本質安全型機器人運動平臺的制作方法
【專利摘要】一種本質安全型機器人運動平臺，包括機器人機體、行走裝置、信號控制系統(tǒng)和動力系統(tǒng)。動力系統(tǒng)包括2個以上電機模塊和相應的信號控制裝置，其中：每個電機模塊由一個電機，一個供電模塊和一個信號模塊構成?？刂颇K經(jīng)隔離器件與信號模塊連接，構成信號控制系統(tǒng)?？梢愿淖冸姍C模塊的數(shù)量和相互之間的位置，來調整動力系統(tǒng)的驅動能力和機器人的形狀，且動力系統(tǒng)滿足本質安全的要求。動力系統(tǒng)產(chǎn)生的機械力作用于行走系統(tǒng)上，通過行走裝置和地面的作用力與反作用力，轉換成機器人平臺前進或者越障的動力。
【專利說明】本質安全型機器人運動平臺
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于救援偵查工具領域，具體涉及一種適用于危險爆炸性環(huán)境下具有一定機動能力的本質安全型機器人運動平臺。
【背景技術】
[0002]在災難救援，消防排爆等應用場合，所處環(huán)境往往充滿著易燃易爆氣體，液體或粉塵等，因此在這些環(huán)境下使用的電氣設備，防爆安全性是一個必要的前提。根據(jù)國標GB3846《爆炸性環(huán)境》，目前的防爆電氣設備防爆類型有若干種。其中，國標GB 3846.4所規(guī)定的本質安全型“ i ”是電氣設備的一種防爆型式，它是通過將設備內(nèi)部和暴露于潛在爆炸性境的連接導線可能產(chǎn)生的電火花或熱效應能量限制在不能點燃的水平實現(xiàn)防爆的。滿足本安型要求的電氣設備在爆炸性環(huán)境下應用時不需要笨重的隔爆外殼，因此體積小，重量輕，便于攜帶和移動，具有很多優(yōu)勢。
[0003]以本質安全型保護等級“ia”為例，設備要求在最不利的情況下施加故障時，包括短路和斷路時，所產(chǎn)生的電火花和熱效應能量不能引起點燃。這在實質上是對系統(tǒng)各處的最大電氣功率施加了限制。目前，能夠滿足本質安全型要求的電氣設備，其單體功率最大只能做到幾瓦到十幾瓦。同時，用于給本質安全設備供電的電源也必須滿足相同的安全性要求，供電功率收到限制。
[0004]另一方面，用于爆炸性環(huán)境下搜索，探測，救災的機器人平臺，除了需要有一定的有效載荷以外。還需要有較強的運動能力，特別是在諸如井下，災難現(xiàn)場等應用場景下，由于環(huán)境復雜，要求機器人平臺可以在不平坦的地面上運動。目前，有較強越障能力的機器人產(chǎn)品和樣機很多，但這些機器人平臺的機動能力都依賴于大功率電機，功率可達幾百瓦，明顯不符合本質安全型設備的要求。一些機器人采用多臺電機，獨立驅動的方案，這樣雖然可以降低電機的單體功率，但距離滿足本質安全型的要求仍然具有相當距離，原因如下:
1.電機單體功率仍然偏大，至少為幾十瓦；
2.供電部分仍為集中式或為不徹底的分組獨立式，單個電源所輸出的功率在施加最不利故障時(包括短路和斷路)超過標準要求；
3.為了控制方便，每個電機單元的控制信號是通過總線驅動單元互通的。同時，為了保證信號暢通，電源存在共地。在施加最不利故障時，多單兀的電氣功率有可能互相疊加。
[0005]由于上述這些原因，目前的移動機器人平臺無法在滿足本質安全型的規(guī)范要求的同時兼顧較強的運動能力。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為了解決本安型設備的最大功率限制和機器人運動能力之間的矛盾，本發(fā)明提出一種本質安全型機器人運動平臺，在滿足本質安全要求的前提下實現(xiàn)運動能力的有效提升。
