本质安全型机器人运动平台的制作方法
【专利摘要】一种本质安全型机器人运动平台，包括机器人机体、行走装置、信号控制系统和动力系统。动力系统包括2个以上电机模块和相应的信号控制装置，其中：每个电机模块由一个电机，一个供电模块和一个信号模块构成。控制模块经隔离器件与信号模块连接，构成信号控制系统。可以改变电机模块的数量和相互之间的位置，来调整动力系统的驱动能力和机器人的形状，且动力系统满足本质安全的要求。动力系统产生的机械力作用于行走系统上，通过行走装置和地面的作用力与反作用力，转换成机器人平台前进或者越障的动力。
【专利说明】本质安全型机器人运动平台
【技术领域】
[0001]本发明属于救援侦查工具领域，具体涉及一种适用于危险爆炸性环境下具有一定机动能力的本质安全型机器人运动平台。
【背景技术】
[0002]在灾难救援，消防排爆等应用场合，所处环境往往充满着易燃易爆气体，液体或粉尘等，因此在这些环境下使用的电气设备，防爆安全性是一个必要的前提。根据国标GB3846《爆炸性环境》，目前的防爆电气设备防爆类型有若干种。其中，国标GB 3846.4所规定的本质安全型“ i ”是电气设备的一种防爆型式，它是通过将设备内部和暴露于潜在爆炸性境的连接导线可能产生的电火花或热效应能量限制在不能点燃的水平实现防爆的。满足本安型要求的电气设备在爆炸性环境下应用时不需要笨重的隔爆外壳，因此体积小，重量轻，便于携带和移动，具有很多优势。
[0003]以本质安全型保护等级“ia”为例，设备要求在最不利的情况下施加故障时，包括短路和断路时，所产生的电火花和热效应能量不能引起点燃。这在实质上是对系统各处的最大电气功率施加了限制。目前，能够满足本质安全型要求的电气设备，其单体功率最大只能做到几瓦到十几瓦。同时，用于给本质安全设备供电的电源也必须满足相同的安全性要求，供电功率收到限制。
[0004]另一方面，用于爆炸性环境下搜索，探测，救灾的机器人平台，除了需要有一定的有效载荷以外。还需要有较强的运动能力，特别是在诸如井下，灾难现场等应用场景下，由于环境复杂，要求机器人平台可以在不平坦的地面上运动。目前，有较强越障能力的机器人产品和样机很多，但这些机器人平台的机动能力都依赖于大功率电机，功率可达几百瓦，明显不符合本质安全型设备的要求。一些机器人采用多台电机，独立驱动的方案，这样虽然可以降低电机的单体功率，但距离满足本质安全型的要求仍然具有相当距离，原因如下:
1.电机单体功率仍然偏大，至少为几十瓦；
2.供电部分仍为集中式或为不彻底的分组独立式，单个电源所输出的功率在施加最不利故障时(包括短路和断路)超过标准要求；
3.为了控制方便，每个电机单元的控制信号是通过总线驱动单元互通的。同时，为了保证信号畅通，电源存在共地。在施加最不利故障时，多单兀的电气功率有可能互相叠加。
[0005]由于上述这些原因，目前的移动机器人平台无法在满足本质安全型的规范要求的同时兼顾较强的运动能力。
【发明内容】
[0006]为了解决本安型设备的最大功率限制和机器人运动能力之间的矛盾，本发明提出一种本质安全型机器人运动平台，在满足本质安全要求的前提下实现运动能力的有效提升。
[0007]本发明的技术方案如下: 一种本质安全型机器人运动平台，包括机器人机体，行走装置，信号控制系统和动力系统；机器人机体用于容纳和安装行走装置、信号控制系统、动力系统并保持行走装置、信号控制系统、动力系统之间相对位置的固定，其特征在于:
所述动力系统包括两个或两个以上电机模块，且各个电机模块之间互相电气隔离，每个电机模块包括一个电机、一个动力系统供电模块；
其中，所述动力系统中的每个供电模块只对其所在的电机模块提供所需电源，电机的输出与对应的行走装置相连，向对应的行走装置提供转矩，通过行走装置和地面的作用力与反作用力，转换成机器人平台前进或者越障的动力；
所述信号控制系统包括信号通路、控制模块、信号控制系统供电模块和信号模块，所述信号模块经隔离器件连接在控制信号通路上，并由信号通路最终与控制模块连接；
信号控制系统中的控制模块通过隔离器件、信号模块、动力系统中电机与动力系统连接起来，所述信号模块接收信号控制系统中的控制模块发送的控制指令控制其所对应的电机的运行。
