專利名稱：一種爬樓梯搜救機器人的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種搜救機器人，特別是關于一種在地震、火災等重大災難以及特殊環境中使用的爬樓梯搜救機器人。
背景技術：
隨著我國城市高層建筑迅速增多，近年來，我國高層建筑火災逐漸呈上升趨勢。以上海為例，2004年高層建筑發生火災239起，與2003年同期相比上升了 50.3%，直接財產損失上升45.9%，這些對防災裝備和救援能力帶來新挑戰。我國消防應急救援裝備能力與高層建筑的快速發展嚴重失衡。消防應急救援裝備的高度限制、機動性差，受周邊環境影響嚴重，已經成為影響高樓有效滅火和救援的致命缺陷。目前的裝備品種單一，作業能力遠遠落后于高層建筑的高度發展。用于消防滅火的裝備主要是消防水罐車，其噴水遠射最大能力目前僅為8層樓高，用于登高救援的裝備主要是消防云梯車，其舉高救援最大能力目前約50米，相當于高層建筑的十五層，對于應對更高的高層建筑火災來說，這些消防應急救援裝備遠遠不夠。而機器人作為一種自動化的機器，所具備一些與人或生物相似的智能能力，如動作能力、感知能力、協同能力和規劃能力等，是一種具有高度靈活性的自動化機器。對適應所執行不同任務和特殊環境的能力，也是機器人與一般自動化裝備的重要區別。越障機器人的研究，對擴展機器人的作業空間，在人不能到達或不便到達的環境中進行作業，具有重要的意義。尤其是在重大災難，如地震、火災中的作用不可小覷。目前已有的爬梯機器人有履帶式結構機器人、輪組式爬樓梯裝置和步行式爬樓梯裝置，但是都存在著一些問題。履帶式結構傳動效率比較高，行走時重心波動很小，運動非常平穩，且使用地形范圍較廣，在一些不規則的樓梯上也能使用。它除了具備爬樓梯功能夕卜，也能作為普通的電動輪椅使用。但是這類裝置仍存在很多不足之處:重量大、運動不夠靈活、爬樓時在樓梯邊緣造成巨大的壓力，對樓梯有一定的損壞；且平地使用所受阻力較大，而且轉彎不方便，這些問題限制了其在日常生活中的推廣使用。輪組式爬樓梯裝置的活動范圍廣，運動靈活，但是上下樓梯時平穩性不高，重心起伏較大，會使乘坐者感到不適。此夕卜，輪組式爬樓梯裝置體積較大，很難在普通住宅樓梯上使用。步行式爬樓梯裝置爬樓時運動平穩，適合不同尺寸的樓梯；但它對控制的要求很高，操作比較復雜，在平地行走時運動幅度不大，動作緩慢。綜上所述，國外在爬樓梯裝置方面的研究已經有一百多年的歷史，成果也較多，但是它們大多結構復雜、造價昂貴，遠遠超出了發展中國家人民的經濟承受能力。國內的研究相對較晚，雖然也誕生了很多專利，但由于受到體積、重量、穩定性及安全性的限制，還沒有產品真正投入使用。由此可見，為了解決移動機器人使用受限的問題，同時考慮到我國使用者的經濟承受能力，需要研究一種價格低廉、功能多樣的爬樓梯裝置。
發明內容針對上 述問題，本實用新型的目的是提供一種適用范圍較廣、結構簡單，成本較低的爬樓梯搜救機器人。為實現上述目的，本實用新型采取以下技術方案:一種爬樓梯搜救機器人，其特征在于:它包括運動機構和控制所述運動機構的控制機構；所述運動機構由四個行星輪組構成，所述四個行星輪組兩兩一組對稱設置在車體底部兩側；每個所述行星輪組均包括一個中心輪、兩個傳動輪、六個傳動齒輪、兩個直流伺服電機、一個輪架和三個輪子；所述中心輪通過轉軸連接在所述輪架的中心位置處，該轉軸的輸出端通過第一個所述傳動輪同軸連接第一個所述直流伺服電機，第一個所述傳動輪與第二個所述傳動輪嚙合后同軸連接第二個所述直流伺服電機；兩個所述直流伺服電機均由所述控制機構控制其工作；在所述輪架的三個支架上，與所述中心輪同側，每個支架上都設置有一對相互嚙合的所述傳動齒輪，且靠近所述輪架中心處的所述傳動齒輪與所述中心輪嚙合，遠離所述輪架中心處的所述傳動齒輪與所述輪子同軸連接。