CN114470581A - 一种基于可变直径轮的消防机器人及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可变直径轮、可变直径轮移动平台和全地形消防机器人及其控制方法，包括：多个T形胎体、第一直线圆盘、第二直线圆盘和渐开线圆盘；每一T形胎体的纵向段的一端均连接第一支撑连杆和第二支撑连杆；每一第一支撑连杆与相邻前一个T形胎体连接的第二支撑杆通过圆盘连接柱连接；每一第二支撑连杆与相邻后一T形胎体连接的第一支撑杆通过另一圆盘连接柱连接；每一圆盘连接柱的一端嵌入第一直线圆盘的径向直线型槽道内；每一圆盘连接柱的另一端贯穿第二直线圆盘的一径向直线型槽道并嵌入渐开线圆盘上的一个径向弧线型槽道内；直线圆盘和渐开线圆盘利用对应的电机驱动，来改变轮胎直径，利用可变直径轮能够提高机器人的越障能力和运动速度。

Description

一种基于可变直径轮的消防机器人及其控制方法

技术领域

本发明涉及消防机器人领域，特别是涉及一种可变直径轮、可变直径轮移动平台和全地形消防机器人及其控制方法。

背景技术

近年来，随着城市化进程的加快，各种高层住房，大型公用建筑等不断出现，为了工业发展所需要的大型化工厂和工业园区也不断被兴建，这种高低错落的城市建筑群极大的增加了消防救援的难度，传统的消防水车难以接近或者进入到建筑物内部的火灾区域进行救火，大大降低了火灾扑救的效率；此外，位于城市边郊地区的森林因其地形、地貌和气候的复杂性，加之不同类型的植被分布广泛，可燃物众多，一旦发生火灾，火势发展十分迅猛、火场变化规律极其复杂，同样也存在消防人员或者消防设备不能及时进入到火灾发生区域进行灭火的问题，因此森林火灾也成为了消防部门防范的重点对象。

消防机器人作为一种新型的灭火装备，可以代替消防员进入到危险区域，并且可以工作在有毒、浓烟、缺氧的环境中，这极大的保障了消防人员的生命安全，但是现有的消防机器人在复杂环境中存在着越障能力不足，移动速度缓慢的问题，不能在火灾发生的初期，火势还未蔓延的时候就及时赶到火灾发生区域灭火。目前，为提高消防机器人越障能力的同时保障其机动性，通常采用的方法是可变形轮移动底盘技术。但目前的可变形轮设计主要集中在轮式到履带式形态之间的切换，虽然履带式移动底盘的越野性能较好，爬坡能力强，但是这种底盘的制作成本较高，故障率高且运行速度低，因此消防机器人不能一直以行进效率最高的方式移动，因此，设计具有较高越障能力且移动效率的可变直径轮是目前追求的目标，对此本发明提供一种可变直径轮、可变直径轮移动平台和全地形消防机器人及其控制方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种可变直径轮、可变直径轮移动平台和消防机器人及其控制方法，能够根据需求改变轮胎的直径大小，从而能够基于可变直径轮提高越障能力，进而提高运动速度。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种可变直径轮，包括：多个T形胎体、第一直线圆盘、第二直线圆盘和渐开线圆盘；

所述第一直线圆盘和所述第二直线圆盘上均设有多个径向直线型槽道；所述渐开线圆盘上设有多个径向弧线型槽道；

多个所述T形胎体首尾依次连接形成完整轮胎；每一所述T形胎体的纵向段的一端均连接有两个支撑连杆，按照顺时针方向依次记为第一支撑连杆和第二支撑连杆；

沿顺时针方向定义前后方向；每一所述第一支撑连杆的连杆连接端与相邻的前一个所述T形胎体连接的所述第二支撑杆的连杆连接端通过一个圆盘连接柱连接；每一所述第二支撑连杆的连杆连接端与相邻的后一个所述T形胎体的纵向段连接的所述第一支撑杆的连杆连接端通过另一个圆盘连接柱连接；

每一所述圆盘连接柱的一端嵌入所述第一直线圆盘上的一个所述径向直线型槽道内；每一所述圆盘连接柱的另一端贯穿所述第二直线圆盘上的一个所述径向直线型槽道并嵌入所述渐开线圆盘上的一个所述径向弧线型槽道内；

所述第一直线圆盘和所述第二直线圆盘通过可变直径轮驱动轴与可变直径轮驱动电机连接；所述渐开线圆盘通过渐开线圆盘驱动轴与渐开线圆盘驱动电机连接；所述可变直径轮驱动轴设于所述渐开线圆盘驱动轴内；

所述可变直径轮驱动电机，用于驱动所述第一直线圆盘和所述第二直线圆盘转动，从而带动轮胎运动；

所述渐开线圆盘驱动电机，用于驱动所述渐开线圆盘驱动轴转动进而带动所述渐开线圆盘转动，从而使所述圆盘连接柱在所述径向弧线型槽道和所述径向直线型槽道内运动，实现了轮胎直径的伸缩可变。

一种可变直径轮移动平台，包括底板和至少一个第一可变直径轮及驱动机组件和至少一个第二可变直径轮及驱动机组件，所述第一可变直径轮及驱动机组件和所述第二可变直径轮及驱动机组件的结构轴对称；