[0008]本发明还可以改变电机模块的数量和相互之间的位置，来调整动力系统的驱动能力和机器人的形状。当采用的电机模块最大功率一定时，电机模块的数量越多，系统的总功率和驱动能力就越强。动力系统产生的机械力协同作用于行走装置上，通过行走装置和地面的作用，转换成机器人平台前进或者越障的动力。
[0009]为了满足机器人平台整机满足本质安全要求，系统的各个电气电子组件必须满足本质安全型的规范要求。具体来说，在每个电机模块中，供电模块的供电功率被限流器件限制，在供电模块外施加最不利的故障，比如短路或者间歇性断路的情况下，其电流电压特性符合本质安全型要求。每个电机模块中的信号模块通过隔离器件与控制模块连接，因而电气功率不能产生叠加，达到电气隔离的目的。各个电机模块通过分散安装、预留安装空隙、物体隔断等方式实现物理隔离。实现物理隔离和物理隔离的多个电机模块可以看作多个独立设备。在满足本质安全要求的前提下，多个独立设备的总功率相比单个设备有成倍的提高。当这些电机模块组成的动力系统产生的机械力协同作用于行走装置上时，可以使得整机的运动能力成倍提高。此外，机器人平台的信号控制系统中，控制模块及其对应的供电模块满足本质安全要求，每个信号模块的单体满足本质安全要求，由于控制模块和多个信号模块之间使用隔离器件相连接，所以多个信号模块上的电流不会引入信号通路或者控制模块产生叠加，故整个信号控制系统满足本质安全要求。
[0010]由于上述发明方案的应用，带来以下优点:
1.本发明采用分布式电源和动力设计，可以有效实现把电气功率分散到系统各处，避免了在局部产生大电流或高电压，具有高安全性。在控制模块之间和各个电机模块之间采用隔离器件，因而在故障发生时各个电机模块的电气功率不会叠加，符合本质安全的要求。
[0011]2.由于系统中各电机模块之间物理和电气上互相隔离，所以可看作独立设备。设备的数量不受本质安全要求限制。又由于电机模块产生的机械力协同作用于行走装置上，共同驱动机器人本体，因而在各个电机模块符合本质安全要求的前提下，驱动力获得成倍增加，具有较强的运动和越障能力。
【专利附图】
【附图说明】[0012]图1是整个本质安全型机器人运动平台的系统组成示意图；
图2是本质安全型机器人运动平台的信号控制系统的一类的实现方式；
图3是本质安全型机器人运动平台的信号控制系统的另一类的实现方式；
图4是本质安全型机器人运动平台的信号控制系统的另一类的实现方式；
图5是本质安全型机器人运动平台的信号控制系统的另一类的实现方式；
图6是本质安全型机器人运动平台的电机模块的一类的实现方式；
图7是本质安全型机器人运动平台的电机模块的另一类的实现方式；
图8是本质安全型机器人运动平台的电机模块的另一类的实现方式；
图9是本质安全型机器人运动平台的电机模块的另一类的实现方式；
图10是本质安全型机器人运动平台的行走装置的三种实现方式；
图11是本质安全型机器人运动平台的信号控制系统、电机模块、行走装置的一种组合形式；
图12是本质安全型机器人运动平台的信号控制系统、电机模块、行走装置的另一种组合形式；
图13是本质安全型机器人运动平台的信号控制系统、电机模块、行走装置的另一种组合形式；
图14是本质安全型机器人运动平台系统的一种实现方式的结构实物图，从左到右依次为等轴测视图、俯视图；
图15是本质安全型机器人运动平台系统的另一种实现方式的结构实物图，从左到右依次为等轴测视图、俯视图；
图16是本质安全型机器人运动平台系统的另一种实现方式的结构实物图，从左到右依次为等轴测视图、俯视图。
[0013]具体实施方法
