CN110653783A - 一种火灾救援机器人 - Google Patents

Abstract

一种火灾救援机器人，包括上位机控制单元和装置本体，装置本体包括底盘、机械臂、灭火装置和电气控制部分、机械臂活动设置在底盘上方；底盘内设置有动力机构，用以驱动底盘左右两侧对应设置的移动组件；灭火装置分别设置在底盘和机械臂上；电气控制部分设置在底盘上，分别与机械臂、灭火装置和动力机构电连接。采用了多种传感技术、自动控制技术、计算机技术、机电一体化技术、精密机械设计技术等。实现了火点预警、侦察火场、火场灭火、火场救援、障碍清除等功能，提高了灭火效率，保护了人民生命财产安全。

Description

一种火灾救援机器人

技术领域

本发明涉及消防领域火灾救援装置，尤其涉及一种火灾救援机器人，属于消防技术领域。

背景技术

随着国内大型仓储的发展,火灾成为目前威胁仓储安全的主要危害。目前仓储等公共区域消防措施主要采用安装消防水管、火灾报警设备、消防水带、自动喷水灭火设备等,其中消防水管必须由人工操作铺设，将消防水管铺向火灾现场,火警报警设备主要也是向消防管理部门报备火情,自动喷水灭火设备虽然喷水灭火能够实现全自动化但是其喷淋区域比较固定，相对区域以外的火情难以起到灭火的作用;目前机器人在各个领域应用都极为广泛,因此在消防领域研制适用于国内大型仓库消防巡逻灭火，具有自主探温、实时监控火灾、火情、自动报警、自主行走、灭火等功能的机器人也是非常有必要的。

发明内容

本发明目的就是针对现有技术的不足，提供一种火灾救援机器人，能够解决现有仓库火灾预警机器人无法超早期预警火情、报警后无法采取灭火措施的问题，其技术方案如下：

一种火灾救援机器人，包括上位机控制单元和装置本体，装置本体包括底盘、机械臂、灭火装置和电气控制部分、机械臂活动设置在底盘上方；底盘内设置有动力机构，用以驱动底盘左右两侧对应设置的移动组件；灭火装置分别设置在底盘和机械臂上；电气控制部分设置在底盘上，分别与机械臂、灭火装置和动力机构电连接。

底盘上部覆盖有防火罩壳，防火罩壳的上方固定有安装座，安装座上设置有机械臂，底盘下部与移动组件连接处设置有弹簧悬挂。

防火罩壳为金属制成,其表面涂覆有防火隔热材料,防火罩壳与底盘可拆卸连接。

所述移动组件为前后两组，每组移动组件由两个驱动电机驱动。

动力机构为驱动电机，所述移动组件包括驱动轮、导向轮和抓地履带，驱动电机输出轴与驱动轮连接，抓地履带围绕驱动轮和导向轮啮合连接组成柔性链环，由驱动轮驱动。

抓地履带的外侧可拆卸设置有抓地凸块

驱动轮的外侧设置有啮合齿与抓地履带凹槽啮合连接机械臂包括第一摆臂、第二摆臂和机械抓手，第一摆臂的端部铰接设置有第二摆臂,第一摆臂和第二摆臂各自具有摆动驱动机构,第二摆臂的末端设置有俯仰摆块，俯仰摆块的末端与旋转座连接，旋转座通过支撑座转动连接机械抓手。

机械抓手为夹子结构，包括俯仰摆块、旋转座、支撑座、夹抱电机、夹抱臂、外侧齿轮和夹抱板，俯仰摆块的前端连接有旋转座,旋转座的前端转动设置有支撑座,支撑座的中部固定有夹抱电机,夹抱电机的输出轴贯穿支撑座两侧分别与外侧齿轮传动连接,外侧齿轮的分别与两个咬合轮啮合连接；两个咬合轮的外侧分别设置有夹抱臂，夹抱臂的前端与夹抱板传动连接。

