專利名稱：一種室內智能滅火消防機器人的制作方法
技術領域：
本發明設計了一種室內智能滅火消防機器人，該發明涉及消防設備技術領域。
背景技術：
近幾年來，由火災直接導致的經濟損失、人員傷亡日益增加，如何快速準確地進行火源定位、自動消防滅火成為人們普遍關心和深入研究的重要課題。現查到的發明專利CN101758770A “一種火災現場用氣動小車”，其核心內容是“車及如何用氣進行驅動”。現查到的實用新型專利CN201959446U “自動式滅火小車”，其原理是通過“八個火焰傳感器進行探測，之后利用風扇進行滅火”，與當今從小學到大學各層次的滅火機器人比賽涉及到的滅火機器人較相似，但不適用與真正的現場滅火。
在自動滅火裝置方面，自動滅火器的相關發明專利和實用新型專利多是基于某種機理來自動打開滅火器，多針對滅火器裝置本身的改造。現查到的專利里有利用彈簧、布條(或化纖繩或拉繩)、易熔物質密封噴出口、杠桿對擠壓式閥門、火險報警及滅火、電磁閥開關、控制活動柄的電機驅動裝置、電磁鐵及熱敏開關、形狀記憶合金、雙金屬片溫度傳感器做自動啟動。在火焰定位方面，有利用傳感器組檢測火源信號；利用凸透鏡的火源定位探測裝置；雙目攝像火災探測和定位；溫、煙探測傳感器及相應結構配合；水平和垂直兩個維度的傳感器組合。這些火焰定位裝置結構復雜，成本較高。
發明內容
針對上面的技術問題，本發明目的在提供一種結構簡單，實用性強的室內智能滅火消防機器人，能夠自動探測火源位置，自動控制滅火機器人逼近火源，在與火源距離達到一定安全距離(閾值)條件下，自動開啟滅火裝置進行滅火。為實現上述目的，本發明的技術方案是一種室內智能滅火消防機器人，其特征在于，其包括通過雙輪驅動、差速轉彎的消防小車，在消防小車上安裝有火焰定位執行機構和滅火器自動開啟裝置，火焰定位執行機構通過支撐桿10安裝有火焰傳感器裝置9。所述的用于檢測火焰釋放紅外線的火焰傳感器裝置9包含有紅外接收管；紅外接收管的集電結接入+5V電壓，發射結接地，基結開路，隨著接收到得紅外線強度的變化，集電結端的電壓發生變化，集電結作為火焰傳感器模塊的模擬輸出端；將紅外接收管的集電結的另一端接入雙壓比較器中，雙壓比較器的輸出端作為火焰傳感器裝置9的數字輸出端；為了提高測量火源位置的準確性，分別將火焰傳感器裝置9的模擬輸出端和通過A/D轉化器后的數字輸出端接入控制器中。所述火焰傳感器裝置9為周向不透光的中空圓柱體4，內部為階梯孔，凸透鏡2固定在階梯孔內的最大孔徑處，火焰傳感器裝置9中的紅外接收管固定在螺母中，通過螺紋連接安裝在階梯孔內，通過調節凸透鏡2與敏感器件之間的距離調節火焰傳感器的敏感系數。所述定位執行機構包括定位平臺13，在定位平臺13和小車底盤16分別安裝有與控制器相連的控制火焰傳感器裝置9周向和垂向運動的步進電機驅動裝置。所述安裝于定位平臺13底部的步進電機驅動裝置包括有一與滅火控制器相連的步進電機17，步進電機17的輸出軸與小齒輪18同軸一體連接，小齒輪18與碼盤11同軸一體連接，同時小齒輪18與大齒輪112相嚙合，大齒輪112與火焰傳感器裝置9的支撐桿10同軸連接；通過對此步進電機17的控制控制火焰傳感器裝置9周向運動。所述安裝于小車底盤16的步進電機驅動裝置包括有一與滅火控制器相連的步進電機1117，步進電機1117的輸出軸與絲杠115同軸一體連接，絲杠115的另一端與螺母1114之間通過螺紋連接，螺母1114固定于定位平臺13上，步進電機1117帶動絲杠115運動時，由于螺母Π14固定，絲杠115的運動帶動定位平臺13垂向運動。
