[發明專利]核應急機器人在狹窄空間的通行方法

有效

• 申請號: 202010943562.5
• 申請日: 2020-09-09
• 公開（公告）號: CN112091929B
• 公開（公告）日: 2021-09-21
• 發明（設計）人: 唐德文;譚志強;王偉;高吉慧;唐海龍;肖魏魏;劉小雙
• 申請（專利權）人: 南華大學
• 主分類號: B25J5/00
• 分類號: B25J5/00;B25J9/00;B25J9/08;B25J9/14;B25J9/16;B25J11/00;B25J18/00;B25J19/00;B62D55/065
• 代理公司: 衡陽市科航專利事務所(普通合伙) 43101
• 代理人: 劉政旺

1.核應急機器人在狹窄空間的通行方法，應用于核應急多功能作業機器人；其特征是，所述的核應急多功能作業機器人，包括基座、機械臂、工具換接裝置、運動支持裝置及傳感器組件；

基座包括底座、安裝座A、安裝座B、安裝座C、回轉驅動機構A和回轉驅動機構B；安裝座A固定安裝在底座上端，其前后兩端分別設有前部安裝區域和后部安裝區域，前部安裝區域為設在安裝座A前端、從上至下貫通安裝座A的弧形缺口，后部安裝區域為設在安裝座A后端、從上至下貫通安裝座A的安裝孔；安裝座B活動安裝在安裝座A的前部安裝區域中，安裝座B呈圓柱形，并與前部安裝區域的弧度相適應，其上設有用于安裝機械臂的安裝缺口B，安裝缺口B的底部設有滑軌；安裝座C活動安裝在安裝座A的后部安裝區域中，安裝座C呈圓柱形，并與后部安裝區域的孔徑相適應，其上設有繞安裝座C的中心線呈環形均布的三個安置腔，安置腔從上至下依次包括用于放置母接頭的上安置腔和用于容納與母接頭相連接的末端工具的下安置腔，上安置腔在安裝座C的上端形成開口；回轉驅動機構A安裝在底座與安裝座B之間，以驅動安裝座B做水平方向的旋轉；回轉驅動機構A包括電機A、主動齒輪、主動齒輪軸及從動齒輪；電機A固定安裝在底座的電機安裝孔A中；主動齒輪固定安裝在電機A的機軸上；主動齒輪軸豎直布置并可轉動的安裝在底座上，其上端與安裝座B的下端固接；從動齒輪固定安裝在主動齒輪軸上并與主動齒輪嚙合；電機A的動力通過主動齒輪、從動齒輪及主動齒輪軸傳遞至安裝座B上，以驅動安裝座B轉動；回轉驅動機構B安裝在底座與安裝座C之間，以驅動安裝座C做水平方向的旋轉；回轉驅動機構B包括電機B、主動銷輪、回轉槽輪軸及從動槽輪；電機B固定安裝在底座的電機安裝孔B中；主動銷輪中部設有中心孔A，端面上固接有圓銷，側壁面上設有鎖止凸弧，主動銷輪通過中心孔A固定安裝在電機B的機軸上；回轉槽輪軸豎直布置并可轉動的安裝在底座上，其上端與安裝座C的下端固接；從動槽輪中部設有中心孔B，側壁面上設有三段鎖止凹弧，三段鎖止凹弧繞中心孔B呈環形均布，相鄰的鎖止凸弧之間設有供圓銷插入的插槽，從動槽輪通過中心孔B固定安裝在回轉槽輪軸上，并通過鎖止凹弧與主動銷輪的鎖止凸弧相貼合；電機B的動力通過主動銷輪、從動槽輪及回轉槽輪軸傳遞至安裝座C，以驅動安裝座C間歇轉動，每次轉動角度為120°；