所述第一可变直径轮及驱动机组件包括设于底板同一侧的两个可变直径轮，两个蜗轮蜗杆箱、一个锥齿轮箱、两个可变直径轮驱动电机和一个渐开线圆盘驱动机构；

每一所述可变直径轮的可变直径轮驱动轴连接一个所述可变直径轮驱动电机；

每一所述可变直径轮和对应的所述可变直径轮驱动电机之间设有一蜗轮蜗杆箱；

每一所述可变直径轮的渐开线圆盘驱动轴贯穿对应的蜗轮蜗杆箱的蜗轮并与所述蜗轮连接；

两个所述蜗轮蜗杆箱的蜗杆分别连接所述锥齿轮箱的两个输出轴；

所述锥齿轮箱的输入轴连接所述渐开线圆盘驱动机构；

所述渐开线圆盘驱动机构，用于控制渐开线圆盘驱动电机的轴与所述锥齿轮箱的输入轴连接或断开。

一种全地形消防机器人，包括：可变直径轮移动平台、感知系统、灭火执行系统、定位系统、通信系统和中央控制系统；

所述可变直径轮移动平台的渐开线圆盘驱动电机和可变直径轮驱动电机、所述感知系统、所述灭火执行系统、所述定位系统和所述通信系统均与所述中央控制系统连接；

所述感知系统、所述灭火执行系统、所述定位系统、所述通信系统和所述中央控制系统均设于所述可变直径轮移动平台的底板上；

所述感知系统包括视觉传感器模块；所述视觉传感器模块，用于获取全地形消防机器人前进路径中的图像；

所述灭火执行系统包括消防水炮和储水箱；所述消防水炮包括喷头、流量控制阀和加压装置；

所述喷头与所述流量控制阀的一端连接，所述流量控制阀的另一端通过连接管路与所述加压装置的一端连接，所述加压装置的另一端与所述储水箱连接；所述流量控制阀和所述加压装置还与所述中央控制系统连接；

所述定位系统，用于获取所述全地形消防机器人的当前位置；

所述通信系统，用于将所述中央控制系统接收的所述感知系统采集的信息和所述定位系统采集的信息传输至远程控制端或接收所述远程控制端发送至全地形消防机器人控制指令并传输至所述中央控制系统；

所述中央控制系统，用于根据所述感知系统采集的信息和所述定位系统采集的信息控制所述可变直径轮移动平台运动至灭火目标位置，并通过控制所述流量控制阀和所述加压装置执行灭火操作。

一种全地形消防机器人的控制方法，包括：

获取机器人定位位置；

比较所述定位位置与灭火目标位置的位置差异，得到比较结果；

根据比较结果控制全地形消防机器人的可变直径轮驱动电机转动带动可变直径轮移动平台向着所述灭火目标位置运动；

获取所述机器人前进路径中的图像；

根据所述图像判断所述前进路径中是否存在障碍物，得到第一判断结果；

当第一判断结果为否时，则控制所述机器人继续前进，并返回步骤“获取机器人定位位置”；直至到达所述目标位置；

当第一判断结果为是时，判断所述障碍物的大小是否小于预设障碍物大小，得到第二判断结果；

当所述第二判断结果为否时，则控制所述机器人的所述可变直径轮驱动电机停止转动，同时控制渐开线圆盘驱动机构的渐开线圆盘驱动电机带动渐开线圆盘转动，直至可变直径轮的半径达到预设半径，控制所述渐开线圆盘驱动机构断开渐开线圆盘驱动电机和渐开线圆盘的连接关系，渐开线圆盘停止转动，控制所述可变直径轮驱动电机转动；并返回步骤“控制所述机器人继续前进”；直至到达所述灭火目标位置；

当所述第二判断结果为是时，则返回步骤“控制所述机器人继续前进”；

当所述机器人到达所述灭火目标位置，控制流量控制阀和加压装置的状态执行灭火操作。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提供一种可变直径轮、可变直径轮移动平台和全地形消防机器人及其控制方法，包括：多个T形胎体、第一直线圆盘、第二直线圆盘和渐开线圆盘；每一T形胎体的纵向段的一端均连接有第一支撑连杆和第二支撑连杆；每一第一支撑连杆与相邻的前一个T形胎体连接的第二支撑杆通过一个圆盘连接柱连接；每一第二支撑连杆与相邻的后一T形胎体连接的第一支撑杆通过另一圆盘连接柱连接；每一圆盘连接柱的一端嵌入第一直线圆盘上的一径向直线型槽道内；每一圆盘连接柱的另一端贯穿第二直线圆盘上的一径向直线型槽道并嵌入渐开线圆盘上的一个径向弧线型槽道内；直线圆盘和渐开线圆盘利用对应的电机驱动，来改变轮胎直径，利用可变直径轮能够提高越障能力和运动速度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1提供的一种可变直径轮侧视截面图；