灭火装置包括二位二通常闭电磁阀、高压纹波管和灭火剂钢瓶，所述灭火剂钢瓶设置在底盘内部，并通过高压纹波管连接到机械臂末端，二位二通常闭电磁阀设置在高压纹波管上。

电气控制部分包括STM32主控、摄像头、可燃气体传感器、温湿度传感器、火焰传感器、人体红外传感器、GSM通信模块和光电循迹传感器。

温湿度传感器用于探测周围环境温湿度，通过综合评价模型判断以实现机器人的超早期火灾预警。

可燃气体浓度传感器用于探测周围可燃气体浓度，通过综合评价模型判断以实现机器人的超早期火灾预警。

火焰传感器以扇形排列设于机器人前端，用于探测火场火焰，提高灭火效率。

人体红外传感器设于机器人前端，用于检测屋内是否有幸存者,使搜救人员可以及时对遇难者进行救援。

底盘的前端设置有光电循迹传感器和摄像机, 光电循迹传感器和摄像机与控制机构电连接, 光电循迹传感器感应障碍物,摄像机拍摄路面状况。

GSM通信模块包括SIM900A处理器，支持 RS232 串口和 LVTTL 串口，并带硬件流控制，支持 5V~24V 的超宽工作范围，以低功耗实现语音、 SMS（短信、彩信）、 数据和传真信息的传输。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、机器人底盘由铝合金打造，硬度大且质轻，可以承担搭载设备的重量，以适应工作强度。底盘置有弹簧悬挂装置可以实现移动机构前后浮动35°，根据爬坡越障的角度调整机器人的平衡。底盘结构为前后两组抓地履带，并用四个全金属减速驱动电机独立驱动，提升机器人载重、越障、爬楼能力。

2、机械臂由六个高精度数字电机构成，在第二摆臂的末端设置有机械抓手能精准完成收缩、伸展，抓取转移危险品等动，从而提高灭火效率。

3、设置了温湿度传感器和可燃气体传感器，通过综合评价模型对其探测结果进行判断，可实现对火灾发生可能性的判定并以此发出相应的预警信号。

4、利用光电循迹传感器完成对路线的判断，实现机器人在仓库内自动巡逻。同时采用五路火焰复眼传感器完成对火情的探测。当检测到火源时，机器人停止当前路线的巡逻，并向火源方向前进；同时主控控制GSM 模块向预设的手机号码发送报警短信并拨打电话达到及时报警的目的。

5、可以切换操控模式。通过WiFi和控制通信协议，实现机器人自动巡检切换至手动控制。通过控制移动机构、机械臂和灭火机构，完成对火源精确灭火和转移危险化学品，实现火灾前期处理功能。

6、设置了人体红外探测装置,由于在火灾现场烟雾浓重,摄像头难以观察火灾现场是否还有遇难者,而人体红外探测装置可通过红外线检测屋内是否有幸存者,使搜救人员可以及时对遇难者进行救援。

7、采用了多种传感技术、自动控制技术、计算机技术、机电一体化技术、精密机械设计技术等。实现了火点预警、侦察火场、火场灭火、火场救援、障碍清除等功能，提高了灭火效率，保护了人民生命财产安全。

附图说明

图1为整体结构侧视图；

图2为整体结构主视图；

图3为整体结构俯视图；

图4为机械臂的结构示意图；

图5为底盘的结构示意图；

图6为驱动轮的结构示意图；

图7为导向轮和支重轮的结构示意图；

图中：1、机械臂，2、机械抓手，3、底盘，4、驱动轮，5、导向轮，6、抓地履带，7、STM32主控，8、摄像头，9、二位二通常闭电磁阀，10、可燃气体传感器，11、温湿度传感器，12、火焰传感器，13、人体红外传感器，14、光电循迹传感器，15、灭火剂钢瓶，16、电池，17、GSM通信模块，18、俯仰摆块，19、旋转座，20、支撑座，21、夹抱电机，22、夹抱臂，23、外侧齿轮，24、电机，25、驱动轴固定件，26、支重轮，27、啮合齿，28、驱动轴，29夹抱板。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。

实施例1

使用一种火灾救援机器人进行自主火灾监测和灭火的过程如下：

机器人在上电后进行的程序步骤可分为初始化阶段，超早期预警模式，火灾报警模式，灭火模式。初始化阶段机器人会初始化所有传感器程序，如温湿度传感器11、可燃气体传感器10、火焰探测传感器12、光电循迹传感器14、人体红外传感器13、GSM通信模块17、摄像头8等。

