CN111982177A - 一种传感器热防护装置、方法及消防机器人 - Google Patents

Abstract

一种传感器热防护装置、方法及消防机器人，所述装置，包括，装置本体、前盖、水冷结构、风冷结构，以及控制单元，其中，所述装置本体和所述前盖连接，在所述装置本体内部设置有内部设备舱；所述水冷结构、所述风冷结构和所述控制单元位于所述内部设备舱内；所述控制单元，控制所述前盖的打开或关闭，以及冷却气体和冷却水的供给量；所述风冷结构，其在传感器前方形成风幕，对传感器前端进行冷却。所述方法，包括，启动水泵，为水冷结构提供冷却水对传感器进行冷却；开启前盖，启动气源为风冷结构提供冷却气体对传感器进行冷却。本发明的装置作为消防机器人的感知元件能够在1000℃以上环境中正常工作，能够极大丰富特种机器人的应用场景。

Description

一种传感器热防护装置、方法及消防机器人

技术领域

本发明涉及特种机器人技术领域，尤其涉及多种热防护措施结合的传感器热防护装置。

背景技术

消防机器人作为特种机器人的一种，在灭火和抢险救援中愈加发挥举足轻重的作用。传感器是用来检测机器人自身的工作状态，以及机器人智能探测外部工作环境和对象状态的核心部件。为了实现在复杂、动态及不确定性环境下的自主性，目前各国研制人员逐渐将视觉、听觉、压觉、热觉、力觉传感器等多种不同功能的传感器合理地组合在一起，形成机器人的感知系统，为机器人提供更为详细的外界环境信息，进而促使机器人对外界环境变化做出实自时、准确、灵活的行为响应。一般的传感器工作温度都在150℃以下，无法满足消防行业的耐高温需求。

现有技术：高温工业电视螺旋风幕冷却镜头罩 申请号：200910183844.3，该专利主要解决镜头冷却罩冷却效果不高和镜头处污物遮蔽难以排除等技术问题。其技术方案为：具有罩体，罩体中央开设有通孔，罩体通孔周围设置有使通孔处形成空气旋涡的引风装置。该方案冷却效率低，需要消耗大量的冷源，一般在高温炉等固定设备上使用，无法应用在移动载体上，在1000℃高温环境下无法使用。

导光板风幕冷却装置 申请号：201020534916.2，该专利主要解决导光板散热不均匀，产生残余应力，影响导光板质量的技术问题。其技术方案为：一种导光板风幕冷却装置，用于导光板的散热冷却，包括风机，所述的风机具有机壳，机壳内安装有风轮，机壳上具有出风口，风轮与出风口通过出风道连通，所述的出风口上设有形成风幕的导风装置，所述的导风装置包括调节风向的多个导向片和一个以上的开合片，所述的多个导向片竖直并排设置并能调节角度，所述的两个开合片水平设置，两个开合片两端与机壳转动连接。该方案是一种常规的风冷方案，散热效率低，主要解决导光板散热不均匀的问题，无法使用在高温环境中。

综上所述，目前传感器的热防护技术，主要是通过外风冷或者外水冷的方式对传感器进行冷却，外风冷方法内外热交换快，冷却效率低，如果温度要求高，需要采用高压气体和强气流；外水冷方法冷却效率较高，但是无法在200℃以上的高温环境中使用；同时，外风冷和外水冷的热防护技术，需要消耗大量冷源，一般在高温炉等固定设备上使用，无法应用在移动载体上。

发明内容

为了解决现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种传感器热防护装置，能够保证常规传感器在1000℃高温环境下正常工作。