[0007]本發(fā)明的技術方案如下: 一種本質安全型機器人運動平臺，包括機器人機體，行走裝置，信號控制系統(tǒng)和動力系統(tǒng)；機器人機體用于容納和安裝行走裝置、信號控制系統(tǒng)、動力系統(tǒng)并保持行走裝置、信號控制系統(tǒng)、動力系統(tǒng)之間相對位置的固定，其特征在于:
所述動力系統(tǒng)包括兩個或兩個以上電機模塊，且各個電機模塊之間互相電氣隔離，每個電機模塊包括一個電機、一個動力系統(tǒng)供電模塊；
其中，所述動力系統(tǒng)中的每個供電模塊只對其所在的電機模塊提供所需電源，電機的輸出與對應的行走裝置相連，向對應的行走裝置提供轉矩，通過行走裝置和地面的作用力與反作用力，轉換成機器人平臺前進或者越障的動力；
所述信號控制系統(tǒng)包括信號通路、控制模塊、信號控制系統(tǒng)供電模塊和信號模塊，所述信號模塊經(jīng)隔離器件連接在控制信號通路上，并由信號通路最終與控制模塊連接；
信號控制系統(tǒng)中的控制模塊通過隔離器件、信號模塊、動力系統(tǒng)中電機與動力系統(tǒng)連接起來，所述信號模塊接收信號控制系統(tǒng)中的控制模塊發(fā)送的控制指令控制其所對應的電機的運行。
[0008]本發(fā)明還可以改變電機模塊的數(shù)量和相互之間的位置，來調整動力系統(tǒng)的驅動能力和機器人的形狀。當采用的電機模塊最大功率一定時，電機模塊的數(shù)量越多，系統(tǒng)的總功率和驅動能力就越強。動力系統(tǒng)產(chǎn)生的機械力協(xié)同作用于行走裝置上，通過行走裝置和地面的作用，轉換成機器人平臺前進或者越障的動力。
[0009]為了滿足機器人平臺整機滿足本質安全要求，系統(tǒng)的各個電氣電子組件必須滿足本質安全型的規(guī)范要求。具體來說，在每個電機模塊中，供電模塊的供電功率被限流器件限制，在供電模塊外施加最不利的故障，比如短路或者間歇性斷路的情況下，其電流電壓特性符合本質安全型要求。每個電機模塊中的信號模塊通過隔離器件與控制模塊連接，因而電氣功率不能產(chǎn)生疊加，達到電氣隔離的目的。各個電機模塊通過分散安裝、預留安裝空隙、物體隔斷等方式實現(xiàn)物理隔離。實現(xiàn)物理隔離和物理隔離的多個電機模塊可以看作多個獨立設備。在滿足本質安全要求的前提下，多個獨立設備的總功率相比單個設備有成倍的提高。當這些電機模塊組成的動力系統(tǒng)產(chǎn)生的機械力協(xié)同作用于行走裝置上時，可以使得整機的運動能力成倍提高。此外，機器人平臺的信號控制系統(tǒng)中，控制模塊及其對應的供電模塊滿足本質安全要求，每個信號模塊的單體滿足本質安全要求，由于控制模塊和多個信號模塊之間使用隔離器件相連接，所以多個信號模塊上的電流不會引入信號通路或者控制模塊產(chǎn)生疊加，故整個信號控制系統(tǒng)滿足本質安全要求。
[0010]由于上述發(fā)明方案的應用，帶來以下優(yōu)點:
1.本發(fā)明采用分布式電源和動力設計，可以有效實現(xiàn)把電氣功率分散到系統(tǒng)各處，避免了在局部產(chǎn)生大電流或高電壓，具有高安全性。在控制模塊之間和各個電機模塊之間采用隔離器件，因而在故障發(fā)生時各個電機模塊的電氣功率不會疊加，符合本質安全的要求。
[0011]2.由于系統(tǒng)中各電機模塊之間物理和電氣上互相隔離，所以可看作獨立設備。設備的數(shù)量不受本質安全要求限制。又由于電機模塊產(chǎn)生的機械力協(xié)同作用于行走裝置上，共同驅動機器人本體，因而在各個電機模塊符合本質安全要求的前提下，驅動力獲得成倍增加，具有較強的運動和越障能力。
【專利附圖】

【附圖說明】[0012]圖1是整個本質安全型機器人運動平臺的系統(tǒng)組成示意圖；
圖2是本質安全型機器人運動平臺的信號控制系統(tǒng)的一類的實現(xiàn)方式；