所述消防小車由超生測距模塊、一個萬向輪30和兩個驅動輪33構成；超生測距模塊具有測距和避障的功能；兩個驅動輪33分別采用兩臺直流電機進行驅動；消防小車在控制器接收到探測火焰傳感器9的輸出信號和超生測距避障模塊的相關信號后，發出控制消防小車的具體指令，實現消防小車的智能運行。所述滅火器自動開啟裝置包括有裝有滅火劑的罐體18，罐體18的頂部固定有支撐柄22，支撐柄22上鉸接有活動柄21，罐體18的頂部側面設置有噴嘴20，活動柄21與控制噴嘴20的閥門相連，下壓活動柄21打開閥門使滅火劑從噴嘴20噴出；活動柄21與支撐柄22之間設有彈性回彈裝置，使得活動柄21在不受壓時回彈關閉噴嘴20的閥門；其特征在于在支撐柄22和活動柄21之間安裝有可將活動柄21下壓的電機驅動裝置。所述的電機驅動裝置包括有一與滅火控制器相連的直流電機23，直流電機23的輸出軸與小齒輪Π25同軸一體連接，小齒輪1125與大齒輪1124相嚙合，大齒輪1124與絲杠1127的一端通過螺紋連接，絲杠1127的另一端與螺母1128 —體連接，活動柄21的自由端一側通過鐵片壓在螺母1128上。在支撐柄22和活動柄21之間連接有控制活動柄21下壓位置的限位開關19，限位開關19的輸出端與滅火控制器相連，限位開關19接地。所述的滅火控制器的核心部件為單片機34。本發明與現有技術相比有以下優點結構新穎，使用方便，自動實現火源定位與自動快速滅火。本發明主要由火焰傳感器及其定位執行機構，滅火器自動啟閉裝置和消防小車組成。當定位執行機構帶動傳感器在周向和垂向掃描過程中發現火源后，控制器控制消防小車自動尋找合適的路徑，當消防小車與火源距離達到安全閾值時自動啟動滅火器裝置進行滅火。其中傳感器部分通過凸透鏡對入射光線放大，提高了火焰檢測的范圍；定位執行機構通過對定位平臺控制實現火源掃描功能；滅火器自動啟動裝置在普通滅火器及基礎上增加了可將活動柄下壓的電機驅動裝置和以單片機為核心的控制器，由于采用了絲杠螺母的螺旋傳動配合，動力裝置能夠平穩、可靠、快速的運轉。同時，絲杠的螺旋止回特性可有效防止電機停轉后活動柄的回彈。這種裝置結構新穎，易于操作控制，有很好的應用前景。
圖I為凸透鏡放大原理圖；圖2為實際火焰傳感器裝置的結構示意圖3為傳感器控制電路原理圖；圖4為定位執行機構結構示意圖；圖5為滅火器自動開啟裝置結構示意圖；圖6為消防小車結構示意圖；圖7為火焰掃描路線示意圖；圖8為室內智能滅火消防機器人總體控制示意圖；圖9為室內智能滅火消防機器人總體工作流程圖。圖中1、入射光線，2、凸透鏡，3火焰傳感器敏感器件，4、圓柱體，5、螺紋孔，6、螺 母1，7、步進電機1，8、小齒輪1，9、火焰傳感器裝置，10、支撐桿，11、碼盤，12、大齒輪I，13、定位平臺，14、螺母II，15、絲杠I，16、小車底盤，17、步進電機II，18、罐體，19、限位開關，20、噴嘴，21、活動柄，22、支撐柄，23、直流電機，24、大齒輪II，25、小齒輪II，26、墊片，27、絲杠II，28、螺母II，29、超聲波傳感器，30、萬向輪，31、絲杠孔，32、滅火器固定部分，33、驅動輪，34、單片機
具體實施方案一種室內智能滅火消防機器人，包括采用數字量和模擬量兩種輸出方式的火焰傳感器裝置及火焰定位執行機構，在普通滅火器基礎上增加電機驅動裝置實現滅火器自動啟閉裝置功能，以及通過雙輪驅動、兩輪差速轉彎的自動消防小車。下面結合具體實施方案對本發明進行詳細介紹。圖I為凸透鏡放大原理圖，當室內有火災發生時，火災釋放的能量會隨距離的增加而減少，當消防小車距離火災太遠時，可能由于能量減小無法探測到火災。為了提高火災檢測范圍，采用了比較直接和理想的方式對傳感器的入射光線I進行聚焦，將火焰傳感器敏感器件3放在凸透鏡2的焦點處。