一种基于气压驱动的柔性深井救援机器人的制作方法

本发明涉及一种深井救援机器人，具体涉及一种基于气压驱动的柔性深井救援机器人。

背景技术：

目前对于深井救援来说，由于其操作空间狭小，大型救援设备无法从井口进入，因而目前的救援办法是采用大型钻机和挖掘机械开挖井边土地的救援办法，但是这种办法的成本极高，并且一旦被困者位于地下深处，则无法定位被困者的位置，极易导致挖掘错位，甚至伤害被困者。

技术实现要素：

本发明为克服现有技术不足，提供一种基于气压驱动的柔性深井救援机器人，该机器人适应性和灵活性好，便于在狭小空间的深井下救援操作。

本发明的技术方案是：

一种基于气压驱动的柔性深井救援机器人包括上部控制平台、柔性臂、连接杆、夹持装置和充气救援装置；上部控制平台的底部与充气救援装置之间布置有与二者连接的多根连接杆，所述充气救援装置环形中空结构，位于多根连接杆围成的环形空间内，上部控制平台的底部沿周向连接有具有摆动和上下伸缩运动的多个柔性臂，柔性臂的下端连接有用于夹持衣物的夹持装置；所述夹持装置置于所述充气救援装置的中空处，充气救援装置上固接有能充气包覆人体的双层柔性充气袋，至少一根连接杆为空心结构，所述空心的连接杆两端分别与双层柔性充气袋及地面上气源密封连接。

进一步地，夹持装置包括连接盘、连接架、动力机构、传动机构和摩擦轮；连接架上安装有与所述柔性臂连接的连接盘，连接架上还安装有动力机构和齿轮传动机构，传动机构由动力机构驱动，传动机构的输出端驱动有至少一对摩擦轮，每对摩擦轮间隔布置且旋向相反。

更进一步地，传动机构为蜗轮蜗杆减速机，蜗轮蜗杆减速机的输出端与转动安装在连接架上的主齿轮连接，所述摩擦轮为包覆有橡胶套的摩擦轮。

进一步地，传动机构包括两个齿轮一、两个齿轮二、两个齿轮三和两个齿轮四；两个齿轮一、两个齿轮二、两个齿轮三和两个齿轮四分别转动安装在连接架上，主齿轮与其中一个齿轮一啮合，所述其中一个齿轮一与其中一个齿轮二啮合，所述其中一个齿轮二与其中一个齿轮三啮合，所述其中一个齿轮三与其中一个齿轮四啮合，两个齿轮二啮合，另一个齿轮一与另一个齿轮二啮合，另一个齿轮三分别与所述另一个齿轮二和另一个齿轮四啮合，每个齿轮四的齿轮轴两端各安装有一个摩擦轮，位于齿轮四同一侧面的两个摩擦轮正对设置。

进一步地，充气救援装置包括内环、中环和外环；内环外周侧面加工有外螺纹，中环内外周侧面上分别加工有内螺纹和外螺纹，外环的内周侧面加工有内螺纹，中环旋钮在内环上，外环旋钮在中环上,双层柔性充气袋的外层被夹紧在外环与中环的接触连接处，双层柔性充气袋的内层被夹紧在中环与内环的接触连接处，中环上加工气道，该气道与空心的连接杆及双层柔性充气袋贯通，所述摩擦轮置于内环中空处。

进一步地，每个所述柔性臂包括波纹管、波纹管支撑架、两个连接法兰和三条钢丝绳；两个连接法兰之间布置有与二者连接的波纹管，其中一个连接法兰与上部控制平台连接，另一个连接法兰与连接盘固接，波纹管支撑架镶嵌在波纹管的凹槽中，波纹管支撑架及所述其中一个连接法兰上沿周向布置有三组轴向边缘孔，每组轴向边缘孔内穿设有一条钢丝绳，每条钢丝绳的一端被上部控制平台内的控制组件固定，每条钢丝绳的另一端固接在所述另一个连接法兰上，钢丝绳由上部控制平台内的控制组件控制伸缩。

本发明相比现有技术的有益效果是

本发明整个机器人是通过绳索与外界相连，可以深入井下，并自身固定在井下，适合深井下的救援操作。本发明申请大大减少了刚性机构，采用了柔性臂和钢丝绳驱动，增加了装置的灵活性和适应性，适合在狭小空间的救援操作。