圖3是本質安全型機器人運動平臺的信號控制系統(tǒng)的另一類的實現(xiàn)方式；
圖4是本質安全型機器人運動平臺的信號控制系統(tǒng)的另一類的實現(xiàn)方式；
圖5是本質安全型機器人運動平臺的信號控制系統(tǒng)的另一類的實現(xiàn)方式；
圖6是本質安全型機器人運動平臺的電機模塊的一類的實現(xiàn)方式；
圖7是本質安全型機器人運動平臺的電機模塊的另一類的實現(xiàn)方式；
圖8是本質安全型機器人運動平臺的電機模塊的另一類的實現(xiàn)方式；
圖9是本質安全型機器人運動平臺的電機模塊的另一類的實現(xiàn)方式；
圖10是本質安全型機器人運動平臺的行走裝置的三種實現(xiàn)方式；
圖11是本質安全型機器人運動平臺的信號控制系統(tǒng)、電機模塊、行走裝置的一種組合形式；
圖12是本質安全型機器人運動平臺的信號控制系統(tǒng)、電機模塊、行走裝置的另一種組合形式；
圖13是本質安全型機器人運動平臺的信號控制系統(tǒng)、電機模塊、行走裝置的另一種組合形式；
圖14是本質安全型機器人運動平臺系統(tǒng)的一種實現(xiàn)方式的結構實物圖，從左到右依次為等軸測視圖、俯視圖；
圖15是本質安全型機器人運動平臺系統(tǒng)的另一種實現(xiàn)方式的結構實物圖，從左到右依次為等軸測視圖、俯視圖；
圖16是本質安全型機器人運動平臺系統(tǒng)的另一種實現(xiàn)方式的結構實物圖，從左到右依次為等軸測視圖、俯視圖。
[0013]具體實施方法
以下結合附圖所給出的示例，詳細說明本發(fā)明的【具體實施方式】圖1是本申請公開的整個本質安全型機器人運動平臺的系統(tǒng)組成示意圖，本質安全型機器人運動平臺包括機器人機體10，行走裝置31，信號控制系統(tǒng)11和動力系統(tǒng)；機器人機體10用于容納和安裝行走裝置31、信號控制系統(tǒng)11、動力系統(tǒng)并保持行走裝置31、信號控制系統(tǒng)11、動力系統(tǒng)之間相對位置的固定。所述動力系統(tǒng)包括兩個或兩個以上電機模塊21,且各個電機模塊之間互相電氣隔離,每個電機模塊21包括一個電機212、一個動力系統(tǒng)供電模塊211 ;其中，所述動力系統(tǒng)中的每個供電模塊211只對其所在的電機模塊提供所需電源，電機212的輸出與對應的行走裝置31相連，向對應的行走裝置31提供轉矩，通過行走裝置31和地面的作用力與反作用力，轉換成機器人平臺前進或者越障的動力。所述信號控制系統(tǒng)11包括信號通路112、控制模塊111、信號控制系統(tǒng)供電模塊114和信號模塊201，所述信號模塊201經(jīng)隔離器件113連接在控制信號通路112上，并由信號通路112最終與控制模塊111連接；信號控制系統(tǒng)11中的控制模塊111通過隔離器件113、信號模塊201、動力系統(tǒng)中電機212與動力系統(tǒng)連接起來，所述信號模塊201接收信號控制系統(tǒng)11中的控制模塊111發(fā)送的控制指令控制其所對應的電機212的運行。其中，所述隔離器件113為阻止來自電機模塊21和信號控制系統(tǒng)11電流相互導入的裝置或系統(tǒng)，采用的型式包括但不限于光耦合信號通路、磁耦合信號通路、無線耦合通路等。[0014]圖2、圖3、圖4、圖5是信號控制系統(tǒng)的數(shù)種實現(xiàn)方式。
[0015]在圖2實現(xiàn)方式中，以無線裝置作為系統(tǒng)的劃分，左側信號通路112、供電模塊114、控制模塊111、隔離器件113、信號模塊201、供電模塊211安裝于機器人本體內(nèi)。用信號通路112依次連接控制模塊111、隔離器件113、信號模塊201 ;用供電模塊114對控制模塊111、隔離器件113進行供電；供電模塊211對信號模塊201進行供電。右側信號通路112、供電模塊114、控制模塊111置于手持端內(nèi)?？刂颇K111通過信號通路112連接信號模塊，供電模塊114對其進行供電。