所述控制機構包括主控制器、傳感器擴展模塊、煙霧傳感器、數字溫度傳感器、超聲波測距傳感器、無線CCD視頻模塊、無線數據傳輸模塊和兩個雙路直流電機驅動模塊；所述主控制器通過所述傳感器擴展模塊連接所述煙霧傳感器、數字溫度傳感器和超聲波測距傳感器，與三個傳感器進行信息交互，所述煙霧傳感器、數字溫度傳感器實時傳輸回現場溫度、有害氣體濃度數據，所述超聲波測距傳感器偵測與臺階距離；所述無線CCD視頻模塊將采集到的現場圖像信息傳輸至所述主控制器，所述主控制器通過所述無線數據傳輸模塊將采集到的現場數據傳輸至外部控制設備；同時所述主控制器根據接收到的數據通過所述兩個雙路直流電機驅動模塊控制各所述直流伺服電機工作。兩個所述雙路直流電機驅動模塊均采用LGS公司的大功率雙路直流電機驅動芯片 L298N。所述數字溫度傳感器采用美國DALLAS公司生產的型號為DS18B20的數字溫度傳 感器。所述煙霧傳感器采用型號為DFR0049的模擬氣體傳感器。本實用新型由于采取以上技術方案，其具有以下優點:1、本實用新型由于采用四個行星輪組構成，每個行星輪組由三個結構相同的輪子均布在輪架上，使得參與嚙合的齒數增多，達到運動平穩、抵抗沖擊和振動的能力較強的目的，也使得搜救工作穩定可靠，適用范圍較廣。2、本實用新型由于采用由控制機構控制運動機構工作，控制機構由主控制器、傳感器擴展模塊、煙霧傳感器、數字溫度傳感器、超聲波測距傳感器、無線CCD視頻模塊、無線數據傳輸模塊和雙路直流電機驅動模塊構成，由各傳感器采集救援現場各種數據信息，進而通過主控制器控制雙路直流電機驅動模塊工作，實現直流伺服電機正反轉等功能，并通過無線數據傳輸模塊實現遠程無線控制，其結構簡單、成本較低。3、本實用新型由于采用行星齒輪傳動，其與普通齒輪傳動相比較，具有輸入軸與輸出軸具有同軸性、體積小、質量小，結構緊湊，承載能力大、傳動效率高、傳動比較大、運動平穩、抗沖擊和振動的能力較強等優點。4、本實用新型由于采用在輪架的均布三對傳動齒輪，這樣可以借由中心太陽輪公轉與自轉的切換改變每個行星輪組行進時的力矩:平地行走時，中心太陽輪轉動，通過傳動齒輪傳動使得每個行星輪組接觸地面的兩個輪子旋轉并與地面摩擦以提供前進動力，此時的行進力矩只有輪子的半徑大小；上樓梯時，中心太陽輪鎖死，通過輪架的轉動帶動整個行星輪組完成公轉完成上樓動作，此時的行進力矩擴大到行星輪架的半徑大小。增大的力矩是使得搜救機器人能夠完成上下樓梯動作的根本保障。本實用新型可以廣泛在各種待救援或特殊環境中應用。

圖1是本實用新型的整體結構示意圖；圖2是本實用新型的運動機構結構示意圖；圖3是本實用新型的行星輪組結構示意圖；圖4是本實用新型的一個行星輪組與直流伺服電機連接示意圖；圖5 Ca)是本實用新型的行星輪組在前進、爬樓時的前進運行示意圖，圖5 (b)是本實用新型的行星輪組在前進、爬樓時的爬樓時運行示意圖。
具體實施方式
