专利名称：一种室内智能灭火消防机器人的制作方法
技术领域：
本发明设计了一种室内智能灭火消防机器人，该发明涉及消防设备技术领域。
背景技术：
近几年来，由火灾直接导致的经济损失、人员伤亡日益增加，如何快速准确地进行火源定位、自动消防灭火成为人们普遍关心和深入研究的重要课题。现查到的发明专利CN101758770A “一种火灾现场用气动小车”，其核心内容是“车及如何用气进行驱动”。现查到的实用新型专利CN201959446U “自动式灭火小车”，其原理是通过“八个火焰传感器进行探测，之后利用风扇进行灭火”，与当今从小学到大学各层次的灭火机器人比赛涉及到的灭火机器人较相似，但不适用与真正的现场灭火。
在自动灭火装置方面，自动灭火器的相关发明专利和实用新型专利多是基于某种机理来自动打开灭火器，多针对灭火器装置本身的改造。现查到的专利里有利用弹簧、布条(或化纤绳或拉绳)、易熔物质密封喷出口、杠杆对挤压式阀门、火险报警及灭火、电磁阀开关、控制活动柄的电机驱动装置、电磁铁及热敏开关、形状记忆合金、双金属片温度传感器做自动启动。在火焰定位方面，有利用传感器组检测火源信号；利用凸透镜的火源定位探测装置；双目摄像火灾探测和定位；温、烟探测传感器及相应结构配合；水平和垂直两个维度的传感器组合。这些火焰定位装置结构复杂，成本较高。
发明内容
针对上面的技术问题，本发明目的在提供一种结构简单，实用性强的室内智能灭火消防机器人，能够自动探测火源位置，自动控制灭火机器人逼近火源，在与火源距离达到一定安全距离(阈值)条件下，自动开启灭火装置进行灭火。为实现上述目的，本发明的技术方案是一种室内智能灭火消防机器人，其特征在于，其包括通过双轮驱动、差速转弯的消防小车，在消防小车上安装有火焰定位执行机构和灭火器自动开启装置，火焰定位执行机构通过支撑杆10安装有火焰传感器装置9。所述的用于检测火焰释放红外线的火焰传感器装置9包含有红外接收管；红外接收管的集电结接入+5V电压，发射结接地，基结开路，随着接收到得红外线强度的变化，集电结端的电压发生变化，集电结作为火焰传感器模块的模拟输出端；将红外接收管的集电结的另一端接入双压比较器中，双压比较器的输出端作为火焰传感器装置9的数字输出端；为了提高测量火源位置的准确性，分别将火焰传感器装置9的模拟输出端和通过A/D转化器后的数字输出端接入控制器中。所述火焰传感器装置9为周向不透光的中空圆柱体4，内部为阶梯孔，凸透镜2固定在阶梯孔内的最大孔径处，火焰传感器装置9中的红外接收管固定在螺母中，通过螺纹连接安装在阶梯孔内，通过调节凸透镜2与敏感器件之间的距离调节火焰传感器的敏感系数。所述定位执行机构包括定位平台13，在定位平台13和小车底盘16分别安装有与控制器相连的控制火焰传感器装置9周向和垂向运动的步进电机驱动装置。所述安装于定位平台13底部的步进电机驱动装置包括有一与灭火控制器相连的步进电机17，步进电机17的输出轴与小齿轮18同轴一体连接，小齿轮18与码盘11同轴一体连接，同时小齿轮18与大齿轮112相啮合，大齿轮112与火焰传感器装置9的支撑杆10同轴连接；通过对此步进电机17的控制控制火焰传感器装置9周向运动。所述安装于小车底盘16的步进电机驱动装置包括有一与灭火控制器相连的步进电机1117，步进电机1117的输出轴与丝杠115同轴一体连接，丝杠115的另一端与螺母1114之间通过螺纹连接，螺母1114固定于定位平台13上，步进电机1117带动丝杠115运动时，由于螺母Π14固定，丝杠115的运动带动定位平台13垂向运动。