[0016]圖3的實現(xiàn)方式和圖2類似，所不同的是將無線裝置用有線的方式來替代。
[0017]圖4采用分布式控制，它的實現(xiàn)方式和圖2類似，為了減少控制模塊111的處理數(shù)據(jù)負擔為其增加了子控制模塊，子控制模塊受控制模塊111控制，將它連接于隔離器件和控制模塊之間。
[0018]圖5由于采用的了無線耦合方式且控制器本身可以作為信號模塊來使用，因此，在此實現(xiàn)方式中無線方式起到了系統(tǒng)組成示意圖中的信號通路和隔離器件的作用。在具體實現(xiàn)中，用各個供電模塊114對相應的控制模塊111供電，右側模塊的實現(xiàn)則和圖2的實現(xiàn)相同。
[0019]它們的共同特點是:控制模塊111產(chǎn)生控制信號，通過信號通路112傳輸?shù)叫盘柲K201上，加在控制模塊111和信號模塊201之間的隔離器件113用于防止信號模塊201的電流傳輸?shù)叫盘柾?12上。在具體實現(xiàn)上，信號通路可以是有線方式，如圖3 ;也可以是無線方式，如圖2、圖4、圖5所示。為了控制方便或者方便實現(xiàn)復雜的功能，在控制模塊111和信號模塊201之間還可以加入若干級控制模塊，如圖2、圖3、圖4、圖5所示。當信號通路為無線方式時，由于信號通路的無線方式阻斷了可能來自信號模塊的電流，所以存在著天然的隔離，在這種情況下，隔離器件113可以不作為一個單獨部件存在于實際裝置中，如圖5所示。此外，當存在多級控制模塊時，最后一級的控制模塊可以直接控制電機，在這種情況下，信號模塊201的職能由最后一級控制模塊取代，信號模塊201也可以不作為一個單獨部件存在于實際裝置中。
[0020]圖6、圖7、圖8、圖9是電機模塊的數(shù)種實現(xiàn)方式。在圖6的實現(xiàn)方式中，將電機212連接至信號模塊201。對于信號模塊不能滿足電機的精確控制時，可以在電機模塊中加入控制模塊以滿足對電機的精確控制或實現(xiàn)復雜的功能，如圖7所示。在圖7的實現(xiàn)方式中，用信號通路將控制模塊和信號模塊連201接起來，然后將電機模塊連接至控制模塊。對于使用無線耦合方式且控制器本身可以作為信號模塊來使用，那么可以直接將電機接至控制模塊；如圖8所示。在圖9的實現(xiàn)方式中，信號模塊201可以以無線方式來實現(xiàn)，為了實現(xiàn)精確控制或實現(xiàn)復雜的功能還可以加入控制模塊；將控制模塊連至信號模塊201，將電機模塊連至控制模塊。
[0021]這些實現(xiàn)方式的共同特點是:信號模塊201接受控制信號，對電機212進行啟動、關閉、改變運行狀態(tài)等控制。供電模塊211為電機212的運轉提供電能。輸入信號模塊201的信號可以是有線方式，如圖6、圖7、圖8所示；也可以為無線方式，如圖9所示。在信號模塊和電機模塊之間，為了精確控制或者方便實現(xiàn)一些功能，也可以加入控制模塊，如圖7、圖8、圖9所示。在具體硬件實現(xiàn)上，控制模塊可以集成信號模塊201的功能，在這種情況下，信號模塊201也可以不作為一個單獨部件存在于實際裝置中，如圖8所示。[0022]圖10為三種行走裝置的實例，分別為圓形常規(guī)輪、圓形偏心輪、多葉輪。圓形常規(guī)輪常見于一般交通工具，優(yōu)點是運行平穩(wěn)、行走效率高。圓形偏心輪雖然也為圓形，但驅動軸偏離圓心，相對于圓形常規(guī)輪具有更好的越障能力。多葉輪的輪體形狀為多葉型，也具有較好的越障能力。