完成初始化后，机器人进入超早期预警模式。在超早期预警模式中，机器人光电循迹传感器14沿着地面上设定好的路线巡逻, 同时可燃气体传感器10和温湿度传感器11会对周围环境中温湿度、可燃气体浓度进行实时监测。若检测结果经过综合评价模型评估后为可能起火或很可能起火，机器人通过GSM通信17模块报警并发送给上位机控制单元，通知消防安全监督管理人员。处理完毕异常后，机器人会恢复自动巡检工作。

当火焰传感器12检测到火情的时候，将反馈信号发送给机器人的STM32主控7,机器人进入火灾报警模式。STM32主控7控制动力机构驱动移动组件，停止当前路线的巡逻，向火源方向前进。同时通过 GSM 通信模块17告知仓库消防安全监督人员。

在火灾报警模式结束后，机器人进入灭火模式。消防员可通过摄像头8传送的图像第一时间了解现场情况，控制机器人快速移动到着火点，调整机械臂1姿态和角度，使喷口对准着火点，并打开二位二通常闭电磁阀9将灭火剂喷出，对着火点进行灭火，由此一个巡逻灭火的完整过程结束。

实施例2

机器人底盘3包括驱动轮4，导向轮5，抓地履带6，驱动电机24，驱动轴固定件25和支重轮26。所述驱动电机24的输出轴与驱动轴28连接，抓地履带6围绕驱动轮4、支重轮26和导向轮5啮合连接组成柔性链环，由驱动轮4驱动。机器人底盘3由铝合金打造，硬度大且质轻，可以承担搭载设备的重量，以适应工作强度。底盘3可以前后浮动35°，可根据爬坡越障的角度调整机器人的平衡。底盘3设置有前后两组抓地履带6，并用四个全金属减速驱动电机24独立驱动，提升机器人载重、越障、爬楼能力。

实施例3

机械臂1由铝合金打造，表面喷砂氧化处理，提高了机械臂1的使用寿命。其关节由六个高精度数字电机构成，能精准完成收缩、伸展，抓取转移危险品等动作。

实施例4

底盘3内部载有两瓶不同的灭火剂钢瓶15并通过高压纹波管连接二位二通常闭电磁阀9，最终由活动弯头输出到机械臂1末端。STM32主控7控制二位二通常闭电磁阀9来控制灭火剂的发射。手动控制模式中可以通过控制机械臂1姿态和机器人位置实行精确灭火。

实施例5

控制器为STM32主控7，报警模块为GSM通信模块17，STM32主控7在接收到振动信号后控制GSM通信模块17向预设手机号码发送短信报警，GSM通信模块17包括SIM900A处理器，支持RS232串口和LVTTL串口，并带硬件流控制，支持5V~24V的超宽工作范围，以低功耗实现语音、SMS（短信、彩信）、数据和传真信息的传输。

实施例6

驱动电机24由STM32主板7控制，采用SMS1.0协议。STM32主控7和驱动电机24之间采用问答方式通信，STM32主控7发出指令包，驱动电机24返回应答包。一个总线控制网络中允许有多个驱动电机24，所以每个驱动电机24都分配有一个网络内唯一的ID号。通信方式为串行异步方式，一帧数据分为1位起始位，8位数据位和1位停止位，无奇偶校验位，共10位。所有驱动电机24由RS232电平控制，STM32主控7发来串口 TTL信号操作总线网络中的所有驱动电机24。

实施例7

机器人还包括有可燃体传感器10，可燃气体传感器10用于检测可燃气体浓度。其采用高低温循环检测方式检测空气中一氧化碳，甲烷，丙烷等可燃气体浓度，结合综合评价模型可评估环境起火可能性。

实施例8

机器人还包括有温湿度传感器11，温湿度传感器11用于检测周围环境温度与湿度。其具备快速唤醒与响应时间、高精度和宽温度工作范围，对气压和湿度进行温度可以补偿校正，结合综合评价模型可评估环境起火可能性。

实施例9

机器人还包括有火焰传感器12，火焰传感器12用于检测火焰特有的700—1100 nm 的短波近红外线(SW-NIR),可识别火灾的发生。机器人搭载五个火焰传感器12并按扇形排列，检测范围可达180°，提高了火源探测效率。