所述消防小车由超生测距模块、一个万向轮30和两个驱动轮33构成；超生测距模块具有测距和避障的功能；两个驱动轮33分别采用两台直流电机进行驱动；消防小车在控制器接收到探测火焰传感器9的输出信号和超生测距避障模块的相关信号后，发出控制消防小车的具体指令，实现消防小车的智能运行。所述灭火器自动开启装置包括有装有灭火剂的罐体18，罐体18的顶部固定有支撑柄22，支撑柄22上铰接有活动柄21，罐体18的顶部侧面设置有喷嘴20，活动柄21与控制喷嘴20的阀门相连，下压活动柄21打开阀门使灭火剂从喷嘴20喷出；活动柄21与支撑柄22之间设有弹性回弹装置，使得活动柄21在不受压时回弹关闭喷嘴20的阀门；其特征在于在支撑柄22和活动柄21之间安装有可将活动柄21下压的电机驱动装置。所述的电机驱动装置包括有一与灭火控制器相连的直流电机23，直流电机23的输出轴与小齿轮Π25同轴一体连接，小齿轮1125与大齿轮1124相啮合，大齿轮1124与丝杠1127的一端通过螺纹连接，丝杠1127的另一端与螺母1128 —体连接，活动柄21的自由端一侧通过铁片压在螺母1128上。在支撑柄22和活动柄21之间连接有控制活动柄21下压位置的限位开关19，限位开关19的输出端与灭火控制器相连，限位开关19接地。所述的灭火控制器的核心部件为单片机34。本发明与现有技术相比有以下优点结构新颖，使用方便，自动实现火源定位与自动快速灭火。本发明主要由火焰传感器及其定位执行机构，灭火器自动启闭装置和消防小车组成。当定位执行机构带动传感器在周向和垂向扫描过程中发现火源后，控制器控制消防小车自动寻找合适的路径，当消防小车与火源距离达到安全阈值时自动启动灭火器装置进行灭火。其中传感器部分通过凸透镜对入射光线放大，提高了火焰检测的范围；定位执行机构通过对定位平台控制实现火源扫描功能；灭火器自动启动装置在普通灭火器及基础上增加了可将活动柄下压的电机驱动装置和以单片机为核心的控制器，由于采用了丝杠螺母的螺旋传动配合，动力装置能够平稳、可靠、快速的运转。同时，丝杠的螺旋止回特性可有效防止电机停转后活动柄的回弹。这种装置结构新颖，易于操作控制，有很好的应用前景。
图I为凸透镜放大原理图；图2为实际火焰传感器装置的结构示意图3为传感器控制电路原理图；图4为定位执行机构结构示意图；图5为灭火器自动开启装置结构示意图；图6为消防小车结构示意图；图7为火焰扫描路线示意图；图8为室内智能灭火消防机器人总体控制示意图；图9为室内智能灭火消防机器人总体工作流程图。图中1、入射光线，2、凸透镜，3火焰传感器敏感器件，4、圆柱体，5、螺纹孔，6、螺 母1，7、步进电机1，8、小齿轮1，9、火焰传感器装置，10、支撑杆，11、码盘，12、大齿轮I，13、定位平台，14、螺母II，15、丝杠I，16、小车底盘，17、步进电机II，18、罐体，19、限位开关，20、喷嘴，21、活动柄，22、支撑柄，23、直流电机，24、大齿轮II，25、小齿轮II，26、垫片，27、丝杠II，28、螺母II，29、超声波传感器，30、万向轮，31、丝杠孔，32、灭火器固定部分，33、驱动轮，34、单片机
具体实施方案一种室内智能灭火消防机器人，包括采用数字量和模拟量两种输出方式的火焰传感器装置及火焰定位执行机构，在普通灭火器基础上增加电机驱动装置实现灭火器自动启闭装置功能，以及通过双轮驱动、两轮差速转弯的自动消防小车。下面结合具体实施方案对本发明进行详细介绍。图I为凸透镜放大原理图，当室内有火灾发生时，火灾释放的能量会随距离的增加而减少，当消防小车距离火灾太远时，可能由于能量减小无法探测到火灾。为了提高火灾检测范围，采用了比较直接和理想的方式对传感器的入射光线I进行聚焦，将火焰传感器敏感器件3放在凸透镜2的焦点处。