以下結合附圖和實施例對本實用新型進行詳細的描述。如圖1所示，本實用新型包括運動機構10和控制運動機構10的控制機構20。如圖2 圖4所示，運動機構10由四個行星輪組11構成，四個行星輪組11兩兩一組對稱設置在車體底部兩側。每個行星輪組11均包括一個中心輪12、兩個傳動輪13、六個傳動齒輪14、兩個直流伺服電機Ml和M2、一個輪架15和三個輪子16。中心輪12通過轉軸連接在輪架15的中心位置處，該轉軸的輸出端通過第一個傳動輪13同軸連接一個直流伺服電機Ml,第一個傳動輪13與第 二個傳動輪13哨合后同軸連接另一個直流伺服電機M2 ;兩個直流伺服電機Ml和M2均由控制機構20控制其工作。在輪架15的三個支架上，與中心輪12同側，每個支架上都設置有一對相互嚙合的傳動齒輪14，且靠近輪架15中心處的傳動齒輪14與中心輪12嚙合，遠離輪架15中心處的傳動齒輪14與輪子16同軸連接。如圖1所示，控制機構20包括主控制器21、傳感器擴展模塊22、煙霧傳感器23、數字溫度傳感器24、超聲波測距傳感器25、無線CCD視頻模塊26、無線數據傳輸模塊27和兩個雙路直流電機驅動模塊L1、L2。主控制器21通過傳感器擴展模塊22連接煙霧傳感器23、數字溫度傳感器24和超聲波測距傳感器25，與三個傳感器進行信息交互，通過煙霧傳感器23、數字溫度傳感器24實時傳輸回現場溫度、有害氣體(煙霧、甲烷)濃度等數據，作為救援人員進入災難現場的參考數據；同時，通過超聲波測距傳感器25實現偵測與臺階距離，實現平地模式與上樓模式的自動切換。無線CCD視頻模塊26通過無線將采集到的現場圖像信息傳輸至主控制器21，主控制器21通過無線數據傳輸模塊27將采集到的現場圖像信息及現場溫度、有害氣體濃度等數據傳輸至外部控制設備，實現無線控制。主控制器21根據接收到的數據通過兩個雙路直流電機驅動模塊L1、L2控制直流伺服電機Ml或M2工作。每個雙路直流電機驅動模塊LI或L2都直接驅動兩個直流伺服電機Ml、M2，通過主控制器21實現直流伺服電機Ml或M2正反轉等功能，構成實際救援任務時所需要的上下樓梯運動、平地運動、前進、后退、左轉、右轉、原地左轉、原地右轉和停止等各種動作。上述實施例中，兩個雙路直流電機驅動模塊L1、L2均采用LGS公司的大功率雙路直流電機驅動芯片L298N，其驅動電流達2A，電機輸出端采用高速肖特基二極管作為保護。上述各實施例中，數字溫度傳感器24采用型號為DS18B20的數字溫度傳感器，該DS18B20是美國DALLAS公司生產的一總線數字溫度傳感器，其測溫范圍為一 55°C +125°C，固有測溫分辨率為0.5°C，支持多點組網功能，多個DS18B20可以并聯在唯一的三線上，實現多點測溫，測量結果以9 12位數字量方式串行傳送。上述各實施例中，煙霧傳感器23采用型號為DFR0049的模擬氣體傳感器，可以很靈敏的檢測到空氣中的煙霧以及甲烷氣體，方便實現災難現場有毒氣體的實時監測反饋，以及超過一定閾值的報警功能。上述各實施例中，超聲波測距傳感器25采用型號為SEN0001超聲波測距傳感器，其采用工業級高性能AVR單片機作處理器，具有溫度校正和軟件補償，板載232接口可直接與PC串口相連，自帶一路舵機控制端，提供PC機串口上位機配置軟件，控制便捷，同時具有RS232和TTL串口、PWM輸出、開關量輸出，可與任何一款單片機連接使用。綜上所述，本實用新型在使用時，如圖4所示，直流伺服電機Ml正轉時，驅動行星輪組11的中心輪12正轉，通過傳動齒輪14驅動輪子16正轉；直流伺服電機M2反轉時，通過傳動輪13傳動驅動整個行星輪組11所在的輪架15正轉，實現增大行進力矩的目的。而且本實用新型在每個輪架15上均布三對傳動齒輪14，這樣可以借由中心輪12公轉與自轉的切換改變每個行星輪組11行進時的力矩:平地行走時，中心輪12轉動，通過傳動齒輪14傳動使得每個行星輪組11接觸地面的兩個輪子16旋轉并與地面摩擦以提供前進動力，此時的行進力矩只有輪子16的半徑大小(如圖5 (a)所示)；上樓梯時，中心輪12鎖死，通過輪架15的轉動帶動整個行星輪組11完成公轉完成上樓動作，此時的行進力矩擴大到輪架15的半徑大小(如圖5 (b)所示)。增大的力矩是使得搜救機器人能夠完成上下樓梯動作的根本保障。上述各實施例僅用于說明本實用新型，各部件的連接和結構都是可以有所變化的，在本實用新型技術方案的基礎上，凡根據本實用新型原理對個別部件的連接和結構進行的改進和等同變換，均不應排除在本實用新 型的保護范圍之外。
