桿(4 5)及第五支撐輪(6 5)轉(zhuǎn)動副連接，第六輔助驅(qū)動桿(5 6)的一端與第六擺桿(4 6)及第六支撐輪(6 6)轉(zhuǎn)動副連接，第四輔助驅(qū)動桿(5 4)、第五輔助驅(qū)動桿(5 5)和第六輔助驅(qū)動桿(5 6)的另一端同時與后支架(2)鉸鏈連接。
2.根據(jù)權利要求1所述的危難救援與管道并聯(lián)機器人，其特征是所述前支架(1)為 圓筒形結構，設置在前支架(1)前端部的三個鉸鏈座與設置在前支架(1)后端部的三個鉸 鏈座均布前支架(1)相同的徑向圓周上。
3.根據(jù)權利要求1所述的危難救援與管道并聯(lián)機器人，其特征是所述后支架(2)為 圓筒形結構，設置在后支架(2)前端部的三個鉸鏈座與設置在后支架(2)后端部的三個鉸 鏈座均布后支架(2)相同的徑向圓周上。
4.根據(jù)權利要求1所述的危難救援與管道并聯(lián)機器人，其特征是所述第一主驅(qū)動桿 (3-1)、第二主驅(qū)動桿(3-2)和第三主驅(qū)動桿(3-3)前端部的鉸鏈座與后端部的球鉸座均布 在前支架(1)和后支架(2)相同的徑向圓周上。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種危難救援與管道并聯(lián)機器人。所述機器人包括一個3自由度并聯(lián)腰機構、一個手操作裝置和一個腳操作裝置。本發(fā)明可實現(xiàn)整體沿前進方向3自由擺動和蠕動式伸縮，手操作裝置能通過一組擺桿機構實現(xiàn)機器人前行、向前抓取、挖掘、清淤和除障等作業(yè)。腳操作裝置能通過一組擺桿機構實現(xiàn)機器人前行、錨定定位、蹬踏、或止逆行作業(yè)。綜合利用并聯(lián)腰機構、手與腳操作裝置、支撐輪及控制裝置，可實現(xiàn)該機器人的自動行走、轉(zhuǎn)彎、爬坡、翻轉(zhuǎn)身體等作業(yè)運動。該發(fā)明適合外星探測、軍事偵察、危險品的探測和清除、地震現(xiàn)場救援、輸油及排污直/彎段管道內(nèi)、變直徑和垂直管道內(nèi)進行電纜牽引、清淤和除障等作業(yè)。
文檔編號A62B99/00GK101961870SQ20101025402
公開日2011年2月2日 申請日期2010年8月12日 優(yōu)先權日2010年8月12日
發(fā)明者毛秉毅, 路懿 申請人:燕山大學