以下结合附图所给出的示例，详细说明本发明的【具体实施方式】图1是本申请公开的整个本质安全型机器人运动平台的系统组成示意图，本质安全型机器人运动平台包括机器人机体10，行走装置31，信号控制系统11和动力系统；机器人机体10用于容纳和安装行走装置31、信号控制系统11、动力系统并保持行走装置31、信号控制系统11、动力系统之间相对位置的固定。所述动力系统包括两个或两个以上电机模块21,且各个电机模块之间互相电气隔离,每个电机模块21包括一个电机212、一个动力系统供电模块211 ;其中，所述动力系统中的每个供电模块211只对其所在的电机模块提供所需电源，电机212的输出与对应的行走装置31相连，向对应的行走装置31提供转矩，通过行走装置31和地面的作用力与反作用力，转换成机器人平台前进或者越障的动力。所述信号控制系统11包括信号通路112、控制模块111、信号控制系统供电模块114和信号模块201，所述信号模块201经隔离器件113连接在控制信号通路112上，并由信号通路112最终与控制模块111连接；信号控制系统11中的控制模块111通过隔离器件113、信号模块201、动力系统中电机212与动力系统连接起来，所述信号模块201接收信号控制系统11中的控制模块111发送的控制指令控制其所对应的电机212的运行。其中，所述隔离器件113为阻止来自电机模块21和信号控制系统11电流相互导入的装置或系统，采用的型式包括但不限于光耦合信号通路、磁耦合信号通路、无线耦合通路等。[0014]图2、图3、图4、图5是信号控制系统的数种实现方式。
[0015]在图2实现方式中，以无线装置作为系统的划分，左侧信号通路112、供电模块114、控制模块111、隔离器件113、信号模块201、供电模块211安装于机器人本体内。用信号通路112依次连接控制模块111、隔离器件113、信号模块201 ;用供电模块114对控制模块111、隔离器件113进行供电；供电模块211对信号模块201进行供电。右侧信号通路112、供电模块114、控制模块111置于手持端内。控制模块111通过信号通路112连接信号模块，供电模块114对其进行供电。
[0016]图3的实现方式和图2类似，所不同的是将无线装置用有线的方式来替代。
[0017]图4采用分布式控制，它的实现方式和图2类似，为了减少控制模块111的处理数据负担为其增加了子控制模块，子控制模块受控制模块111控制，将它连接于隔离器件和控制模块之间。
[0018]图5由于采用的了无线耦合方式且控制器本身可以作为信号模块来使用，因此，在此实现方式中无线方式起到了系统组成示意图中的信号通路和隔离器件的作用。在具体实现中，用各个供电模块114对相应的控制模块111供电，右侧模块的实现则和图2的实现相同。
[0019]它们的共同特点是:控制模块111产生控制信号，通过信号通路112传输到信号模块201上，加在控制模块111和信号模块201之间的隔离器件113用于防止信号模块201的电流传输到信号通路112上。在具体实现上，信号通路可以是有线方式，如图3 ;也可以是无线方式，如图2、图4、图5所示。为了控制方便或者方便实现复杂的功能，在控制模块111和信号模块201之间还可以加入若干级控制模块，如图2、图3、图4、图5所示。当信号通路为无线方式时，由于信号通路的无线方式阻断了可能来自信号模块的电流，所以存在着天然的隔离，在这种情况下，隔离器件113可以不作为一个单独部件存在于实际装置中，如图5所示。此外，当存在多级控制模块时，最后一级的控制模块可以直接控制电机，在这种情况下，信号模块201的职能由最后一级控制模块取代，信号模块201也可以不作为一个单独部件存在于实际装置中。
[0020]图6、图7、图8、图9是电机模块的数种实现方式。在图6的实现方式中，将电机212连接至信号模块201。对于信号模块不能满足电机的精确控制时，可以在电机模块中加入控制模块以满足对电机的精确控制或实现复杂的功能，如图7所示。在图7的实现方式中，用信号通路将控制模块和信号模块连201接起来，然后将电机模块连接至控制模块。对于使用无线耦合方式且控制器本身可以作为信号模块来使用，那么可以直接将电机接至控制模块；如图8所示。在图9的实现方式中，信号模块201可以以无线方式来实现，为了实现精确控制或实现复杂的功能还可以加入控制模块；将控制模块连至信号模块201，将电机模块连至控制模块。