实施例10

机器人前端还设置人体红外传感器13，人体红外传感器13用于检测屋内是否有幸存者。

实施例11

机器人还包括有光电循迹传感器14，通过前方四路红外发射与接收探头，识别地面路标，实现自动巡逻。

实施例12

摄像头8用于实现对环境的视频的监控,可以采用机器视觉技术对环境参数进行识别,以实现自主规划路径和安全巡检功能。

实施例13

当机器人碰到小型障碍物时，可根据实际情况选择使用机械抓手2将小型障碍物移开，已完成清障工作。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (10)

1.一种火灾救援机器人，包括上位机控制单元和装置本体，其特征在于所述装置本体包括底盘（3）、机械臂（1）、灭火装置和电气控制部分、所述机械臂（1）活动设置在底盘（3）上方；所述底盘（3）内设置有动力机构，用以驱动底盘（3）左右两侧对应设置的移动组件；所述灭火装置分别设置在底盘（3）和机械臂（1）上；所述电气控制部分设置在底盘（3）上，分别与机械臂（1）、灭火装置和动力机构电连接。

2.根据权利要求1所述的一种火灾救援机器人，其特征在于所述底盘（3）上部覆盖有防火罩壳，防火罩壳的上方固定有安装座，安装座上设置有机械臂（1），底盘（3）下部与移动组件连接处设置有弹簧悬挂。

3.根据权利要求1所述的一种火灾救援机器人，其特征在于所述动力机构为驱动电机（24），所述移动组件包括驱动轮（4）、驱动轴固定件（25）、导向轮（5）、支重轮（26）和抓地履带（6），驱动电机（24）的输出轴与驱动轴（28）连接，抓地履带（6）围绕驱动轮（4）、支重轮（26）和导向轮（5）啮合连接组成柔性链环，由驱动轮（4）驱动。

4.根据权利要求1所述的一种火灾救援机器人，其特征在于所述移动组件为前后两组，每组移动组件由两个驱动电机（24）驱动。

5.根据权利要求1所述的一种火灾救援机器人，其特征在于所述抓地履带（6）的外侧可拆卸设置有抓地凸块。

6.根据权利要求1所述的一种火灾救援机器人，其特征在于所述驱动轮（4）的外侧设置有啮合齿（27）与抓地履带（6）凹槽啮合连接。

7.根据权利要求1所述的一种火灾救援机器人，其特征在于所述机械臂（1）包括第一摆臂、第二摆臂和机械抓手（2），第一摆臂的端部铰接设置有第二摆臂,第一摆臂和第二摆臂各自具有摆动驱动机构,第二摆臂的末端设置有俯仰摆块（18），俯仰摆块（18）的末端与旋转座（19）连接，旋转座（19）通过支撑座（20）转动连接机械抓手（2）。

8.根据权利要求1所述的一种火灾救援机器人，其特征在于所述机械抓手（2）为夹子结构，包括俯仰摆块（18）、旋转座（19）、支撑座（20）、夹抱电机（21）、夹抱臂（22）、外侧齿轮（23）和夹抱板（29），所述俯仰摆块（18）的前端连接有旋转座（19）,旋转座（19）的前端转动设置有支撑座（20）,支撑座（20）的中部固定有夹抱电机（21）,夹抱电机（21）的输出轴贯穿支撑座（20）两侧分别与外侧齿轮（23）传动连接,外侧齿轮（23）的分别与两个咬合轮啮合连接；两个咬合轮的外侧分别设置有夹抱臂（22），夹抱臂（22）的前端与夹抱板（29）转动连接。

9.根据权利要求1所述的一种火灾救援机器人，其特征在于所述灭火装置包括二位二通常闭电磁阀（9）、高压纹波管和灭火剂钢瓶（15），所述灭火剂钢瓶（15）设置在底盘（3）内部，并通过高压纹波管连接到机械臂（1）末端，所述二位二通常闭电磁阀（9）设置在高压纹波管上。

10.根据权利要求1所述的一种火灾救援机器人，其特征在于所述电气控制部分包括STM32主控（7）、摄像头（8）、可燃气体传感器（10）、温湿度传感器（11）、火焰传感器（12）、人体红外传感器（13）、GSM通信模块（17）和光电循迹传感器（14）。

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