機械臂包括臂A、轉軸A、第一轉動機構、臂B、轉軸B、第二轉動機構和末端連接機構；臂A在后端通過轉軸A可轉動的安裝在安裝座B的安裝缺口B中，臂A上設有可供臂B部分嵌入的條形槽，條形槽從臂A前端向臂A后端延伸；第一轉動機構包括滑塊A、液壓缸A及液壓缸B；滑塊A活動安裝在安裝缺口B底部的滑軌內；液壓缸A的缸體固定安裝在安裝座B的安裝缺口B中，液壓缸A的活塞桿與滑塊A連接，液壓缸A的活塞桿伸縮以驅動滑塊A沿滑軌往復移動；液壓缸B的缸體與滑塊A鉸接，液壓缸B的活塞桿與臂A鉸接，液壓缸B的活塞桿伸縮以驅動臂A繞轉軸A轉動；臂B包括后段桿、前段桿和液壓缸E，后段桿與前段桿分別位于臂B的后端和前端，兩者相互活動套接，液壓缸E的缸體安裝在后段桿上，液壓缸E的活塞桿安裝在前段桿上，液壓缸E的活塞桿伸縮以驅動臂B伸長或縮短；臂B的后段桿通過轉軸B可轉動的安裝在臂A前端的條形槽內，當臂B向下轉動至極限位置時，其可部分嵌入臂A的條形槽內；第二轉動機構包括液壓缸C和四連桿機構；四連桿機構包括兩個菱形框架和一根連接桿，兩個菱形框架對稱布置在臂A后端的條形槽內，菱形框架包括一號桿、二號桿和三號桿，一號桿和二號桿的下端分別鉸接在三號桿的兩端，兩個菱形框架的二號桿的上端分別鉸接在轉軸B的兩端，兩個菱形框架的一號桿的上端分別鉸接在臂B的兩側；連接桿的兩端分別與兩個菱形框架的一號桿和三號桿的鉸接處鉸接；液壓缸C的缸體與臂A鉸接，并位于臂A的條形槽內，液壓缸C的活塞桿與連接桿鉸接，液壓缸C的活塞桿伸縮以驅動臂B繞轉軸B轉動；末端連接機構包括連接架和液壓缸D；連接架上設有第一鉸接部、第二鉸接部和第三鉸接部，連接架通過第一鉸接部鉸接在臂B前端；液壓缸D的缸體鉸接在臂B前端，液壓缸D的活塞桿與連接架的第二鉸接部鉸接，液壓缸D的活塞桿伸縮以驅動連接架繞第一鉸接部轉動，進而使連接架的第三鉸接部做弧形軌跡運動；

工具換接裝置包括可相互對接或分離的公接頭和母接頭，公接頭活動連接在臂B的前段桿的前端，母接頭用于連接末端工具；

運動支持裝置包括液壓馬達A、液壓馬達B、伸縮套筒、支持殼體、輪帶組件和驅動組件；運動支持裝置分別安裝在底座前端兩側的安裝缺口A和后端兩側的安裝缺口A中；液壓馬達A安裝在底座的安裝缺口A中，其轉軸豎直向下伸出；液壓馬達B固定連接在液壓馬達A的轉軸上，其轉軸水平方向伸出；伸縮套筒包括前段套筒、后段套筒和液壓缸F，前段套筒固接在液壓馬達B的轉軸上，后段套筒與前段套筒活動套接，液壓缸F安裝在前段套筒和后段套筒之間，以驅動伸縮套筒伸長或縮短；支持殼體焊固在伸縮套筒的后段套筒上；輪帶組件包括一號輪、一號輪軸、二號輪、二號輪軸和履帶；一號輪固定安裝在一號輪軸上，二號輪固定安裝在二號輪軸上，一號輪軸和二號輪軸分別可轉動的安裝在支持殼體上，履帶繞設在一號輪與二號輪之間；驅動組件包括電機C、齒輪A、齒輪B、齒輪C、齒輪軸A、齒輪軸B、齒輪D和齒輪E；電機C固定安裝在支持殼體上，齒輪A固定安裝在電機A的機軸上，齒輪B和齒輪C分別固定安裝在齒輪軸A和齒輪軸B上，并位于齒輪A的兩側，并均與齒輪A嚙合，齒輪D和齒輪E分別固定安裝在一號輪軸和二號輪軸上，并分別與齒輪B和齒輪C嚙合；電機C的動力通過齒輪A傳遞至齒輪B和齒輪C上，再通過齒輪B和齒輪C分別傳遞至齒輪D和齒輪E，再通過齒輪D和齒輪E分別傳遞至一號輪軸和二號輪軸，然后通過一號輪軸和二號輪軸分別帶動一號輪和二號輪轉動，一號輪和二號輪共同帶動履帶運轉；