[0021]这些实现方式的共同特点是:信号模块201接受控制信号，对电机212进行启动、关闭、改变运行状态等控制。供电模块211为电机212的运转提供电能。输入信号模块201的信号可以是有线方式，如图6、图7、图8所示；也可以为无线方式，如图9所示。在信号模块和电机模块之间，为了精确控制或者方便实现一些功能，也可以加入控制模块，如图7、图8、图9所示。在具体硬件实现上，控制模块可以集成信号模块201的功能，在这种情况下，信号模块201也可以不作为一个单独部件存在于实际装置中，如图8所示。[0022]图10为三种行走装置的实例，分别为圆形常规轮、圆形偏心轮、多叶轮。圆形常规轮常见于一般交通工具，优点是运行平稳、行走效率高。圆形偏心轮虽然也为圆形，但驱动轴偏离圆心，相对于圆形常规轮具有更好的越障能力。多叶轮的轮体形状为多叶型，也具有较好的越障能力。
[0023]图11、图12、图13给出了信号控制系统、电机模块、行走装置的数种组合形式。系统的实物结构图如图14、图15、图16所示。其中，机器人机体10为“口”字形框架结构，行走装置31、信号控制系统11、多个电机模块21都安装于机器人机体10上，多个电机模块之间依靠机体的刚性固定互相保持一定物理距离。每个电机模块21通过减速装置连接一个行走装置31，减速装置产生增强的扭矩，驱动行走装置31旋转，使得机器人平台获得前进和越障的驱动力。
【权利要求】
1.一种本质安全型机器人运动平台，包括机器人机体(10)、行走装置(31)、信号控制系统(11)和动力系统；其中，机器人机体(10)用于容纳和安装行走装置(31)、信号控制系统(11)、动力系统，并用于保持行走装置(31)、信号控制系统(11)、动力系统之间相对位置的固定，其特征在于: 所述动力系统包括两个或两个以上电机模块(21)，且各个电机模块之间互相电气隔离，每个电机模块(21)包括一个电机(212)、一个动力系统供电模块(211); 其中，所述动力系统中的每个供电模块(211)只对其所在的电机模块提供所需电源，电机(212 )的输出与对应的行走装置(31)相连，向对应的行走装置(31)提供转矩，通过行走装置(31)和地面的作用力与反作用力，转换成机器人平台前进或者越障的动力； 所述信号控制系统(11)包括信号通路(112)、控制模块(111)、信号控制系统供电模块(114)和信号模块(201)，所述信号模块(201)经隔离器件(113)连接在控制信号通路(112)上，并由信号通路(112)最终与控制模块(111)连接；所述信号控制系统(11)中供电模块(114)只对控制模块(111)提供所需电源； 信号控制系统(11)中的控制模块(111)通过隔离器件(113)、信号模块(201)、动力系统中电机(212)与动力系统连接起来，所述信号模块(201)接收信号控制系统(11)中的控制模块(111)发送的控制指令控制其所对应的电机(212)的运行。
2.根据权利要求1所述的本质安全型机器人运动平台，其特征在于:所述隔离器件(113)为阻止来自电机模块(21)和信号控制系统(11)电流相互导入的装置或系统。
3.根据权利要求2所述的本质安全型机器人运动平台，其特征在于:所述隔离器件(113)包括但不限于光耦合信号通路、磁耦合信号通路、无线耦合通路等。
4.根据权利要求1所述的本质安全型机器人运动平台，其特征在于:在每个电机模块(21)中，供电模块(211)的供电功率被限流器件限制，在供电模块外施加最不利的故障下，其电流电压特性仍能符合本质安全要求。
5.根据权利要求1所述的本质安全型机器人运动平台，其特征在于:在信号控制系统(11)中，控制模块(111)及其对应的供电模块(114)满足本质安全要求，每个信号模块(201)的单体满足本质安全要求。
6.根据权利要求1所述的本质安全型机器人运动平台，其特征在于: 所述行走装置(31)采用圆形常规轮、圆形偏心轮或多叶轮的型式。
【文档编号】B60L3/00GK103465787SQ201310441919
【公开日】2013年12月25日 申请日期:2013年9月25日 优先权日:2013年9月25日
【发明者】王宇俊, 方灿, 蒋齐密, 李君科, 胡翔, 孙亚芹 申请人:西南大学