權利要求1.一種爬樓梯搜救機器人，其特征在于:它包括運動機構和控制所述運動機構的控制機構； 所述運動機構由四個行星輪組構成，所述四個行星輪組兩兩一組對稱設置在車體底部兩側；每個所述行星輪組均包括一個中心輪、兩個傳動輪、六個傳動齒輪、兩個直流伺服電機、一個輪架和三個輪子；所述中心輪通過轉軸連接在所述輪架的中心位置處，該轉軸的輸出端通過第一個所述傳動輪同軸連接第一個所述直流伺服電機，第一個所述傳動輪與第二個所述傳動輪嚙合后同軸連接第二個所述直流伺服電機；兩個所述直流伺服電機均由所述控制機構控制其工作；在所述輪架的三個支架上，與所述中心輪同側，每個支架上都設置有一對相互嚙合的所述傳動齒輪，且靠近所述輪架中心處的所述傳動齒輪與所述中心輪嚙合，遠離所述輪架中心處的所述傳動齒輪與所述輪子同軸連接。
2.如權利要求1所述的一種爬樓梯搜救機器人，其特征在于:所述控制機構包括主控制器、傳感器擴展模塊、煙霧傳感器、數字溫度傳感器、超聲波測距傳感器、無線CCD視頻模塊、無線數據傳輸模塊和兩個雙路直流電機驅動模塊；所述主控制器通過所述傳感器擴展模塊連接所述煙霧傳感器、數字溫度傳感器和超聲波測距傳感器，與三個傳感器進行信息交互，所述煙霧傳感器、數字溫度傳感器實時傳輸回現場溫度、有害氣體濃度數據，所述超聲波測距傳感器偵測與臺階距離；所述無線CCD視頻模塊將采集到的現場圖像信息傳輸至所述主控制器，所述主控制器通過所述無線數據傳輸模塊將采集到的現場數據傳輸至外部控制設備；同時所述主控制器根據接收到的數據通過所述兩個雙路直流電機驅動模塊控制各所述直流伺服電機工作。
3.如權利要求2所述的一種爬樓梯搜救機器人，其特征在于:兩個所述雙路直流電機驅動模塊均采用LGS公司的大功率雙路直流電機驅動芯片L298N。
4.如權利要求2所述的一種爬樓梯搜救機器人，其特征在于:所述數字溫度傳感器采用美國DALLAS公司生產的型號為DS18B20的數字溫度傳感器。
5.如權利要求2所述的一種爬樓梯搜救機器人，其特征在于:所述煙霧傳感器采用型號為DFR0049的模擬氣體·傳感器。
專利摘要本實用新型涉及一種爬樓梯搜救機器人，它包括運動機構和控制機構；運動機構由四個行星輪組構成，四個行星輪組兩兩一組對稱設置在車體底部兩側；每個行星輪組均包括一個中心輪、兩個傳動輪、六個傳動齒輪、兩個直流伺服電機、一個輪架和三個輪子；中心輪通過轉軸連接在輪架的中心位置處，該轉軸的輸出端通過第一個傳動輪同軸連接第一個直流伺服電機，第一個傳動輪與第二個傳動輪嚙合后同軸連接第二個直流伺服電機；兩個直流伺服電機均由控制機構控制其工作；在輪架的三個支架上，與中心輪同側，每個支架上都設置有一對相互嚙合的傳動齒輪，且靠近輪架中心處的傳動齒輪與中心輪嚙合，遠離輪架中心處的傳動齒輪與輪子同軸連接。本實用新型可以廣泛在各種待救援或特殊環境中應用。
文檔編號B62D61/10GK203094223SQ201320057140
公開日2013年7月31日 申請日期2013年1月31日 優先權日2013年1月31日
發明者王紅軍, 左云波, 王鵬清, 郭欣沛 申請人:北京信息科技大學