圖2為實際火焰傳感器裝置的結構示意圖，火焰傳感器裝置的外部是一個黑色塑料制成的圓柱體4，內部通過車床車成階梯孔。最左邊的階梯孔用于固定凸透鏡2，最右邊的階梯孔車一個螺紋孔5，火焰傳感器敏感器件3固定在與之配合的螺母16中。敏感器件3通過螺母16與圓柱體4之間通過螺紋連接在一起。這種結構設計，有利于調整凸透鏡2與敏感器件3之間的距離和傳感器的敏感系數。圖3為傳感器控制電路原理圖，紅外接收管NI采用NPN結構，紅外接收管NI的集電結接入+5V電壓，發射結接地，基結開路；當火災發出的光照射到紅外管NI上時，流過紅外接收管NI中的光電流大小也隨之變化，集電結端的電壓會發生變化；集電結作為火焰傳感器模塊的模擬輸出端；同時將集電結的一端接入雙壓比較器中，雙壓比較器的輸出端作為火焰傳感器模塊的數字輸出端；為了提高測量火源位置的準確性，分別將火焰傳感器模塊的模擬輸出端和通過A/D轉換器后的數字輸出端接入以單片機的核心的控制器中。圖4為定位執行機構結構示意圖，包括定位平臺13，在定位平臺13和小車底盤16安裝有與控制器相連的可以控制火焰傳感器裝置9周向和垂向運動的步進電機驅動裝置。安裝于定位平臺13底部的步進電機驅動裝置包括有一與滅火控制器相連的步進電機7，步進電機17的輸出軸與小齒輪12同軸一體連接，小齒輪12與碼盤11同軸一體連接，同時小齒輪與大齒輪18相嚙合，大齒輪18與火焰傳感器裝置9的支撐桿10同軸連接。當步進電機17轉動時，通過一對齒輪嚙合傳動，將帶動火焰傳感器裝置9在XOY平面內360°旋轉，同時通過碼盤11可以檢測和控制火焰傳感器裝置9轉過的角度。安裝于小車底部的步進電機驅動裝置包括有一與滅火控制器相連的步進電機1117，步進電機1117的輸出軸與絲杠115同軸一體連接，絲杠115的另一端與螺母1114之間通過螺紋連接，螺母固定于定位平臺13上，步進電機1117帶動絲杠115運動時，由于螺母Π14固定，絲杠115的運動將會帶動定位平臺13垂向運動。定位執行機構的運動過程如下步進電機17通過一對嚙合齒輪18、12控制火焰傳感器裝置9在XOY平面內繞Z軸旋轉進行火焰掃描，火焰掃描定位采用20*20的矩陣掃描法，掃描過程如圖Z所示，同時通過與小齒輪12同軸一體相連的碼盤11檢測傳感器旋轉的角度；步進電機1117通過控制絲杠115和螺母1114使定位平臺13沿Z軸方向移動。當室內某處發生火災時，傳感器在掃描過程中可以記下火源發生的角度，然后通過單片機34控制消防小車向火源移動，當距離火源達到一定閾值時，自動開啟滅火器完成滅火功能。 圖&為滅火器自動開啟裝置結構示意圖，本發明的罐體18內裝有高壓的滅火化學齊U，罐體18的頂部固定有支撐柄22，支撐柄上鉸接有活動柄21，罐體18的頂部的側面設有噴嘴20，下壓活動柄21可以打開閥門使滅火物質從噴嘴20噴出，活動柄21與支撐柄22之間設有彈性回復裝置，活動柄21不受壓時可彈回關閉閥門，這種結構與普通滅火器基本相同。滅火器自動開啟裝置如下描述在罐體18最右側固定有直流電機23，直流電機23的輸出軸與小齒輪8同軸一體連接，活動柄21的自由端一側通過鐵片壓在螺母1128上，螺母1128與大齒輪124同軸連接的絲杠1127實現傳動配合。直流電機23的工作是通過單片機為核心的控制器進行控制，火焰傳感器在檢測到火源時，可以通過單片機控制電機工作采用脈寬調制技術調節電機轉速。在支撐柄22和活動柄21之間與支撐柄22的的底部設有觸頭朝上的限位開關19，該限位開關19接地，當活動柄21觸及到限位開關19時，單片機34對應的輸入/輸出口可以檢測到此限位低電平信號，從而控制電機停止運轉。