图2为本发明实施例1提供的变形状态和未变形状态下的可变直径轮的渐开线圆盘面的结构示意图；

图3为本发明实施例1提供的变形状态和未变形状态下的可变直径轮的第一直线圆盘面的结构示意图；

图4为本发明实施例2提供的一种可变直径轮移动平台结构示意图；

图5为本发明实施例2提供的蜗轮蜗杆箱结构示意图；

图6为本发明实施例2提供的锥齿轮箱结构示意图；

图7为本发明实施例2提供的渐开线圆盘驱动机构结构示意图；

图8为本发明实施例3提供的一种全地形消防机器人结构示意图；

图9为本发明实施例3提供的灭火执行系统结构示意图；

图10为本发明实施例3提供的感知系统结构示意图；

图11为本发明实施例3提供的可变直径轮半径最小状态下的全地形消防机器人结构示意图；

图12为本发明实施例3提供的可变直径轮完全张开状态下的全地形消防机器人结构示意图；

图13为本发明实施例4提供的一种全地形消防机器人控制方法流程图。

附图标记：

100：可变直径轮；200：可变直径轮移动平台；1：T形胎体；2：第一直线圆盘；3：第二直线圆盘；4：渐开线圆盘；5：径向直线型槽道；6：径向弧线型槽道；7：第一支撑连杆；8：第二支撑连杆；9：胎体连接柱；10：圆盘连接柱；11：可变直径轮驱动轴；12：可变直径轮驱动电机；13：渐开线圆盘驱动轴；14：渐开线圆盘驱动电机；15：支撑轴承；16：底板；17：蜗轮蜗杆箱；171：蜗轮；172：蜗杆；18：锥齿轮箱；19：渐开线圆盘驱动机构；191：推杆驱动电机；192：可伸缩推杆；193：电机滑块；194：电机导轨；20：联轴器；21：传动轴；22：输出轴；23：输入轴；24：供能系统；25：电机驱动器；26：感知系统；261：视觉传感器模块；262：照明模块；2621：探照灯；2622：光线传感器；263：气体检测模块；27：灭火执行系统；271：消防水炮；2711：喷头；2712：流量控制阀；2713：加压装置；272：储水箱；28：定位系统；29：通信系统。

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。

本发明的目的是提供一种可变直径轮、可变直径轮移动平台和全地形消防机器人及其控制方法，能够根据需求改变轮胎的直径大小，从而能够基于可变直径轮提高越障能力，进而提高运动速度。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例1

如图1、图2和图3所示，本实施例提供一种可变直径轮100，包括：多个T形胎体1、第一直线圆盘2、第二直线圆盘3和渐开线圆盘4；

所述第一直线圆盘2和所述第二直线圆盘3上均设有多个径向直线型槽道5；所述渐开线圆盘4上设有多个径向弧线型槽道6；

每一所述T形胎体1的纵向段的一端均连接有两个支撑连杆，按照顺时针方向依次记为第一支撑连杆7和第二支撑连杆8；所述T形胎体1的纵向段的一端与两个支撑连杆通过胎体连接柱9连接；可变直径轮的直径变大后，多个T形胎体1由直接连接状态变为分离状态，即T形胎体1由连续变为离散。

为了便于可变直径轮100行走，可以要求所述T形胎体1的横向段的外表面设成弧形，当多个所述T形胎体1首尾依次连接时能够形成一个完整轮胎；

其中，所述第一支撑连杆7和所述第二支撑连杆8设于所述第一直线圆盘2和所述第二直线圆盘3之间。

进一步的，所述第一支撑连杆7和所述第二支撑连杆8分别连接于所述T形胎体1的纵向段相对的两侧。

沿顺时针方向定义前后方向；每一所述第一支撑连杆7的连杆连接端与相邻的前一个所述T形胎体1连接的所述第二支撑杆的连杆连接端通过一个圆盘连接柱10连接；每一所述第二支撑连杆8的连杆连接端与相邻的后一个所述T形胎体1的纵向段连接的所述第一支撑杆的连杆连接端通过另一个圆盘连接柱10连接；

每一所述圆盘连接柱10的一端嵌入所述第一直线圆盘2上的一个所述径向直线型槽道5内；每一所述圆盘连接柱10的另一端贯穿所述第二直线圆盘3上的一个所述径向直线型槽道5并嵌入所述渐开线圆盘4上的一个所述径向弧线型槽道6内；

所述第一直线圆盘2和所述第二直线圆盘3通过可变直径轮驱动轴11与可变直径轮驱动电机12(图1至图3中未示出)连接；所述渐开线圆盘4通过渐开线圆盘驱动轴13与渐开线圆盘驱动电机14(图1至图3中未示出)连接；所述可变直径轮驱动轴11设于所述渐开线圆盘驱动轴13内；其中，为了便于渐开线圆盘4的稳定，可以在渐开线圆盘4与可变直径轮驱动轴11之间设支撑轴承15。

所述可变直径轮驱动电机12，用于驱动所述第一直线圆盘2和所述第二直线圆盘3转动，从而带动轮胎运动；

所述渐开线圆盘驱动电机14，用于驱动所述渐开线圆盘驱动轴13转动进而带动所述渐开线圆盘4转动，从而使所述圆盘连接柱10在所述径向弧线型槽道6和所述径向直线型槽道5内运动，实现了轮胎直径的伸缩可变。

