一种主动减振式消防机器人底座装置及控制方法
技术领域
本发明涉及消防机器人领域，具体涉及一种主动减振式消防机器人底座装置及控制方法。
背景技术
消防机器人作为特种机器人的一种，在由各种危险品引起的泄漏爆炸、火灾等灾害中发挥举足轻重的作用，可代替消防救援人员进入易燃易爆、有毒、缺氧、浓烟等危险环境进行探测、搜救和灭火，有效解决消防人员面临的人身安全，现场数据信息采集不足和传输不及时等问题。
消防机器人普遍采用履带式底座，履带式底座与地面接触面积大，可以穿越不平地形和攀登障碍。中国专利文献CN106515885A公开了一种双履带减振底盘，由两个履带装置，锂电池组，驱动器，控制器，电机和减速机组成，利用独立式弹簧减振机构实现整车的平稳运行。中国专利文献CN10879066A公开了一种基于线性电机的主动悬挂结构，利用线性电机的活动端伸缩带动连接件的下部以连接件与车身的铰接点为中心旋转，连接件给支撑杆一个向下或者向上的力，从而能够主动地驱使车轮上下运动，调节车身的姿态，主动缓冲由不平路面传给车身的冲击力。
现有技术的不足在于：被动式悬挂，其悬挂参数不能随路面状况，车辆运动状态发生改变，当路面条件较为复杂，无法满足较高的行驶平顺性和操作稳定性要求；基于弹簧的被动式悬挂，其使用寿命不长，需要经常更换；基于线性电机的主动悬挂，悬挂结构为整体式铰接件，加工难度大，不易于安装维修；基于线性电机的主动悬挂，杆状结构无法满足较大负载的履带式底座，使得消防机器人搭载的智能化设备受限。
发明内容
本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种主动减振式消防机器人底座装置及控制方法，以解决传统机器人底座行驶不平顺，操作不稳定，无法承载较大的负载以及悬挂结构使用寿命不长，难加工，不易于安装维修的问题。
本发明所采用的技术解决方案为：
本发明的一种主动减振式消防机器人底座装置，包括右行走机构(1)、车体(2)和左行走机构(3)；所述右行走机构(1)和所述左行走机构(3)用于消防机器人的运转行进，所述车体(2)用于承载电气设备和探测灭火装置。
所述右行走机构(1)包括驱动机构(4)、张紧轮组件(5)、导向轮(7)、悬挂支撑组件(8)和履带(9)；所述左行走机构(3)包括驱动机构(4)、张紧轮组件(5)、导向轮(7)、悬挂支撑组件(8)和履带(9)；所述车体(2)包括控制组件(201)、电池(202)、测距传感器(6)、车载陀螺仪(203)和车速传感器(204)；所述测距传感器(6)设置在车体(2)上方，测距传感器可以是激光雷达，也可以是红外传感器或者超声波测距传感器，可实现水平方向(360°)，垂直方向(±70°)范围内路面信息探测，包含但不限定于路面凸起的高度，凹坑的深度及所述装置与所述路面凸起或所述路面凹坑的距离信息；所述车载陀螺仪(203)设置在车体(2)内部，用于探测所述装置的侧倾角信息；所述车速传感器(204)设置在车体(2)内部，用于探测所述装置的速度信息；
所述控制组件(201)分为上层控制系统和下层控制系统，上层控制系统用于接收测距传感器(6)、车载陀螺仪(203)和车速传感器(204)分别所探测的所述装置的路面信息、倾侧角信息与速递信息，并结合探测的数据信息进行数据计算，下层控制系统用于发送指令控制驱动电机(404)，减振器电机(806)，比例流量阀(811)的电磁铁。
所述驱动机构(4)包括驱动轮(401)、传动杆(402)、减速器(403)和驱动电机(404)，驱动电机(404)和减速器(403)通过螺栓固定在车体(2)内部，驱动轮(401)通过轴承与传动杆(402)连接；驱动电机(404)经减速器(403)减速后将动力经传动杆(402)传动到驱动轮(401)上，驱动电机(404)，控制组件(201)，测距传感器(6)、车载陀螺仪(203)和车速传感器(204)以及减振器电机(806)均由电池(202)进行供电；所述的张紧轮组件(5)包括张紧轮(501)、弹簧(502)和支撑架(503)，通过支撑架(503)固定在车体(2)的侧边，当履带(9)发生形变，在弹簧(502)作用下，张紧轮(501)可实现上下移动，始终保持履带(9)的张紧；所述的导向轮(6)设置在履带(9)的左上角，履带(9)的轮廓超出车体，确保履带式底座在行进过程中履带结构先接触障碍物，保护箱体不被撞击。