傳感器組件包括激光接近傳感器A、攝像頭、激光接近傳感器B及傾斜傳感器；激光接近傳感器A設在底座下端，攝像頭安裝在安裝座A上；激光接近傳感器B安裝在安裝座A兩側壁上；傾斜傳感器安裝在安裝座A的前端兩側和后端兩側；

通行方法步驟如下：

S01，判斷是否存在地面障礙物及是否影響通行：

a、核應急多功能作業機器人在行進過程中，通過攝像頭的實時拍攝畫面，判斷前方是否出現狹窄空間，若出現狹窄空間，則行進至靠近狹窄空間入口處時停止移動；

b、結合激光接近傳感器A的檢測數據和攝像頭的實時拍攝畫面，判斷前方地面上是否有高于底座地面凈空高度的障礙物；若有，則進入S02步驟；若沒有，則進入S03步驟；

S02，根據地面障礙物的高度抬升底座地面凈空高度：

a、控制四處運動支持裝置的液壓馬達B啟動，液壓馬達B的轉軸水平轉動，帶動運動支持裝置的伸縮套筒、支持殼體、輪帶組件和驅動組件同步向下轉動，以抬升底座地面凈空高度，當激光接近傳感器A檢測到底座地面凈空高度高于地面障礙物時起，底座繼續抬升h高度后停止抬升，然后進入S03步驟；

b、若通過a分步驟將底座地面凈空高度抬升至最高時，激光接近傳感器A檢測到地面障礙物仍高于底座地面凈空高度，則控制四處運動支持裝置的液壓缸F的活塞桿伸出，帶動伸縮套筒的后段套筒向遠離前段套筒的方向移動，使四處運動支持裝置的伸縮套筒伸長，以進一步抬升底座地面凈空高度，當激光接近傳感器A檢測到地面障礙物低于底座地面凈空高度時起，底座繼續抬升h高度后停止抬升，進入S03步驟；

c、若通過b分步驟將底座抬升至y高度時，激光接近傳感器A檢測到地面障礙物仍高于底座地面凈空高度，則由操作人員控制核應急多功能作業機器人改變行進路線；

本步驟中，y=H-h，H為通過b分步驟所能將底座抬升的最高高度，h為安全高度，h的取值為2～5cm；

S03，折疊機械臂：

a、縮短臂B：控制液壓缸E的活塞桿縮回，帶動臂B的前段桿縮回到后段桿的內孔中，使臂B縮短；

b、臂B向下轉動：控制液壓缸C的活塞桿縮回，通過連接桿帶動牽動兩個菱形框架同步變形，進而帶動臂B繞轉軸B向下轉動，當臂B轉動至極限位置時，液壓缸C的活塞桿停止動作，此時，臂B的下部分嵌入臂A的條形槽內；

c、臂A向上轉動：控制液壓缸A的活塞桿縮回，進而帶動滑塊A沿著滑軌向靠近臂A的方向移動，通過滑塊A帶動液壓缸B的缸體向靠近臂A的方向移動，使臂A繞轉軸A向上轉動，再控制液壓缸B的活塞桿伸出，使臂A繞轉軸A進一步向上轉動，直至臂A轉動至極限位置；

d、連接架向下轉動：控制液壓缸D的活塞桿伸出，推動連接架繞第一鉸接部向下轉動，進而帶動工具換接裝置和末端工具向下轉動；

S04，判斷前方狹窄空間是否允許通行：

a、調整核應急多功能作業機器人的位姿，使其正對前方狹窄空間的入口；

b、結合攝像頭的實時拍攝畫面和激光接近傳感器B的檢測數據，綜合判斷前方狹窄空間入口處的寬度和高度是否允許作業機器人通過；若能通過，則進入S05步驟；若不能通過，則由操作人員控制核應急多功能作業機器人改變行進路線；

S05，通過前方狹窄空間：操作人員通過攝像頭的實時拍攝畫面，控制四處運動支持裝置產生動作，使核應急多功能作業機器人通過前方狹窄空間；

本步驟中，運動支持裝置的動作如下：電機C啟動，電機C的動力通過齒輪A同時傳遞至齒輪B和齒輪C上，再通過齒輪B和齒輪C分別傳遞至齒輪D和齒輪E上，接著通過齒輪D和齒輪E分別傳遞至一號輪軸和二號輪軸上，再通過一號輪軸和二號輪軸分別驅動一號輪和二號輪同步轉動，一號輪和二號輪轉動的同時帶動履帶回轉。