渐开线圆盘驱动轴13和直线圆盘驱动轴的一端都是法兰盘的形状，渐开线圆盘驱动轴13与渐开线圆盘4固连，直线圆盘驱动轴与直线圆盘固连。渐开线圆盘驱动轴13是空心轴，可变直径轮驱动轴11插入渐开线圆盘驱动轴13内，并保持同轴。

所述径向直线型槽道5的数量与所述径向弧线型槽道6的数量以及所述圆盘连接柱10的数量均相同。也就是说一个圆盘连接柱10对应着一个径向直线型槽道5和一个径向弧线型槽道6。

可变直径轮半径改变的原理：渐开线圆盘驱动电机14可以带动渐开线圆盘4绕轴转动，当渐开线圆盘4绕着中轴线进行旋转的时候，圆盘连接柱10就会沿着直线圆盘槽道，由内圈往外圈移动，由于T形胎体1通过胎体连接柱9和支撑连杆连在一起，支撑连杆的两端分别是圆盘连接柱10和胎体连接柱9，因此T形胎体1会随着圆盘连接柱10的移动而沿着直线圆盘的径向运动，从而实现了轮子半径的改变，实现可变直径轮的轮径改变，。

本实施例中，车轮张开之后，相邻支撑杆形成三角形结构，保证行车过程中的稳定性，实现轮式到多足式的切换，面对崎岖不平的路面，可以增加车轮的着力点，具备更好的越障能力，实现对复杂环境的强适应能力。另外，使用模块化的“T”型胎体模块代替传统设置在轮辋上的轮胎，不需要车轮的内胎，可以防止扎胎或爆胎现象，提高了轮胎的安全性，同样地，通过这种模块化的设计，可以对磨损的部分单独进行拆卸更换，减少了修理的成本。

实施例2

如图4所示，本实施例提供一种可变直径轮移动平台200，包括底板16、至少一个第一可变直径轮及驱动机组件和至少一个第二可变直径轮及驱动机组件，所述第一可变直径轮及驱动机组件和所述第二可变直径轮及驱动机组件的结构轴对称；

所述第一可变直径轮及驱动机组件包括设于底板同一侧的两个可变直径轮，两个蜗轮蜗杆箱17、一个锥齿轮箱18、两个可变直径轮驱动电机和一个渐开线圆盘驱动机构19；

每一所述可变直径轮的可变直径轮驱动轴连接一个所述可变直径轮驱动电机；

每一所述可变直径轮和对应的所述可变直径轮驱动电机之间设有一蜗轮蜗杆箱；

每一所述可变直径轮的渐开线圆盘驱动轴贯穿对应的蜗轮蜗杆箱的蜗轮171并与所述蜗轮171连接；渐开线圆盘驱动轴和蜗轮之间采用过盈配合的连接方式。

两个所述蜗轮蜗杆箱的蜗杆172分别连接所述锥齿轮箱18的两个输出轴22；如图5所示，给出了蜗轮蜗杆箱的立体结构图和内部结构图。

所述锥齿轮箱18的输入轴23连接所述渐开线圆盘驱动机构19；如图6所示，给出了锥齿轮箱18的立体结构图和内部结构图。

所述渐开线圆盘驱动机构19，用于控制渐开线圆盘驱动电机的轴与所述锥齿轮箱18的输入轴23连接或断开。

如图7所示，所述渐开线圆盘驱动机构19包括推杆驱动电机191、与所述推杆驱动电机191轴连接的可伸缩推杆192、与所述可伸缩推杆192连接的电机滑块193和用于实现所述电机滑块193沿所述锥齿轮箱18的输入轴23的方向往复滑动的电机导轨194；

所述渐开线圆盘驱动电机设于所述电机滑块193上。

位于底板同一侧的两个蜗轮蜗杆箱的的蜗杆通过联轴器20、传动轴21和锥齿轮箱18的输出轴22连接，从而能够实现利用一个渐开线圆盘驱动电机驱动对应侧的两个可变直径轮的渐开线圆盘4旋转。

所述底板16的底部还设有供能系统24，所述供能系统24与所述推杆驱动电机191、所述渐开线圆盘驱动电机14和所述可变直径轮驱动电机12连接。供能系统24主要由高密度电池组成。所述渐开线圆盘驱动电机14和所述可变直径轮驱动电机12上设有电机驱动器25。

为了便于理解，可以描述为驱动系统包括渐开线圆盘驱动机构19，可变直径轮驱动电机12，电机驱动器25；传动系统包括锥齿轮箱18，联轴器20，传动轴21，蜗轮蜗杆箱17；

本实施例中，车轮正常行驶的时候，可变直径轮驱动电机12工作。当通过电动推杆带动电机滑块移动，可以实现渐开线圆盘驱动电机14与锥齿轮箱18的断开或者连接，从而完成变形过程，所以车轮在正常行驶的时候，可变直径轮驱动电机不工作，实现了可变直径轮的滚动与变形的解耦。