所述的悬挂支撑组件(8)，所述装置两侧各设置有若干组，依据履带实际的长度和机器人底座的实际负载，所述的悬挂支撑组件(8)也可以设置为二，三，四，五组或者其他数量。每组所述悬挂支撑组件(8)包括叶片式减振器(805)、减振器电机(806)、承重轮连杆(804)、承重轮(803)、连杆(802)、扭杆(801)和扭杆支撑座(205)，其中，所述扭杆(801)的一端固定在扭杆支撑座(205)上，所述扭杆支撑座(205)通过螺栓固定在车体(2)内部，所述扭杆(801)的另一端与连杆(802)连接；所述承重轮连杆(804)的一端与承重轮(803)连接，所述承重轮连杆(804)的另一端与叶片减振器(805)的转动式叶片(809)连接；
所述叶片式减振器(805)包括减振器底壳(807)、固定式叶片(808)、转动式叶片(809)，比例流量阀(811)和减振器外壳(812)，所述叶片式减振器(805)通过螺栓固定在车体(2)的侧边；所述转动式叶片(809)与减振器电机(806)轴连接，所述固定式叶片(808)上设有常通阻尼孔(810)，所述固定式叶片(808)和转动式叶片(809)将叶片式减振器(805)内部分成四个腔体，这四个腔体与减振器外壳(812)形成密闭空间，密闭空间内注有液压油，液压油通过所述常通阻尼孔(810)和比例流量阀(811)在四个腔体内来回流动，使四个腔体形成高低压油腔，产生阻尼力；所述比例流量阀(811)固定于转动式叶片(809)上，所述比例流量阀(811)包括电磁铁与流量阀，通过电磁铁驱动控制流量阀阀门的开合大小，实现阻尼力的实时调节。
其中，所述控制组件(201)的上层控制系统结合路面信息，侧倾角信息和速度信息计算每组所述悬挂支撑组件(8)需要调整的姿态和叶片式减振器(805)的最优阻尼力，经过数据处理后得到所述减振器电机(806)需要转动的方向和角度及比例流量阀(811)的流量阀阀门开合大小；
所述控制组件(201)对所述悬挂支撑组件(8)的姿态和叶片式减振器(805)的阻尼力进行主动控制的实现过程包括：
步骤1：所述控制组件(201)的下层控制系统分别发送信号控制减振器电机(806)，驱动转动式叶片(809)顺时针或逆时针转动需要的角度，承重轮连杆(804)在转动式叶片(809)的作用下带动承重轮(803)发生向上或向下运动，实现所述悬挂支撑组件(8)的姿态调整；
步骤2：所述控制组件(201)的下层控制系统分别发送信号调节八个比例流量阀(811)上的电磁铁驱动电流，控制比例流量阀(811)的流量阀阀门开合的大小，从而调节叶片式减振器(805)内部的节流特性，实现叶片式减振器(805)的最优阻尼力。
本发明的一种本发明所述装置进行主动减振控制的方法，包括以下步骤：
步骤1)，所述装置的车体(2)上的测距传感器(6)，在所述装置行驶过程中始终处于探测状态，探测所述装置水平方向(360°)，垂直方向(±70°)范围内路面信息探测，包含但不限定于路面凸起的高度，凹坑的深度及所述装置与所述路面凸起或所述路面凹坑的距离信息，形成所述装置行驶轨迹前的连续路面信息，将路面信息实时传输给控制组件(201)的上层控制系统作为数据库进行存储，且不断更新数据库；
步骤2)，所述控制组件(201)的上层控制系统结合路面信息计算所述悬挂支撑组件(8)需要预设的姿态和叶片式减振器(805)的最优阻尼力，由下层控制系统发送信号控制减振器电机(806)需要转动的方向和角度及比例流量阀(811)的流量阀阀门的开合大小，使得所述悬挂支撑组件(8)预先调整好姿态，所述叶片式减振器(805)产生最优阻尼力；