图2为实际火焰传感器装置的结构示意图，火焰传感器装置的外部是一个黑色塑料制成的圆柱体4，内部通过车床车成阶梯孔。最左边的阶梯孔用于固定凸透镜2，最右边的阶梯孔车一个螺纹孔5，火焰传感器敏感器件3固定在与之配合的螺母16中。敏感器件3通过螺母16与圆柱体4之间通过螺纹连接在一起。这种结构设计，有利于调整凸透镜2与敏感器件3之间的距离和传感器的敏感系数。图3为传感器控制电路原理图，红外接收管NI采用NPN结构，红外接收管NI的集电结接入+5V电压，发射结接地，基结开路；当火灾发出的光照射到红外管NI上时，流过红外接收管NI中的光电流大小也随之变化，集电结端的电压会发生变化；集电结作为火焰传感器模块的模拟输出端；同时将集电结的一端接入双压比较器中，双压比较器的输出端作为火焰传感器模块的数字输出端；为了提高测量火源位置的准确性，分别将火焰传感器模块的模拟输出端和通过A/D转换器后的数字输出端接入以单片机的核心的控制器中。图4为定位执行机构结构示意图，包括定位平台13，在定位平台13和小车底盘16安装有与控制器相连的可以控制火焰传感器装置9周向和垂向运动的步进电机驱动装置。安装于定位平台13底部的步进电机驱动装置包括有一与灭火控制器相连的步进电机7，步进电机17的输出轴与小齿轮12同轴一体连接，小齿轮12与码盘11同轴一体连接，同时小齿轮与大齿轮18相啮合，大齿轮18与火焰传感器装置9的支撑杆10同轴连接。当步进电机17转动时，通过一对齿轮啮合传动，将带动火焰传感器装置9在XOY平面内360°旋转，同时通过码盘11可以检测和控制火焰传感器装置9转过的角度。安装于小车底部的步进电机驱动装置包括有一与灭火控制器相连的步进电机1117，步进电机1117的输出轴与丝杠115同轴一体连接，丝杠115的另一端与螺母1114之间通过螺纹连接，螺母固定于定位平台13上，步进电机1117带动丝杠115运动时，由于螺母Π14固定，丝杠115的运动将会带动定位平台13垂向运动。定位执行机构的运动过程如下步进电机17通过一对啮合齿轮18、12控制火焰传感器装置9在XOY平面内绕Z轴旋转进行火焰扫描，火焰扫描定位采用20*20的矩阵扫描法，扫描过程如图Z所示，同时通过与小齿轮12同轴一体相连的码盘11检测传感器旋转的角度；步进电机1117通过控制丝杠115和螺母1114使定位平台13沿Z轴方向移动。当室内某处发生火灾时，传感器在扫描过程中可以记下火源发生的角度，然后通过单片机34控制消防小车向火源移动，当距离火源达到一定阈值时，自动开启灭火器完成灭火功能。 图&为灭火器自动开启装置结构示意图，本发明的罐体18内装有高压的灭火化学齐U，罐体18的顶部固定有支撑柄22，支撑柄上铰接有活动柄21，罐体18的顶部的侧面设有喷嘴20，下压活动柄21可以打开阀门使灭火物质从喷嘴20喷出，活动柄21与支撑柄22之间设有弹性回复装置，活动柄21不受压时可弹回关闭阀门，这种结构与普通灭火器基本相同。灭火器自动开启装置如下描述在罐体18最右侧固定有直流电机23，直流电机23的输出轴与小齿轮8同轴一体连接，活动柄21的自由端一侧通过铁片压在螺母1128上，螺母1128与大齿轮124同轴连接的丝杠1127实现传动配合。直流电机23的工作是通过单片机为核心的控制器进行控制，火焰传感器在检测到火源时，可以通过单片机控制电机工作采用脉宽调制技术调节电机转速。在支撑柄22和活动柄21之间与支撑柄22的的底部设有触头朝上的限位开关19，该限位开关19接地，当活动柄21触及到限位开关19时，单片机34对应的输入/输出口可以检测到此限位低电平信号，从而控制电机停止运转。