可变直径轮的滚动速度调整与车轮直径调整是两个独立的过程，互相不影响，保证了可变直径轮的正常工作。

本实施例中，通过设置蜗轮蜗杆箱17和锥齿轮箱18，从而实现渐开线圆盘驱动电机14和可变直径轮驱动电机12对可变直径轮的渐开线圆盘4和直线圆盘的独立控制。其中，蜗杆172通过联轴器20和锥齿轮箱18与渐开线圆盘驱动电机14连接，蜗轮171与可变直径轮的渐开线圆盘驱动轴13固连，其中，蜗轮蜗杆箱17中的蜗杆172导程角小于啮合蜗轮171齿间的当量摩擦角，因此蜗轮蜗杆传动具有反行程自锁特性，即渐开线圆盘驱动电机14可以驱动蜗杆172旋转带动蜗轮171转动，进而带动渐开线圆盘4绕轴转动，实现可变直径轮的轮径改变，反之，可变直径轮无法通过渐开线圆盘4的转动带动渐开线圆盘驱动电机14的转动，这一反行程自锁特性可以让可变直径轮在张开之后，保持当前的状态不变，不会因为接触地面产生的外力作用而改变车轮直径大小，因此实现可变直径轮轮径的无级调节。

通过具有反行程自锁特性的可变直径轮驱动机构实现对车轮半径的无级调节，同时渐开线也可以利用压力角实现对一部分外力的抵消，车轮在张开之后不会因为地面传递过来的外力作用而缩小，外力的作用也不会传递到驱动电机上增加负荷。

实施例3

如图8所示，本实施例提供一种全地形消防机器人，包括：实施例2所述的可变直径轮移动平台200、感知系统26、灭火执行系统27、定位系统28、通信系统29和中央控制系统；

所述可变直径轮移动平台200的渐开线圆盘驱动电机14可变直径轮驱动电机12、所述感知系统26、所述灭火执行系统27、所述定位系统28和所述通信系统29均与所述中央控制系统连接；

渐开线圆盘驱动机构19中的推杆驱动电机191也与中央控制系统连接。

所述感知系统26、所述灭火执行系统27、所述定位系统28、所述通信系统29和所述中央控制系统均设于所述可变直径轮移动平台200的底板16上；

如图9所示，灭火执行系统27是全地形消防机器人实现灭火功能的主要工具，所述灭火执行系统27包括消防水炮271和储水箱272；所述消防水炮271包括喷头2711、流量控制阀2712和加压装置2713；

所述喷头2711与所述流量控制阀2712的一端连接，所述流量控制阀2712的另一端通过连接管路2714与所述加压装置2713的一端连接，所述加压装置2713的另一端与所述储水箱272连接；所述流量控制阀2712和所述加压装置2713还与所述中央控制系统连接；

消防水炮271为管状结构，包括喷头2711，加压装置2713，连接管路和流量控制阀2712，喷头2711主要用于调整水流喷出管道的形式，分为雾化和水柱两种形态，流量控制阀2712主要用于控制水流量的大小，连接管路与储水箱272相连，起到对水流的引导作用，加压装置2713主要用于增加储水箱272中水的压力，让水流得以更高的压力喷出，扩大消防机器人的灭火半径。储水箱272主要用于储存消防灭火介质(水)，外壳由不易燃的材料构成，不会在高温的环境下发生破裂或者融化。

如图10所示，所述感知系统26包括视觉传感器模块261；所述视觉传感器模块261，用于获取全地形消防机器人前进路径中的图像；

视觉传感器模块261安装在消防水炮271上方，视觉传感器模块261主要用来采集环境图像，传输给中央控制系统，在对图像进行处理后，全地形消防机器人可以根据路况信息调整可变直径轮的轮径大小，从而实现当前条件下的最佳越障效果，数据也将通过通讯系统发送到远程控制端的消防人员进行查看。

所述感知系统26还包括照明模块262和气体检测模块263；

所述照明模块262包括探照灯2621和光线传感器2622；所述探照灯2621，设于所述可变直径轮移动平台的底板16边缘，用于在所述全地形消防机器人运动的过程中提供光照；

所述光线传感器2622，设于所述探照灯2621上，用于采集所述全地形消防机器人当前所处环境中的光照强度；

其中，照明模块262有多个，安装在车身前板上，包括探照灯2621和光线传感器2622，用于提高环境亮度，让视觉传感器得到更加清晰的图像。光线传感器2622能够检测到周围环境光的强度，当环境光线不足时，中央控制系统会控制探照灯2621开启，提供照明功能。

所述气体检测模块263，设于所述消防水炮271靠近所述加压装置2713的一端，用于检测所述全地形消防机器人当前所处环境中的气体成分信息。

气体检测模块263固连在消防水炮271后侧，用于实时分析并且记录环境中气体的成分，将数据传输给中央控制系统，通过通信系统29发送到远程控制端，从而让消防人员判断全地形消防机器人所在区域是否有有毒气体，提前准备好救援过程中需要的相关防护用具，减少消防人员因信息获取不足而产生的伤亡。

其中，感知系统26用于感知环境状态，采集和储存相关参数信息(参数信息指的是环境信息：包括光线传感器2622感受到环境的光照强度，如果环境较暗，就打开照明模块262；气体检测模块263检测到的机器人当前所处位置的气体成分信息；视觉传感器感知到的机器人前方道路的图像)，并发送给中央控制系统，使得全地形消防机器人能够根据环境的变化而及时调整自身的状态。感知系统26包括照明模块262，气体检测模块263和视觉传感器模块261。照明模块262安装在车身前板上，视觉传感器模块261安装在灭火执行系统27的消防水炮271上方，气体检测模块263固连在灭火执行系统27的消防水炮271后侧。这里定义机器人前进的方向为前方向。