步骤3)，所述装置的车载陀螺仪(203)和车速传感器(204)实时处于监测状态，所述车载陀螺仪(203)进行所述装置侧倾角的探测，所述车速传感器(204)进行所述装置速度信息的探测，并反馈侧倾角信息和速度信息发送至控制组件(201)的上层控制系统；
步骤4)，控制组件(201)的上层控制系统结合路面信息，侧倾角信息和速度信息对所述悬挂支撑组件(8)的姿态和叶片式减振器(805)的最优阻尼力进行计算校正，，由下层控制系统再次发送校正信号调整减振器电机(806)需要转动的方向和角度及比例流量阀(811)的流量阀阀门的开合大小，使得所述悬挂支撑组件(8)的姿态完美匹配路面状况，所述叶片式减振器(805)产生最优阻尼力实现所述装置的主动减振；
步骤5)，继续重复步骤1～4，直至所述装置到达指定地点。
本发明相对于现有技术的技术优点是：
(1)本发明提供的主动减振式消防机器人底座装置及控制方法，通过控制组件的上层控制系统对悬挂支撑组件的姿态及叶片式减振器的阻尼力进行主动控制，以外界控制力的方式抑制路面对车身产生的冲击和车身的倾斜，提高机器人在复杂路面的行驶平顺性和操作稳定性；
(2)本发明利用测距传感器进行路面信息探测，车载陀螺仪和车速传感器实时传输机器人状态，提高机器人悬挂系统动态调整的响应速度，进一步提高机器人的行驶平顺性和操作稳定性；
(3)本发明使用叶片式减振器代替弹簧，使得消防机器人底座能均匀负载且承载大，提高消防机器人探测装置的负载需求；
(4)本发明使用的叶片式减振器，使用寿命长，有效提高悬挂系统的耐久性；
(5)本发明的悬挂支撑组件结构简单，通用性强，易于拆装维修。
附图说明
图1为本发明消防机器人底座整体结构示意图；
图2为本发明消防机器人底座行驶越障示意图；
图3为本发明消防机器人底座内部结构示意图；
图4为本发明消防机器人底座的悬挂支撑组件示意图；
图5为本发明消防机器人底座的叶片式减振器内部示意图；
图6为本发明消防机器人底座的主动式减振控制方法。
图中：右行走机构1、车体2、左行走机构3、驱动机构4、张紧轮组件5、测距传感器6、导向轮7、悬挂支撑组件8、履带9；
张紧轮组件5、张紧轮501、弹簧502、支撑架503；
控制组件201、电池202、车载陀螺仪203、车速传感器204、扭杆支撑座205、驱动轮401、传动杆402、减速器403、驱动电机404；
扭杆801、连杆802、承重轮803、承重轮连杆804、叶片式减振器805、减振器电机806；
叶片式减振器805、减振器电机806、减振器底壳807、固定式叶片808、转动式叶片809、常通阻尼孔810、比例流量阀811、减振器外壳812。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。
如图1所示，本发明的一种主动减振式消防机器人底座装置包括：右行走机构1、车体2和左行走机构3；其中，右行走机构1和左行走机构3均包括驱动机构4、张紧轮组件5、导向轮7、悬挂支撑组件8和履带9；车体2上方安装有测距传感器6，其中，测距传感器可以是激光雷达，也可以是红外传感器或者超声波测距传感器。
如图3所示，一种主动减振式消防机器人底座装置的车体2内部包括控制组件201、电池202、车载陀螺仪203和车速传感器204，均通过螺栓固定在车体2内部。
驱动机构4包括驱动轮401、传动杆402、减速器403和驱动电机404，驱动电机404经减速器403减速后将动力经传动杆402传动到驱动轮401上，驱动电机404和减速器403通过螺栓固定在车体2内部，驱动轮401通过轴承与传动杆402连接；驱动电机404，控制组件201，测距传感器6、车载陀螺仪203和车速传感器204以及减振器电机806均由电池202进行供电。
如图2所示，张紧轮组件5包括张紧轮501、弹簧502和支撑架503，通过支撑架503固定在车体2的侧边，当机器人底座遇到不同路面状况时，悬挂支撑组件8需要调整不同姿态，履带9发生松弛，在弹簧502作用下，张紧轮501可实现上下移动，使得履带9在行进过程中始终保持张紧；