[0023]圖11、圖12、圖13給出了信號控制系統(tǒng)、電機模塊、行走裝置的數(shù)種組合形式。系統(tǒng)的實物結構圖如圖14、圖15、圖16所示。其中，機器人機體10為“口”字形框架結構，行走裝置31、信號控制系統(tǒng)11、多個電機模塊21都安裝于機器人機體10上，多個電機模塊之間依靠機體的剛性固定互相保持一定物理距離。每個電機模塊21通過減速裝置連接一個行走裝置31，減速裝置產(chǎn)生增強的扭矩，驅動行走裝置31旋轉，使得機器人平臺獲得前進和越障的驅動力。
【權利要求】
1.一種本質安全型機器人運動平臺，包括機器人機體(10)、行走裝置(31)、信號控制系統(tǒng)(11)和動力系統(tǒng)；其中，機器人機體(10)用于容納和安裝行走裝置(31)、信號控制系統(tǒng)(11)、動力系統(tǒng)，并用于保持行走裝置(31)、信號控制系統(tǒng)(11)、動力系統(tǒng)之間相對位置的固定，其特征在于: 所述動力系統(tǒng)包括兩個或兩個以上電機模塊(21)，且各個電機模塊之間互相電氣隔離，每個電機模塊(21)包括一個電機(212)、一個動力系統(tǒng)供電模塊(211); 其中，所述動力系統(tǒng)中的每個供電模塊(211)只對其所在的電機模塊提供所需電源，電機(212 )的輸出與對應的行走裝置(31)相連，向對應的行走裝置(31)提供轉矩，通過行走裝置(31)和地面的作用力與反作用力，轉換成機器人平臺前進或者越障的動力； 所述信號控制系統(tǒng)(11)包括信號通路(112)、控制模塊(111)、信號控制系統(tǒng)供電模塊(114)和信號模塊(201)，所述信號模塊(201)經(jīng)隔離器件(113)連接在控制信號通路(112)上，并由信號通路(112)最終與控制模塊(111)連接；所述信號控制系統(tǒng)(11)中供電模塊(114)只對控制模塊(111)提供所需電源； 信號控制系統(tǒng)(11)中的控制模塊(111)通過隔離器件(113)、信號模塊(201)、動力系統(tǒng)中電機(212)與動力系統(tǒng)連接起來，所述信號模塊(201)接收信號控制系統(tǒng)(11)中的控制模塊(111)發(fā)送的控制指令控制其所對應的電機(212)的運行。
2.根據(jù)權利要求1所述的本質安全型機器人運動平臺，其特征在于:所述隔離器件(113)為阻止來自電機模塊(21)和信號控制系統(tǒng)(11)電流相互導入的裝置或系統(tǒng)。
3.根據(jù)權利要求2所述的本質安全型機器人運動平臺，其特征在于:所述隔離器件(113)包括但不限于光耦合信號通路、磁耦合信號通路、無線耦合通路等。
4.根據(jù)權利要求1所述的本質安全型機器人運動平臺，其特征在于:在每個電機模塊(21)中，供電模塊(211)的供電功率被限流器件限制，在供電模塊外施加最不利的故障下，其電流電壓特性仍能符合本質安全要求。
5.根據(jù)權利要求1所述的本質安全型機器人運動平臺，其特征在于:在信號控制系統(tǒng)(11)中，控制模塊(111)及其對應的供電模塊(114)滿足本質安全要求，每個信號模塊(201)的單體滿足本質安全要求。
6.根據(jù)權利要求1所述的本質安全型機器人運動平臺，其特征在于: 所述行走裝置(31)采用圓形常規(guī)輪、圓形偏心輪或多葉輪的型式。
【文檔編號】B60L3/00GK103465787SQ201310441919
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2013年9月25日 優(yōu)先權日:2013年9月25日
【發(fā)明者】王宇俊, 方燦, 蔣齊密, 李君科, 胡翔, 孫亞芹 申請人:西南大學