所述定位系统28，用于获取所述全地形消防机器人的当前位置；定位系统28固连在消防水炮271上，主要由GPS模块构成，该模块解码出经纬度信息传输给中央控制系统，得到当前全地形消防机器人所在位置，通过比对远程控制端给定的目标点的位置，判断是否停止运动，如果还未到达指定地点，则决策出下一时刻的运动方向。

所述通信系统29，用于将所述中央控制系统接收的所述感知系统26采集的信息和所述定位系统28采集的信息传输至远程控制端或接收所述远程控制端发送至全地形消防机器人控制指令并传输至所述中央控制系统；

通信系统29实现全地形消防机器人本体和远程控制端之间的信息双向传输，全地形消防机器人可以通过通信系统29传输自身状态信息、视觉传感器拍摄到的图像数据和气体检测模块263分析得到的气体成分数据至远程控制端，远程控制端的消防人员也可以通过该系统发送指令给全地形消防机器人，在经过中央控制系统的处理后，改变其自身运动状态和灭火操作动作，实现信息的相互传递。

所述中央控制系统，用于根据所述感知系统26采集的信息和所述定位系统28采集的信息控制所述可变直径轮移动平台200运动至灭火目标位置，并通过控制所述流量控制阀2712和所述加压装置2713执行灭火操作。

中央控制系统位于可变轮径全地形移动平台上，是全地形消防机器人感知、通信、决策和运动控制的中心，中央控制系统主要由控制电路，电机驱动器25和车载中央处理器组成，接收来自感知系统26和通信信息的数据，经过车载中央处理器处理后，实现对可变直径轮驱动电机12和渐开线圆盘驱动电机14的控制。

本实施例中，可变直径轮移动平台200中的可变直径轮驱动电机12通过联轴器20和可变直径轮驱动轴11连接，可变直径轮驱动电机12旋转带动可变直径轮的绕轴旋转，可正转或者反转，从而实现全地形消防机器人的向前或者向后运动，四个可变直径轮由四个可变直径轮驱动电机12独立驱动，通过调整全地形移动平台左右两侧驱动电机的转速，实现全地形消防机器人的转弯，直线前进，直线后退。

可变直径轮移动平台200应用到机器人时，渐开线圆盘驱动机构19的控制原理：

当机器人遇到障碍物的时候，车轮半径需要扩张，机器人停止运动，电动推杆(推杆驱动电机和可伸缩推杆)带动电机滑块移动，渐开线圆盘驱动电机与锥齿轮组连接，驱动渐开线圆盘旋转，车轮半径扩张。

当车轮变形完之后(即半径变到期望大小)，电动推杆带动电机滑块移动，渐开线圆盘驱动电机与锥齿轮组断开连接，可变直径轮驱动电机驱动车轮旋转，机器人继续运动。

可变直径轮移动平台200的底板16下设置的供能系统24主要由高密度电池组成，为机器人的感知，决策和运动提供能量，供能系统24固定在底板16上，与感知系统26、灭火执行系统27、定位系统28、通信系统29以及可变轮径全地形移动平台中的渐开线圆盘驱动电机14和可变直径轮驱动电机12连接。

本实施例中，由于应用了可变直径轮移动平台200，将全地形消防机器人的车轮设计成基于渐开线的扩张机构，通过具有反行程自锁特性的可变直径轮驱动机构实现对车轮半径的无极调节，全地形消防机器人可以根据感知到的环境信息动态调节车轮的状态，根据需要调整机器人移动底盘距地高度，车轮张开之后，相邻支撑杆形成三角形结构，保证行车过程中的稳定性，张开之后的轮外圈由连续变为离散，实现轮式到多足式的切换，面对崎岖不平的路面，可以增加车轮的着力点，从而实现更好的越障性能和更加平顺的运动特性，提高整体的移动速度，从而使得全地形消防机器人可以在最短时间内到达指定灭火地点，体现出对复杂环境的强适应能力。图11示出了可变直径轮半径最小的状态；图12示出了可变直径轮完全张开的状态。

实施例4

如图13，本实施例提供一种全地形消防机器人的控制方法，包括：

S1：获取全地形消防机器人定位位置；

S2：比较所述定位位置与灭火目标位置的位置差异，得到比较结果；

S3：根据比较结果控制全地形消防机器人的可变直径轮驱动电机12转动带动可变直径轮移动平台向着所述灭火目标位置运动；

S4：获取所述全地形消防机器人前进路径中的图像；

S5：根据所述图像判断所述前进路径中是否存在障碍物，得到第一判断结果；

S6：当第一判断结果为否时，则控制所述机器人继续前进，并返回步骤S1“获取机器人定位位置”；直至到达所述灭火目标位置，执行步骤S9；

S7：当第一判断结果为是时，判断所述障碍物的大小是否小于预设障碍物大小，得到第二判断结果；

S8：当所述第二判断结果为否时，则控制所述机器人的所述可变直径轮驱动电机12停止转动，同时控制渐开线圆盘驱动机构19的渐开线圆盘驱动电机14带动渐开线圆盘4转动，直至可变直径轮的半径达到预设半径，控制所述渐开线圆盘驱动机构19断开渐开线圆盘驱动电机14和渐开线圆盘4的连接关系，渐开线圆盘4停止转动，控制所述可变直径轮驱动电机12转动；并返回步骤S6“控制所述机器人继续前进”；直至到达所述灭火目标位置，执行步骤S9；