附图说明

图1为本发明整体结构示意图；

图2为夹持装置的结构立体图；

图3为去掉连接盘和齿轮传动机构的夹持装置的结构示意图；

图4为夹持装置中动力机构和齿轮传动机构布置关系图；

图5为去掉连接盘的夹持装置的结构示意图；

图6为上部控制平台的结构示意图；

图7为中座仓内布置有控制阀和电源的示意图；

图8为底座仓内布置有电机的结构示意图；

图9为柔性臂的结构示意图；

图10为充气救援装置的示意图；

图11为充气救援装置的剖视图；

图12为充气救援装置k处剖视图；

图13为充气救援装置c处剖视图；

图14为底座仓底部布置有照明灯和摄像头的示意图。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

参见图1所示，一种基于气压驱动的柔性深井救援机器人，包括上部控制平台1、柔性臂2、连接杆3、夹持装置4和充气救援装置5；

上部控制平台1的底部与充气救援装置5之间布置有与二者连接的多根连接杆3，所述充气救援装置5环形中空结构，位于多根连接杆3围成的环形空间内，上部控制平台1的底部沿周向连接有具有摆动和上下伸缩运动的多个柔性臂2，柔性臂2的下端连接有用于夹持衣物的夹持装置4；所述夹持装置4置于所述充气救援装置5的中空处，充气救援装置5上固接有能充气包覆人体的双层柔性充气袋6，至少一根连接杆3为空心结构，所述空心的连接杆3两端分别与双层柔性充气袋6及地面上气源密封连接。上部控制平台1顶部连接井上的绳索控制整个平台升降。

参见图2-图5所示，为了确保夹持装置设计合理，适合一定的场合和人群，夹持装置4包括连接盘40、连接架41、动力机构42、传动机构43和摩擦轮44；连接架41上安装有与所述柔性臂2连接的连接盘40，连接架41上还安装有动力机构42和齿轮传动机构43，传动机构43由动力机构42驱动，传动机构43的输出端驱动有至少一对摩擦轮44，每对摩擦轮44间隔布置且旋向相反。

通常，传动机构43为蜗轮蜗杆减速机，蜗轮蜗杆减速机的输出端与转动安装在连接架41上的主齿轮431连接，通常，所述摩擦轮44为包覆有橡胶套的摩擦轮。橡胶套可以提供较大的摩擦力。为了提供传动的可靠性，提高轴系动态性能，蜗轮蜗杆减速机的输出轴通过联轴器与主齿轮431连接。使主齿轮431能随着蜗轮蜗杆减速机的传动而转动。

参见图4所示，所述传动机构43包括两个齿轮一434、两个齿轮二435、两个齿轮三436和两个齿轮四437；两个齿轮一434、两个齿轮二435、两个齿轮三436和两个齿轮四437分别转动安装在连接架41上，主齿轮431与其中一个齿轮一434啮合，所述其中一个齿轮一434与其中一个齿轮二435啮合，所述其中一个齿轮二435与其中一个齿轮三436啮合，所述其中一个齿轮三436与其中一个齿轮四437啮合，两个齿轮二435啮合，另一个齿轮一434与另一个齿轮二435啮合，另一个齿轮三436分别与所述另一个齿轮二435和另一个齿轮四437啮合，每个齿轮四437的齿轮轴两端各安装有一个摩擦轮44，位于齿轮四437同一侧面的两个摩擦轮44正对设置。齿轮传动还具有结构紧凑，传动比范围大的工况。上述实施方式中，主齿轮431、齿轮二435、齿轮三436和齿轮四437均采用直齿轮。较佳地，采用齿轮一434的模数为1.5的直齿轮。

参见图10-图13所示，所述充气救援装置5包括内环51、中环52和外环53；内环51外周侧面加工有外螺纹，中环52内外周侧面上分别加工有内螺纹和外螺纹，外环53的内周侧面加工有内螺纹，中环52旋钮在内环51上，外环53旋钮在中环52上,双层柔性充气袋6的外层被夹紧在外环53与中环52的接触连接处b，双层柔性充气袋6的内层被夹紧在中环52与内环51的接触连接处d，中环52上加工气道521，该气道521与空心的连接杆3及双层柔性充气袋6贯通，所述摩擦轮44置于内环51中空处。外环51和内环53均由整体的螺纹与中环52进行连接，连接部分将下部的双层柔性充气袋6与密封圈压入中环的凹槽内。充气救援装置5在井下通过一个连接法兰与充气口充气，双层柔性充气袋6选用塑料充气袋，充气部分会包裹住小孩的大部分身体，在较高气压的状态下利用塑料与小孩的摩擦将小孩从井下救出。双层柔性充气袋6与小孩缓慢接触并能适应大多数情况，平稳有效并且不会对小孩造成二次伤害。