为实现上述目的，本发明提供的传感器热防护装置，包括，装置本体、前盖、水冷结构、风冷结构，以及控制单元，其中，

所述装置本体和所述前盖连接，在所述装置本体内部设置有内部设备舱；

所述水冷结构、所述风冷结构和所述控制单元位于所述内部设备舱内；

所述控制单元，控制所述前盖的打开或关闭，以及冷却气体和冷却水供给；

所述风冷结构，其在传感器前方形成风幕，对传感器前端进行冷却。

进一步地，所述装置本体和所述前盖，采用多层结构的隔热壳体；

所述隔热壳体，包括外壳层、隔热层，以及内壳层；

所述隔热层，设置在所述外壳层和所述隔热层之间，并具有多层结构。

进一步地，所述风冷结构，为中空结构，还包括，导风腔体、导风槽和导风口，其中，

所述导风腔体、所述导风口和多个所述导风槽共同形成风幕冷却气体通路；

所述导风腔体和所述导风槽之间为密封连接。

进一步地，冷却气体通过所述导风口进入所述导风腔体，通过所述导风槽在传感器前方形成风幕，对传感器前端进行冷却。

进一步地，所述导风槽与水冷结构轴线方向具有夹角。

进一步地，所述水冷结构，还包括，传感器支架、冷却水腔体、冷却水进口，以及冷却水出口，其中，

传感器安装在所述传感器支架上，所述冷却水腔体设置在所述传感器支架内；

冷却水从所述冷却水进口流入，经过所述冷却水腔体从所述冷却水出口流出，完成冷却循环，对所述传感器进行冷却。

更进一步地，所述控制单元，包括，控制器、水泵、气源、通信模块、温度传感器、执行元件及开关，其中，

所述控制器分别与所述水泵、所述气源、所述通信模块、所述温度传感器、所述执行元件和所述开关连接；

所述控制器，用于处理温度与通信数据，并控制所述前盖开或关及系统冷却；

所述水泵，用于控制水冷循环，冷却传感器；

所述气源，用于当所述前盖打开时，压缩气体通过所述导风槽形成风幕，冷却传感器；

所述通信模块，用于与上层系统进行数据通信，远程控制所述前盖开或关以及读取环境温度信息；

所述温度传感器，用于采集环境温度及保护结构的腔体内温度；

所述执行元件，其位于所述风冷结构中，并与所述前盖相连接，用于开或关所述前盖；

所述开关，用于手动控制系统启动/停止运行。

为实现上述目的，本发明还提供一种传感器热防护方法，包括以下步骤：

启动水泵，为水冷结构提供冷却水对传感器进行冷却；

开启前盖，启动气源为风冷结构提供冷却气体对传感器进行冷却。

进一步地，所述启动内部设备舱的冷源为传感器冷却水进行冷却的步骤，进一步包括，控制单元根据温度传感器的测量值控制水泵的转速及冷却水流量。

更进一步地，所述开启前盖，启动气源为风冷结构提供冷却气体对传感器进行冷却的步骤，还包括，

执行元件接收控制单元的控制打开前盖；

控制单元根据温度传感器的测量值调整冷却气体的流量或压力，对传感器进行冷却。

为实现上述目的，本发明还提供一种消防机器人，其内部设置有上文所述的传感器热防护装置。

本发明的传感器热防护装置，具有以下有益效果：

1）分时热防护，及多种热防护措施结合（隔热层隔热、风幕冷却、水冷却），使非透过性或低透过性传感方式的传感器，能够在1000℃的恶劣环境中，作为消防机器人的感知元件正常工作，这能够极大丰富特种机器人的应用场景。

2）风幕冷却在传感器前端形成微正压的空气区域，可以有效减少高温气体与传感器之间的对流换热，并在一定程度上阻止灰尘等污物进入腔体内。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，并与本发明的实施例一起，用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为根据本发明的传感器热防护装置立体结构示意图；

图2为根据本发明的隔热壳体结构示意图；

图3为根据本发明的传感器热防护装置防护状态剖视图；

图4为根据本发明的风冷结构立体示意图；

图5为根据本发明的水冷结构示意图；

图6为根据本发明的传感器热防护装置工作状态示意图；

图7为根据本发明的控制单元原理框图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

图1为根据本发明的传感器热防护装置立体结构示意图，如图1所示，本发明的传感器热防护装置，包括，装置本体1和前盖2，其中，

前盖2设置于装置本体1的前部，并与装置本体1轴连接；

优选地，传感器热防护装置包括两种状态，状态切换通过执行元件来实现。

本发明实施例中，在防护状态下，前盖2关闭，和装置本体组成热密闭结构，此状态传感器不工作；在工作状态下，前盖2打开，传感器在高温下工作。

本发明实施例中，装置本体1和前盖2均采用多层结构的隔热壳体，图2为根据本发明的隔热壳体结构示意图，如图2所示，本发明的隔热壳体，包括外壳层11、隔热层12，以及内壳层13，其中，

隔热层12设置在外壳11、内壳层13之间，并具有多层结构。

外壳层11，采用耐热钢、陶瓷等在高温下具备一定结构强度和抗氧化性能的材料。

隔热层12，采用具有较好隔热性能的气凝胶、莫来石等材料。

内壳层13，采用常规的金属材料即可，例如不锈钢、铝合金等。

图3为根据本发明的传感器热防护装置防护状态剖视图，如图3所示，本发明的传感器热防护装置，还包括，风冷结构3、水冷结构4，其中

风冷结构3、水冷结构4分别位于装置本体1的内部设备舱6中，

风冷结构3在传感器前方形成风幕，对传感器前端进行冷却。

水冷结构4设置在传感器外部周围，对传感器壳体进行冷却。

图4为根据本发明的风冷结构立体示意图，如图4所示，本发明的风冷结构3，包括，导风腔体31、导风槽32和导风口33，其中，

导风腔体31为中空结构，导风腔体31、导风口33和多个导风槽32共同形成了风幕冷却气体通路。（导风槽32和导风腔体31均为气体通路，两者之间是结构密封连接，一般是通过金属焊接或者螺钉加密封垫的方式连接）。