滅火器自動開啟裝置在實際工作中安放在消防小車上，當有火情出現時，火焰傳感器裝置感應到煙霧信號且控制器控制消防小車趨近到距離火源一定距離后啟動電機23，電機23帶動同軸連接的小齒輪1125轉動，通過嚙合傳動，帶動大齒輪124轉動，大齒輪帶動絲杠1127轉動，絲杠1127帶動螺母1128向下運動，使活動柄21的自由端跟隨螺母1128一起下降，從而打開閥門，使滅火劑從噴嘴20噴出進行滅火。當活動柄21的自由端下降距離已經滿足開啟閥門的需要時，活動柄21接觸下壓支撐柄22上所設的限位開關19，單片機在檢測到此限位低電平信號后，關閉電機23，使絲杠1127停止旋轉下拉螺母1128，避免絲杠1127過度下拉螺母1128造成結構拉斷或者滑絲，且不會燒壞電機23，由于絲杠1127和螺母Π28是螺旋配合具有止回性，絲杠1127停止運動，仍能保持活動柄21處于下壓打開滅火閥門的狀態，而不會彈回。圖豆為消防小車結構示意圖，包括安裝在消防小車前端的超聲波傳感器29，萬向輪30，通過兩臺直流電機控制的兩個導向輪33，在消防小車地盤上面安裝有單片機34，滅火器固定部分32和絲杠孔31。當火焰傳感裝置檢測到火災時，超聲波傳感器29檢測火災當前距離，然后單片機34控制消防小車兩個導向輪33安裝的直流電機向火源靠近，如果途中遇到障礙，小車通過差動轉彎繞開障礙物。當消防小車到達距離火災一定的安全距離后，單片機34控制滅火器自動啟動裝置開啟進行滅火。圖8為室內智能滅火消防小車的總體控制示意圖，以單片機為核心的控制器的輸入部分包括火焰傳感器、超聲波傳感器、限位開關、禮型光耦碼盤模塊；輸出部分包括直流電機和步進電機驅動模塊。圖9為室內智能滅火消防小車的總體工作流程圖，系統初始化后，定位執行裝置帶動火焰傳感器進行火源掃描，一旦發現室內火源后，通過車體安裝的超聲波傳感器進行測距，同時通過控制器控制小車前行逐漸靠近火源，當途中遇到障礙物時，系統通過對消防 小車的調控，實現避障功能。最后，當消防小車到達距離火源一定的安全距離后，自動開啟滅火裝置快速滅火。
權利要求
1.一種室內智能滅火消防機器人，其特征在于，其包括通過雙輪驅動、差速轉彎的消防小車，在消防小車上安裝有火焰定位執行機構和滅火器自動開啟裝置，火焰定位執行機構通過支撐桿(10 )安裝有火焰傳感器裝置(9 )。
2.根據權利要求I所述的室內智能滅火消防機器人，其特征在于所述的用于檢測火焰釋放紅外線的火焰傳感器裝置(9)包含有紅外接收管；紅外接收管的集電結接入+5V電壓，發射結接地，基結開路，隨著接收到得紅外線強度的變化，集電結端的電壓發生變化，集電結作為火焰傳感器模塊的模擬輸出端；將紅外接收管的集電結的另一端接入雙壓比較器中，雙壓比較器的輸出端作為火焰傳感器裝置(9)的數字輸出端；為了提高測量火源位置的準確性，分別將火焰傳感器裝置(9)的模擬輸出端和通過A/D轉化器后的數字輸出端接入控制器中。
3.根據權利要求I所述的室內智能滅火消防機器人，其特征在于所述火焰傳感器裝置(9)為周向不透光的中空圓柱體(4)，內部為階梯孔，凸透鏡(2)固定在階梯孔內的最大孔徑處，火焰傳感器裝置(9)中的紅外接收管固定在螺母中，通過螺紋連接安裝在階梯孔內，通過調節凸透鏡(2)與敏感器件之間的距離調節火焰傳感器的敏感系數。
4.根據權利要求I所述的室內智能滅火消防機器人，其特征在于所述定位執行機構包括定位平臺(13)，在定位平臺(13)和小車底盤(16)分別安裝有與控制器相連的控制火焰傳感器裝置(9)周向和垂向運動的步進電機驅動裝置。