参见图5所示，上述实施方式中，作为一种改进的方案，每个所述柔性臂2包括波纹管22、波纹管支撑架23、两个连接法兰25和三条钢丝绳24；

两个连接法兰25之间布置有与二者连接的波纹管22，其中一个连接法兰25与上部控制平台1连接，另一个连接法兰25与连接盘40固接，波纹管支撑架23镶嵌在波纹管22的凹槽中，波纹管支撑架23及所述其中一个连接法兰25上沿周向布置有三组轴向边缘孔，每组轴向边缘孔内穿设有一条钢丝绳24，每条钢丝绳24的一端被上部控制平台1内的控制组件固定，每条钢丝绳24的另一端固接在所述另一个连接法兰25上，钢丝绳24由上部控制平台1内的控制组件控制伸缩。如此设置，钢丝绳24的动作带动柔性臂2作摆动和上下伸缩运动，实现五个自由度的位姿调整。

较佳地，波纹管支撑架23设计为7个，每个波纹管支撑架23独立布置在波纹管22对应的凹槽中，也即，波纹管22上的凹槽的数量与波纹管支撑架23的数量相一致。波纹管支撑架23为带有支耳的环形盘，支耳上开设穿设钢丝绳的边缘孔，环形盘通过过盈配合镶嵌在波纹管22的凹槽中。

较佳地，参见图3和图4所示，所述上部控制平台1包含布置控制组件的控制仓，所述控制组件包含控制阀16、电源17和电机18；控制仓内布置有电机18及给电机18供电的电源17，电机18的数量与钢丝绳24的数量相一致且一一对应设置，每个电机18的输出轴固接一个带有轮槽的轮盘，钢丝绳24的一端固定在轮槽的固定孔上，钢丝绳24绕在轮槽上，空心管与地面上气源连接的管道上设置有控制阀16，所述控制阀16为电动控制阀，由电源17供电。通过电机18输出转动，控制三根钢丝绳的收缩、达到柔性臂2在空间上下运动及随意摆动目的。

参见图6-图8所示，作为上述方案的进一步限定，控制仓包括上盖12、中座仓13和底座仓14；上盖12、中座仓13和底座仓14三者由上至下堆叠布置连接在一起；控制阀16和电源17布置在中座仓13内底部，电机18布置在底座仓14内底部，底座仓14底部与中环52之间布置有与二者固接的多根连接杆3，空心的连接杆3与气道521连接。如此设置，将控制组件分别布置在不同的仓内，结构紧凑，拆装方便。

参见图6所示，上盖12、中座仓13和底座仓14三者由上至下堆叠布置并穿设有带有吊环的长杆26，带有吊环的长杆26的下端通过螺母固定在所述底座14上，所述吊环固定在上盖12的上部。作为进一步的限定方案，带有吊环的长杆11采用八根，带有吊环的长杆11分别穿过上盖12、中座仓13和底座仓14，下部通过八个与吊杆下端螺纹配合的螺母将上盖12、中座仓13及底座仓14固定，整个上部控制平台1由八根长杆11连接到一起，所述吊环连接井上的绳索控制整个上部控制平台1的升降。

参见图14所示，为了保证对救援目标准确快速，救援过程运行安全可靠，上部控制平台1还包括摄像头10和两个照明灯19；底座14的底部安装有摄像头10和两个照明灯19，两个照明灯19布置在摄像头10两侧，摄像头10和照明灯19由电源17供电。摄像头10以拍摄监控井下状况。两个照明灯19均布在底座仓14底部，用以照亮井下漆黑环境。为了实现运行可靠稳定，在中座仓13内底部布置有与外界中控机相连的实现信号传输通讯的线路板15，线路板15控制电机18、控制阀16、摄像头10以及蜗轮蜗杆减速机的动作及信号反馈。

工作原理：本发明机器人将电机驱动的柔性臂2、衣物的夹持装置4、充气救援装置5组合在一个系统中，有效利用各个子系统的优势互补，形成一套有效的深井救援设备。救援时，首先将整个机器人设备沿井口放入井中，上部控制平台1通过吊环与地面相连，当设备到达救援的指定井段时，上部控制平台1停止运动，或与四周井壁卡住，固定上部控制平台1。进而控制柔性臂2达到合适的位置，控制末端的夹持装置4的摩擦轮44夹持被困者衣物，适当提拉被困者，让被困者达到竖立的姿态。然后，给充气救援装置5打气，双层柔性充气袋6包裹住被困者并夹紧被困者。提拉吊环，将整个机器人和被困者一并提来上来，然后释放摩擦轮44释放被夹持的衣物，并泄掉双层柔性充气袋6内气体，使得被困者从夹紧状态释放，如此完成井下救援。

本发明已以较佳实施案例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可以利用上述揭示的结构及技术内容做出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施案例，但是凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施案例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案范围。