当所述第二判断结果为是时，则返回步骤S6“控制所述机器人继续前进”；

S9：控制流量控制阀2712和加压装置2713的状态执行灭火操作。

下面给出了可变轮径全地形消防机器人运动步骤：

(1)未遇到障碍物或者障碍物较小(保持当前车轮的大小即可越过障碍物)的时候：

中央控制系统接受着来自两部分的信息，一部分是消防机器人自身的感知系统26，感知机器人所处位置的环境信息，另一部分是远程控制端的消防人员通过通信系统29发送过来的控制指令。如果机器人通过视觉传感器发现视野内没有障碍物或者障碍物较小的时候，并且此时也没有接收到远程控制端发出的轮径扩张指令，中央控制系统通过电路控制驱动系统，驱动系统通过传动系统，将电机的扭转力传递给可变直径轮驱动轴11，可变直径轮的半径不改变，但是绕轴自转，通过改变四个可变直径轮驱动电机12的转速，控制消防机器人的前进，后退，左转和右转。

(2)遇到较大障碍物(保持当前车轮的大小不能越过障碍物)的时候：

中央控制系统接受着来自两部分的信息，一部分是消防机器人自身的感知系统26，感知机器人所处位置的环境信息，另一部分是远程控制端的消防人员通过通信系统29发送过来的控制指令。如果机器人通过视觉传感器发现视野内的障碍物较大，如果不改变当前的轮径，消防机器人将无法越过障碍物，或者此时接收到远程控制端发出的轮径扩张指令，中央控制系统通过电路控制驱动系统，渐开线圆盘驱动电机14转动，可变直径轮驱动电机12停转，渐开线圆盘驱动电机14通过传动系统，驱动渐开线圆盘驱动轴13转动，此时可变直径轮驱动轴11不转，可变直径轮的半径变大，四个轮子同时扩张。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种可变直径轮，其特征在于，包括：多个T形胎体、第一直线圆盘、第二直线圆盘和渐开线圆盘；

所述第一直线圆盘和所述第二直线圆盘上均设有多个径向直线型槽道；所述渐开线圆盘上设有多个径向弧线型槽道；

多个所述T形胎体首尾依次连接时形成完整轮胎；每一所述T形胎体的纵向段的一端均连接有两个支撑连杆，按照顺时针方向依次记为第一支撑连杆和第二支撑连杆；

沿顺时针方向定义前后方向；每一所述第一支撑连杆的连杆连接端与相邻的前一个所述T形胎体连接的所述第二支撑杆的连杆连接端通过一个圆盘连接柱连接；每一所述第二支撑连杆的连杆连接端与相邻的后一个所述T形胎体的纵向段连接的所述第一支撑杆的连杆连接端通过另一个圆盘连接柱连接；

每一所述圆盘连接柱的一端嵌入所述第一直线圆盘上的一个所述径向直线型槽道内；每一所述圆盘连接柱的另一端贯穿所述第二直线圆盘上的一个所述径向直线型槽道并嵌入所述渐开线圆盘上的一个所述径向弧线型槽道内；

所述第一直线圆盘和所述第二直线圆盘通过可变直径轮驱动轴与可变直径轮驱动电机连接；所述渐开线圆盘通过渐开线圆盘驱动轴与渐开线圆盘驱动电机连接；所述可变直径轮驱动轴设于所述渐开线圆盘驱动轴内；

所述可变直径轮驱动电机，用于驱动所述第一直线圆盘和所述第二直线圆盘转动，从而带动轮胎运动；

所述渐开线圆盘驱动电机，用于驱动所述渐开线圆盘驱动轴转动进而带动所述渐开线圆盘转动，从而使所述圆盘连接柱在所述径向弧线型槽道和所述径向直线型槽道内运动，实现了轮胎直径的伸缩可变。

2.根据权利要求1所述的可变直径轮，其特征在于，所述第一支撑连杆和所述第二支撑连杆设于所述第一直线圆盘和所述第二直线圆盘之间。

3.根据权利要求1所述的可变直径轮，其特征在于，所述第一支撑连杆和所述第二支撑连杆分别连接于所述T形胎体的纵向段相对的两侧。

4.根据权利要求1所述的可变直径轮，其特征在于，所述径向直线型槽道的数量与所述径向弧线型槽道的数量以及所述圆盘连接柱的数量均相同。

5.一种可变直径轮移动平台，其特征在于，包括底板和至少一个第一可变直径轮及驱动机组件和至少一个第二可变直径轮及驱动机组件，所述第一可变直径轮及驱动机组件和所述第二可变直径轮及驱动机组件的结构轴对称；