灭火器自动开启装置在实际工作中安放在消防小车上，当有火情出现时，火焰传感器装置感应到烟雾信号且控制器控制消防小车趋近到距离火源一定距离后启动电机23，电机23带动同轴连接的小齿轮1125转动，通过啮合传动，带动大齿轮124转动，大齿轮带动丝杠1127转动，丝杠1127带动螺母1128向下运动，使活动柄21的自由端跟随螺母1128一起下降，从而打开阀门，使灭火剂从喷嘴20喷出进行灭火。当活动柄21的自由端下降距离已经满足开启阀门的需要时，活动柄21接触下压支撑柄22上所设的限位开关19，单片机在检测到此限位低电平信号后，关闭电机23，使丝杠1127停止旋转下拉螺母1128，避免丝杠1127过度下拉螺母1128造成结构拉断或者滑丝，且不会烧坏电机23，由于丝杠1127和螺母Π28是螺旋配合具有止回性，丝杠1127停止运动，仍能保持活动柄21处于下压打开灭火阀门的状态，而不会弹回。图豆为消防小车结构示意图，包括安装在消防小车前端的超声波传感器29，万向轮30，通过两台直流电机控制的两个导向轮33，在消防小车地盘上面安装有单片机34，灭火器固定部分32和丝杠孔31。当火焰传感装置检测到火灾时，超声波传感器29检测火灾当前距离，然后单片机34控制消防小车两个导向轮33安装的直流电机向火源靠近，如果途中遇到障碍，小车通过差动转弯绕开障碍物。当消防小车到达距离火灾一定的安全距离后，单片机34控制灭火器自动启动装置开启进行灭火。图8为室内智能灭火消防小车的总体控制示意图，以单片机为核心的控制器的输入部分包括火焰传感器、超声波传感器、限位开关、禮型光耦码盘模块；输出部分包括直流电机和步进电机驱动模块。图9为室内智能灭火消防小车的总体工作流程图，系统初始化后，定位执行装置带动火焰传感器进行火源扫描，一旦发现室内火源后，通过车体安装的超声波传感器进行测距，同时通过控制器控制小车前行逐渐靠近火源，当途中遇到障碍物时，系统通过对消防 小车的调控，实现避障功能。最后，当消防小车到达距离火源一定的安全距离后，自动开启灭火装置快速灭火。
权利要求
1.一种室内智能灭火消防机器人，其特征在于，其包括通过双轮驱动、差速转弯的消防小车，在消防小车上安装有火焰定位执行机构和灭火器自动开启装置，火焰定位执行机构通过支撑杆(10 )安装有火焰传感器装置(9 )。
2.根据权利要求I所述的室内智能灭火消防机器人，其特征在于所述的用于检测火焰释放红外线的火焰传感器装置(9)包含有红外接收管；红外接收管的集电结接入+5V电压，发射结接地，基结开路，随着接收到得红外线强度的变化，集电结端的电压发生变化，集电结作为火焰传感器模块的模拟输出端；将红外接收管的集电结的另一端接入双压比较器中，双压比较器的输出端作为火焰传感器装置(9)的数字输出端；为了提高测量火源位置的准确性，分别将火焰传感器装置(9)的模拟输出端和通过A/D转化器后的数字输出端接入控制器中。
3.根据权利要求I所述的室内智能灭火消防机器人，其特征在于所述火焰传感器装置(9)为周向不透光的中空圆柱体(4)，内部为阶梯孔，凸透镜(2)固定在阶梯孔内的最大孔径处，火焰传感器装置(9)中的红外接收管固定在螺母中，通过螺纹连接安装在阶梯孔内，通过调节凸透镜(2)与敏感器件之间的距离调节火焰传感器的敏感系数。
4.根据权利要求I所述的室内智能灭火消防机器人，其特征在于所述定位执行机构包括定位平台(13)，在定位平台(13)和小车底盘(16)分别安装有与控制器相连的控制火焰传感器装置(9)周向和垂向运动的步进电机驱动装置。