冷却气体通过导风口33进入导风腔体31，通过导风槽32在传感器前方形成风幕对传感器前端进行冷却。

图5为根据本发明的水冷结构示意图，如图5所示，本发明的水冷结构4，

包括，传感器支架41、冷却水腔体42、冷却水进口43，以及冷却水出口44，其中，

冷却水腔体42设置在传感器支架41内。

传感器7安装在传感器支架41上，冷却水从冷却水进口43流入，经过冷却水腔体42从冷却水出口44流出，完成冷却循环，对传感器7进行冷却。

图6为根据本发明的传感器热防护装置工作状态示意图，如图6所示，风冷结构3在传感器工作状态下输送冷却气体（前盖打开）进行风幕冷却，风幕冷却能够在传感器7前端起到热防护作用，保证传感器在高温条件下正常工作；同时，风幕冷却在传感器前端形成微正压的空气区域，可以有效减少高温气体与传感器之间的对流换热，并在一定程度上阻止灰尘等污物进入腔体内。

优选地，导风槽32和传感器轴线方向形成一定的夹角保证冷却气流向远离传感器方向流动，保护传感器正常工作。

图7为根据本发明的控制单元原理框图，如图7所示，本发明的控制单元8，包括，控制器801、水泵802、气源803、通信系统804、温度传感器805、执行元件806及开关807 ，其中，

控制器801分别与水泵802、气源803、通信系统804、温度传感器805、执行元件806及开关807连接。

控制器801，用于处理温度与通信数据，并控制前盖2开关及系统冷却。

水泵802，用于控制水冷循环，给被保护传感器冷却。

气源803，用于当前盖2打开时，为风冷结构3提供冷却气体，达到给被保护传感器冷却的效果。

优选地，气源803为压缩气体储罐、气泵或其他通过物理或化学方式产生气体的装置。

通信系统804，其通过有线或无线的方式与遥控器或其他终端设备进行数据通信，用户可根据需求远程控制前盖2的开或关以及读取环境温度等信息。通信方式包含但不限于CAN、RS485、RS232、USB、自组网链路、局域网、广域网。与远端设备通信时，可通过3G、4G、5G模块等连接到服务器，再经过服务器中转连接远端设备。也可多个设备通过近距通信与一台主机连接后，由主机通过服务器与远端设备通信。

温度传感器805，其位于水冷结构4内，用于采集被保护传感器及环境温度。

执行元件806，用于控制前盖2的开或关。

开关807，用于可直接手动控制系统启动/停止运行，当第一次按下时启动测量，此时前盖2打开，冷却系统工作，当再次按下按键时，前盖2关闭，系统停止工作。

本实施例中，水泵802、气源803、温度传感器805组成冷却系统，其中，水泵802用于为传感器本体及装置本体等部件提供大功率冷却，气源803用于产生形成风幕所需的压缩气体。

优选地，当系统处于高温环境时，系统根据当前被保护传感器前端温度，实时控制水泵802转速，从而控制单位时间内与传感器进行换热的冷却水流量，达到给被保护传感器降温及控温的效果。

优选地，当系统在高温环境中开启前盖2时，可以进一步启动风冷系统。风冷系统包括温度传感器805和产生压缩气体的气源803。

本实施例中，系统可以根据温度传感器805的测量值或其他功能性需求调整压缩空气的流量或压力，以便调整形成风幕的空气流量或压力。例如调整气泵的转数或调整气体储罐阀门的开度，或调整化学反应物的浓度。

本实施例中，前盖2开关的基本原理为：控制器801通过控制执行元件806进而达到前盖2开或关的效果。该执行元件806运动步数行程固定且精确，因此可控制前盖2精确的达到开或关的位置，极大的降低了超调对机械系统造成的过冲且简化了控制逻辑。

本实施例中，前盖2的控制方式包括：1）按下开关807启动按钮控制前盖2打开，此时系统工作，再次按下前盖关闭；2）可通过通信系统804无线或有线通讯发送指令控制前盖打开与关闭；3）前盖打开后，当被保护传感器长时间超过设定温度，控制器801控制前盖自动关闭进而保护传感器。

本发明实施例中，传感器热防护装置可设置在消防机器人中进入高温环境中进行数据的采集。当消防机器人进入火场，本结构处于热防护状态，内部设备舱中的冷源为传感器冷却水进行冷却，此时风幕冷却不启动；机器人进入火场后，需要传感器工作时，前盖打开，本结构处于传感器工作状态，同时风幕冷却启动，冷源对风幕冷却气体进行冷却，此时风幕冷却和水冷同时作用，保证传感器在高温环境（1000℃）下正常工作。隔热层防护在整个过程中的作用是减小外部高温环境向内部设备舱的热传递，延长传感器在高温环境中的工作时间，具体时间由蓄冷剂携带量和高温环境的恶劣条件共同决定，本实例在1000℃的环境中机器人能够工作30min（传感器工作时间小于30min）。