5.根據權利要求4所述的室內智能滅火消防機器人，其特征在于所述安裝于定位平臺(13)底部的步進電機驅動裝置包括有一與滅火控制器相連的步進電機I (7)，步進電機I (7)的輸出軸與小齒輪I (8)同軸一體連接，小齒輪I (8)與碼盤(11)同軸一體連接，同時小齒輪I (8)與大齒輪I (12)相嚙合，大齒輪I (12)與火焰傳感器裝置(9)的支撐桿(10)同軸連接；通過對此步進電機I (7)的控制控制火焰傳感器裝置(9)周向運動。
6.根據權利要求4所述的室內智能滅火消防機器人，其特征在于所述安裝于小車底盤(16)的步進電機驅動裝置包括有一與滅火控制器相連的步進電機IIl (7)，步進電機II(17)的輸出軸與絲杠I (15)同軸一體連接，絲杠I (15)的另一端與螺母IIl (4)之間通過螺紋連接，螺母II (14)固定于定位平臺(13)上，步進電機II (17)帶動絲杠I (15)運動時，由于螺母II (14)固定，絲杠I (15)的運動帶動定位平臺(13)垂向運動。
7.根據權利要求I所述的室內智能滅火消防機器人，其特征在于所述消防小車由超生測距模塊、一個萬向輪(30)和兩個驅動輪(33)構成；超生測距模塊具有測距和避障的功能；兩個驅動輪(33)分別采用兩臺直流電機進行驅動；消防小車在控制器接收到探測火焰傳感器(9)的輸出信號和超生測距避障模塊的相關信號后，發出控制消防小車的具體指令，實現消防小車的智能運行。
8.根據權利要求I所述的室內智能滅火消防機器人，其特征在于，所述滅火器自動開啟裝置包括有裝有滅火劑的罐體(18 )，罐體(18 )的頂部固定有支撐柄(22 )，支撐柄(22 )上鉸接有活動柄(21)，罐體(18)的頂部側面設置有噴嘴(20)，活動柄(21)與控制噴嘴(20)的閥門相連，下壓活動柄(21)打開閥門使滅火劑從噴嘴(20)噴出；活動柄(21)與支撐柄(22)之間設有彈性回彈裝置，使得活動柄(21)在不受壓時回彈關閉噴嘴(20)的閥門；其特征在于在支撐柄(22)和活動柄(21)之間安裝有可將活動柄(21)下壓的電機驅動裝置。
9.根據權利要求8所述的室內智能滅火消防機器人，其特征在于所述的電機驅動裝置包括有一與滅火控制器相連的直流電機(23)，直流電機(23)的輸出軸與小齒輪II (25)同軸一體連接，小齒輪II (25)與大齒輪II (24)相嚙合，大齒輪II (24)與絲杠II (27)的一端通過螺紋連接，絲杠II (27)的另一端與螺母II (28) 一體連接，活動柄(21)的自由端一側通過鐵片壓在螺母II (28)上。在支撐柄(22)和活動柄(21)之間連接有控制活動柄(21)下壓位置的限位開關(19)，限位開關(19)的輸出端與滅火控制器相連，限位開關(19接地。
10.根據權利要求9所述的室內智能滅火消防機器人，其特征在于所述的滅火控制器的核心部件為單片機(34)。
全文摘要
一種室內智能滅火消防機器人，涉及消防設備技術領域。其包括通過雙輪驅動、差速轉彎的消防小車，在消防小車上安裝有火焰定位執行機構和滅火器自動開啟裝置，火焰定位執行機構通過支撐桿安裝有火焰傳感器裝置。當定位執行機構帶動傳感器在周向和垂向掃描過程中發現火源后，控制器控制消防小車自動尋找合適的路徑，當消防小車與火源距離達到安全閾值時自動啟動滅火器裝置進行滅火。本發明結構新穎，使用方便，自動實現火源定位與自動快速滅火。
文檔編號A62C27/00GK102872562SQ20121041399
公開日2013年1月16日 申請日期2012年10月25日 優先權日2012年10月25日
發明者王華慶, 趙慶亮, 李瑞彤, 屈紅偉, 董章俊 申請人:北京化工大學