5.根据权利要求4所述的室内智能灭火消防机器人，其特征在于所述安装于定位平台(13)底部的步进电机驱动装置包括有一与灭火控制器相连的步进电机I (7)，步进电机I (7)的输出轴与小齿轮I (8)同轴一体连接，小齿轮I (8)与码盘(11)同轴一体连接，同时小齿轮I (8)与大齿轮I (12)相啮合，大齿轮I (12)与火焰传感器装置(9)的支撑杆(10)同轴连接；通过对此步进电机I (7)的控制控制火焰传感器装置(9)周向运动。
6.根据权利要求4所述的室内智能灭火消防机器人，其特征在于所述安装于小车底盘(16)的步进电机驱动装置包括有一与灭火控制器相连的步进电机IIl (7)，步进电机II(17)的输出轴与丝杠I (15)同轴一体连接，丝杠I (15)的另一端与螺母IIl (4)之间通过螺纹连接，螺母II (14)固定于定位平台(13)上，步进电机II (17)带动丝杠I (15)运动时，由于螺母II (14)固定，丝杠I (15)的运动带动定位平台(13)垂向运动。
7.根据权利要求I所述的室内智能灭火消防机器人，其特征在于所述消防小车由超生测距模块、一个万向轮(30)和两个驱动轮(33)构成；超生测距模块具有测距和避障的功能；两个驱动轮(33)分别采用两台直流电机进行驱动；消防小车在控制器接收到探测火焰传感器(9)的输出信号和超生测距避障模块的相关信号后，发出控制消防小车的具体指令，实现消防小车的智能运行。
8.根据权利要求I所述的室内智能灭火消防机器人，其特征在于，所述灭火器自动开启装置包括有装有灭火剂的罐体(18 )，罐体(18 )的顶部固定有支撑柄(22 )，支撑柄(22 )上铰接有活动柄(21)，罐体(18)的顶部侧面设置有喷嘴(20)，活动柄(21)与控制喷嘴(20)的阀门相连，下压活动柄(21)打开阀门使灭火剂从喷嘴(20)喷出；活动柄(21)与支撑柄(22)之间设有弹性回弹装置，使得活动柄(21)在不受压时回弹关闭喷嘴(20)的阀门；其特征在于在支撑柄(22)和活动柄(21)之间安装有可将活动柄(21)下压的电机驱动装置。
9.根据权利要求8所述的室内智能灭火消防机器人，其特征在于所述的电机驱动装置包括有一与灭火控制器相连的直流电机(23)，直流电机(23)的输出轴与小齿轮II (25)同轴一体连接，小齿轮II (25)与大齿轮II (24)相啮合，大齿轮II (24)与丝杠II (27)的一端通过螺纹连接，丝杠II (27)的另一端与螺母II (28) 一体连接，活动柄(21)的自由端一侧通过铁片压在螺母II (28)上。在支撑柄(22)和活动柄(21)之间连接有控制活动柄(21)下压位置的限位开关(19)，限位开关(19)的输出端与灭火控制器相连，限位开关(19接地。
10.根据权利要求9所述的室内智能灭火消防机器人，其特征在于所述的灭火控制器的核心部件为单片机(34)。
全文摘要
一种室内智能灭火消防机器人，涉及消防设备技术领域。其包括通过双轮驱动、差速转弯的消防小车，在消防小车上安装有火焰定位执行机构和灭火器自动开启装置，火焰定位执行机构通过支撑杆安装有火焰传感器装置。当定位执行机构带动传感器在周向和垂向扫描过程中发现火源后，控制器控制消防小车自动寻找合适的路径，当消防小车与火源距离达到安全阈值时自动启动灭火器装置进行灭火。本发明结构新颖，使用方便，自动实现火源定位与自动快速灭火。
文档编号A62C27/00GK102872562SQ20121041399
公开日2013年1月16日 申请日期2012年10月25日 优先权日2012年10月25日
发明者王华庆, 赵庆亮, 李瑞彤, 屈红伟, 董章俊 申请人:北京化工大学