所述第一可变直径轮及驱动机组件包括设于底板同一侧的两个可变直径轮，两个蜗轮蜗杆箱、一个锥齿轮箱、两个可变直径轮驱动电机和一个渐开线圆盘驱动机构；

每一所述可变直径轮的可变直径轮驱动轴连接一个所述可变直径轮驱动电机；

每一所述可变直径轮和对应的所述可变直径轮驱动电机之间设有一蜗轮蜗杆箱；

每一所述可变直径轮的渐开线圆盘驱动轴贯穿对应的蜗轮蜗杆箱的蜗轮并与所述蜗轮连接；

两个所述蜗轮蜗杆箱的蜗杆分别连接所述锥齿轮箱的两个输出轴；

所述锥齿轮箱的输入轴连接所述渐开线圆盘驱动机构；

所述渐开线圆盘驱动机构，用于控制渐开线圆盘驱动电机的轴与所述锥齿轮箱的输入轴连接或断开。

6.根据权利要求5所述的可变直径轮移动平台，其特征在于，所述渐开线圆盘驱动机构包括推杆驱动电机、与所述推杆驱动电机轴连接的可伸缩推杆、与所述可伸缩推杆连接的电机滑块和用于实现所述电机滑块沿所述锥齿轮箱的输入轴的方向往复滑动的电机导轨；

所述渐开线圆盘驱动电机设于所述电机滑块上。

7.根据权利要求5所述的可变直径轮移动平台，其特征在于，所述底板的底部还设有供能系统，所述供能系统与所述渐开线圆盘驱动电机和所述可变直径轮驱动电机连接。

8.一种全地形消防机器人，其特征在于，包括：权利要求5至7任一项所述的可变直径轮移动平台、感知系统、灭火执行系统、定位系统、通信系统和中央控制系统；

所述可变直径轮移动平台的渐开线圆盘驱动电机和可变直径轮驱动电机、所述感知系统、所述灭火执行系统、所述定位系统和所述通信系统均与所述中央控制系统连接；

所述感知系统、所述灭火执行系统、所述定位系统、所述通信系统和所述中央控制系统均设于所述可变直径轮移动平台的底板上；

所述感知系统包括视觉传感器模块；所述视觉传感器模块，用于获取全地形消防机器人前进路径中的图像；

所述灭火执行系统包括消防水炮和储水箱；所述消防水炮包括喷头、流量控制阀和加压装置；

所述喷头与所述流量控制阀的一端连接，所述流量控制阀的另一端通过连接管路与所述加压装置的一端连接，所述加压装置的另一端与所述储水箱连接；所述流量控制阀和所述加压装置还与所述中央控制系统连接；

所述定位系统，用于获取所述全地形消防机器人的当前位置；

所述通信系统，用于将所述中央控制系统接收的所述感知系统采集的信息和所述定位系统采集的信息传输至远程控制端或接收所述远程控制端发送至全地形消防机器人控制指令并传输至所述中央控制系统；

所述中央控制系统，用于根据所述感知系统采集的信息和所述定位系统采集的信息控制所述可变直径轮移动平台运动至灭火目标位置，并通过控制所述流量控制阀和所述加压装置执行灭火操作。

9.根据权利要求8所述的全地形消防机器人，其特征在于，所述感知系统还包括照明模块和气体检测模块；

所述照明模块包括探照灯和光线传感器；所述探照灯，设于所述可变直径轮移动平台的底板边缘，用于在所述全地形消防机器人运动的过程中提供光照；

所述光线传感器，设于所述探照灯上，用于采集所述全地形消防机器人当前所处环境中的光照强度；

所述气体检测模块，设于所述消防水炮靠近所述加压装置的一端，用于检测所述全地形消防机器人当前所处环境中的气体成分信息。

10.一种基于权利要求1至9任一项所述的全地形消防机器人的控制方法，其特征在于，包括：

获取全地形消防机器人定位位置；

比较所述定位位置与灭火目标位置的位置差异，得到比较结果；

根据比较结果控制所述全地形消防机器人的可变直径轮驱动电机转动带动可变直径轮移动平台向着所述灭火目标位置运动；

获取所述机器人前进路径中的图像；

根据所述图像判断所述前进路径中是否存在障碍物，得到第一判断结果；

当第一判断结果为否时，则控制所述机器人继续前进，并返回步骤“获取机器人定位位置”；直至到达所述目标位置；

当第一判断结果为是时，判断所述障碍物的大小是否小于预设障碍物大小，得到第二判断结果；

当所述第二判断结果为否时，则控制所述机器人的所述可变直径轮驱动电机停止转动，同时控制渐开线圆盘驱动机构的渐开线圆盘驱动电机带动渐开线圆盘转动，直至可变直径轮的半径达到预设半径，控制所述渐开线圆盘驱动机构断开渐开线圆盘驱动电机和渐开线圆盘的连接关系，渐开线圆盘停止转动，控制所述可变直径轮驱动电机转动；并返回步骤“控制所述机器人继续前进”；直至到达所述灭火目标位置；

当所述第二判断结果为是时，则返回步骤“控制所述机器人继续前进”；

当所述机器人到达所述灭火目标位置，控制流量控制阀和加压装置的状态执行灭火操作。

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