本实例中，导风槽和传感器轴线夹角是60°（数值为0-90°）导风槽数量18个（数值为3-36个），从而保证风幕冷却气流向远离传感器方向流动，同时，风幕冷却在传感器前端形成微正压的空气区域，可以有效减少高温气体与传感器之间的对流换热，并在一定程度上阻止灰尘等污物进入腔体内。

本申请的传感器热防护装置，适用于激光、可见光、红外超声波等非透过性或低透过性传感方式。通过分时热防护，及多种热防护措施结合（隔热层隔热、风幕冷却、水冷却），使非透过性或低透过性传感方式的传感器，能够在1000℃的恶劣环境中，作为机器人的感知元件正常工作，这能够极大丰富特种机器人的应用场景，解决了传感器在高温环境下无法正常工作的问题。

本领域普通技术人员可以理解：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种传感器热防护装置，其特征在于，包括，装置本体、前盖、水冷结构、风冷结构，以及控制单元，其中，

所述装置本体和所述前盖连接，在所述装置本体内部设置有内部设备舱；

所述水冷结构、所述风冷结构和所述控制单元位于所述内部设备舱内；

所述控制单元，控制所述前盖的打开或关闭，以及冷却气体和冷却水的供给量；

所述风冷结构，其在传感器前方形成风幕，对传感器前端进行冷却。

2.根据权利要求1所述的传感器热防护装置，其特征在于，所述装置本体和所述前盖，采用多层结构的隔热壳体；

所述隔热壳体，包括外壳层、隔热层，以及内壳层；

所述隔热层，设置在所述外壳层和所述内壳层之间，并具有多层结构。

3.根据权利要求1所述的传感器热防护装置，其特征在于，所述风冷结构，为中空结构，还包括，导风腔体、导风槽和导风口，其中，

所述导风腔体、所述导风口和多个所述导风槽共同形成风幕冷却气体通路；

所述导风腔体和所述导风槽之间为密封连接。

4.根据权利要求3所述的传感器热防护装置，其特征在于，冷却气体通过所述导风口进入所述导风腔体，通过所述导风槽在传感器前方形成风幕，对传感器前端进行冷却。

5.根据权利要求4所述的传感器热防护装置，其特征在于，所述导风槽与水冷结构轴线方向具有夹角。

6.根据权利要求1所述的传感器热防护装置，其特征在于，所述水冷结构，还包括，传感器支架、冷却水腔体、冷却水进口，以及冷却水出口，其中，

传感器安装在所述传感器支架上，所述冷却水腔体设置在所述传感器支架内；

冷却水从所述冷却水进口流入，经过所述冷却水腔体从所述冷却水出口流出，完成冷却循环，对所述传感器进行冷却。

7.根据权利要求1所述的传感器热防护装置，其特征在于，所述控制单元，包括，控制器、水泵、气源、通信模块、温度传感器、执行元件及开关，其中，

所述控制器分别与所述水泵、所述气源、所述通信模块、所述温度传感器、所述执行元件和所述开关连接；

所述控制器，用于处理温度与通信数据，并控制所述前盖开或关及系统冷却；

所述水泵，用于控制水冷循环，冷却传感器；

所述气源，用于当所述前盖打开时，为所述风冷结构提供冷却气体，冷却传感器；

所述通信模块，用于与上层系统进行数据通信，远程控制所述前盖开或关以及读取环境温度信息；

所述温度传感器，用于采集环境温度及保护结构的腔体内温度；

所述执行元件，其位于所述风冷结构中，并与所述前盖相连接，用于开或关所述前盖；

所述开关，用于手动控制系统启动/停止运行。

8.一种传感器热防护方法，其特征在于，包括以下步骤：

启动水泵，为水冷结构提供冷却水对传感器进行冷却；

开启前盖，启动气源为风冷结构提供冷却气体对传感器进行冷却。

9.根据权利要求8所述的传感器热防护方法，其特征在于，所述启动内部设备舱的冷源为传感器冷却水进行冷却的步骤，进一步包括，控制单元根据温度传感器的测量值控制水泵的转速及冷却水流量。

10.根据权利要求8所述的传感器热防护方法，其特征在于，所述开启前盖，启动气源为风冷结构提供冷却气体对传感器进行冷却的步骤，还包括，

执行元件接收控制单元的控制打开前盖；

控制单元根据温度传感器的测量值调整冷却气体的流量或压力，对传感器进行冷却。

11.一种消防机器人，其特征在于，所述消防机器人内部设置有权利要求1-7任一项所述的传感器热防护装置。

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