导向轮7设置在履带9的左上角，履带9的轮廓超出车体，确保履带式底座在行进过程中履带结构先接触障碍物，保护箱体不被撞击。
如图4所示，右行走机构1和左行走机构3各设置有若干组悬挂支撑组件8，依据履带实际的长度和机器人底座的实际负载，所述的悬挂支撑组件8也可以设置为二，三，四，五组或者其他数量。每组悬挂支撑组件8包括叶片式减振器805、减振器电机806、承重轮连杆804、承重轮803、连杆802、扭杆801和扭杆支撑座205，其中，扭杆801的一端固定在扭杆支撑座205上，扭杆支撑座205通过螺栓固定在车体2内部，另一端与连杆802连接，当承重轮803发生相对运动，扭杆801跟随连杆802发生转动；承重轮连杆804一端与承重轮803连接，另一端与叶片减振器805的转动式叶片809连接，转动式叶片809与减振器电机806轴连接；
如图5所示，叶片式减振器805包括减振器底壳807、固定式叶片808、转动式叶片809、比例流量阀811和减振器外壳812；其中，叶片式减振器805通过螺栓固定在车体2的侧边；固定式叶片808上设有常通阻尼孔810，所述固定式叶片808和转动式叶片809将叶片式减振器805内部分成四个腔体，这四个腔体与减振器外壳812形成密闭空间，密闭空间内注有液压油，液压油通过所述常通阻尼孔810和比例流量阀811在四个腔体内来回流动，使四个腔体形成高低压油腔，产生阻尼力；比例流量阀811设于转动式叶片809上，所述比例流量阀811包括电磁铁与流量阀，通过电磁铁驱动控制流量阀阀门的开合大小，实现阻尼力的实时调节；
所述控制组件201的上层控制系统结合路面信息，侧倾角信息和速度信息计算每组所述悬挂支撑组件8需要调整的姿态和叶片式减振器805的最优阻尼力，经过数据处理后得到所述减振器电机806需要转动的方向和角度及比例流量阀811的流量阀阀门的开合大小；
所述控制组件201的下层控制系统分别发送信号控制八个减振器电机806，驱动转动式叶片809顺时针或逆时针转动需要的角度，承重轮连杆804在转动式叶片809的作用下带动承重轮803发生向上或向下运动，实现所述悬挂支撑组件8的姿态调整；所述控制组件201的下层控制系统分别发送信号调节八个比例流量阀811上的电磁铁驱动电流，控制比例流量阀811的流量阀阀门开合的大小，从而调节叶片式减振器805内部的节流特性，实现叶片式减振器805的最优阻尼力。
如图6所示，本发明的主动减振式消防机器人底座装置实现主动式减振的方法为：
步骤1：所述装置的车体2上的测距传感器6，在所述装置行驶过程中始终处于探测状态，探测所述装置水平方向(360°)，垂直方向(±70°)范围内路面信息探测，包含但不限定于路面凸起的高度，凹坑的深度及所述装置与所述路面凸起或所述路面凹坑的距离信息，形成所述装置行驶轨迹前的连续路面信息，将路面信息实时传输给控制组件201的上层控制系统作为数据库进行存储，且不断更新数据库；
步骤2：所述控制组件201的上层控制系统结合路面信息计算所述悬挂支撑组件8需要预设的姿态和叶片式减振器805的最优阻尼力，由下层控制系统发送信号控制减振器电机806需要转动的方向和角度及比例流量阀811的流量阀阀门开合大小，使得所述悬挂支撑组件8预先调整好姿态，所述叶片式减振器805产生最优阻尼力；
步骤3：所述装置的车载陀螺仪203和车速传感器204实时处于监测状态，所述车载陀螺仪203进行所述装置侧倾角的探测，所述车速传感器204进行所述装置速度信息的探测，并反馈侧倾角信息和速度信息发送至控制组件201的上层控制系统；
步骤4：控制组件201的上层控制系统结合路面信息，侧倾角信息和速度信息对所述悬挂支撑组件8的姿态和叶片式减振器805的最优阻尼力进行计算校正，由下层控制系统再次发送校正信号调整减振器电机806需要转动的方向和角度及比例流量阀811的流量阀阀门开合大小，使得所述悬挂支撑组件8的姿态完美匹配路面状况，所述叶片式减振器805产生最优阻尼力实现所述装置的主动减振；
步骤5：继续重复步骤1～4，完成了整个控制工作。
