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把爆炸擋在外面：四足機器人用“超壓軀幹”防爆
（本文素材源於專利 US20250187212A1）本發明涉及一種有腿機器人 (1000)。該機器人包括：具有腔體 (10) 的軀幹 (1)，所述腔體 (10) 容納至少一個機器人部件 (11)；以及至少一條腿，所述至少一條腿上設定有至少一個具有防爆殼體的執行器 (100)。腔體 (10) 內的絕對壓力 P_c 高於環境壓力 P_a，並且所述執行器 (100) 的防爆殼體包括至少一個隔爆間隙 (105)。
技術領域
[0001] 本發明涉及一種足式機器人、一種用於該足式機器人的電纜密封接頭、一種用於該足式機器人的執行器、一種提供防爆機器人的方法，以及一種該足式機器人的用途。
背景技術
[0002] 足式機器人被用於各種任務，尤其是用於在危險環境中輔助人類工作。通常，一個足式機器人包括一條或多條腿。
[0003] 為了在爆炸性環境中使用足式機器人，尤其是在有爆炸性氣體或粉塵的環境中，若機器人在結構上能夠滿足一些預防性措施則是有利的。例如，機器人應當以不會在此類環境中引燃爆炸的方式構造。
[0004] 在這方面，一個挑戰是要使機器人以這樣的方式構造：當例如爆炸性氣體進入機器人軀幹或機器人的某個執行器時，機器人本身不會發生爆炸。
[0005] 現有技術中的機器人可能通過如下方式滿足這些要求：它們包括一個整體外殼，該外殼將所有機器人部件封閉起來，並對外部環境實現氣密密封。然而，這樣的機器人結構可能非常沉重，因此成本高昂。
發明內容
[0006] 本發明要解決的問題在於，提供一種能夠克服現有技術缺點的足式機器人。
[0007] 通過以下各方面解決該問題：發明的第一方面涉及一種足式機器人；第二方面涉及一種用於該足式機器人的電纜密封接頭；第三方面涉及
一種防爆執行器；第四方面涉及一種提供防爆足式機器人的方法；第五方面涉及該足式機器人的用途。
[0008] 除非另有說明，本說明書中適用以下定義。
[0009] 在本發明的語境下，術語“a”“an”“the”（一個、該等）及類似術語應當解釋為同時覆蓋單數和複數，除非上下文另有指示或明顯相反。此外，“including”“containing”“comprising”（包括、包含）等詞在此均以開放式、非限制性含義使用。術語“containing”（包含）應當同時包括“comprising”（包括）和“consisting of”（由……組成）。
[0010] 有利地，術語“ambient”（環境）是指圍繞機器人周圍環境的狀態。尤其是，“ambient pressure”（環境壓力）是指機器人周圍環境的壓力。
[0011] 有利地，術語“in fluid connection”（流體連通）是指兩個空間或腔體彼此連接，使得一種流體，例如氣體、空氣或液體，可以從一個空間或腔體流向另一個空間或腔體。因此，如果空間或腔體在流體上是連通的，那麼它們可能被相同的氣體、相同的空氣或相同的液體所充滿。
[0012] 有利地，術語“explosion proof housing”（防爆殼體）是指能夠承受並容納殼體內部爆炸的殼體，從而防止爆炸向殼體外部傳播。
[0013] 有利地，殼體的此類防爆特性可通過以下特徵單獨或組合實現：
[0014] 阻火間隙：阻火間隙指的是足夠大以便空氣或氣體可以從環境流入殼體內部、但又足夠小以阻止由殼體內部爆炸引起的潛在火焰竄出殼體並點燃環境的間隙。
[0015] 在一個有利實施例中，動態關節殼體的阻火間隙長度至少為 6 mm，寬度小於 0.2 mm。
[0016] 阻燃材料：殼體由阻燃材料構成，例如鋁、鋼或 PEEK（聚醚醚酮）。
[0017] 殼體壁厚：殼體的壁厚被設計成能夠承受爆炸。
[0018] 本發明第一方面涉及一種足式機器人，尤其是一種四足機器人，其包括具有腔體的軀幹，所述腔體封閉至少一個機器人部件。此外，機器人包括至少一條腿，腿上具有至少一個執行器，其中該執行器包括防爆殼體。該腿進一步有利地還可包括第二個或進一步的執行器，每個執行器都具有各自的防爆殼體。
[0019] 該防爆殼體可以由多個殼體或多個段組成，這些殼體或段仍被視為該執行器的防爆殼體的一部分。
[0020] 有利地，軀幹是機器人的主體，其包含了機器人大部分重要且較重的電子部件。特別是，電池和電子器件設定於軀幹之中。
[0021] 特別地，所述腔體是機器人軀幹內部的空間，機器人不同部件佈置在其中。具體而言，腔體是軀幹內部的空間，該空間與外界環境密封隔離，且在整個腔體內具有相同的絕對壓力 p_c。也就是說，凡是與軀幹在流體上連通的空間均屬於該腔體的一部分。
[0022] 腔體內的絕對壓力 p_c 高於環境壓力 p_A。為了實現這種超壓，腔體有利地充滿氮氣。該超壓的技術效果在於避免環境氣體或粉塵進入腔體，從而防止腔體內部發生爆炸。
[0023] 有利地，執行器是機器人腿的一部分，該腿包括一個或多個執行器，尤其是包括兩個或三個執行器，用於驅動該腿運動。
[0024] 在本發明的一個進一步有利實施例中，執行器直接連接在軀幹上。
[0025] 在另一有利實施例中，該執行器為髖外展/內收（HAA）執行器。
[0026] 此外，執行器的殼體被設計成阻火殼體。特別地，阻火殼體是指能夠承受並容納殼體內部爆炸、以防止爆炸向殼體外部傳播的殼體。
[0027] 執行器的防爆殼體包括至少一個阻火間隙。
[0028] 尤其是，該阻火間隙並不阻止殼體內部的點火；它只確保火焰不能從殼體內部逸出並點燃外部氣體。
[0029] 有利地，執行器殼體的至少一個阻火間隙長度最少為 6 mm，寬度小於 0.2 mm。
[0030] 只有將具有超壓的軀幹與具有防爆殼體的執行器結合起來，才能提供一種對環境而言具有防爆性能的足式機器人，也就是說該機器人能夠防止點燃外部環境。
[0031] 有利地，執行器的殼體是氣密的。在殼體內部可以是環境氣體，也可以是氮氣。有利地，執行器是在環境條件下組裝的，因此在組裝形成執行器防爆殼體時，內部可能存在環境條件。為了對殼體各段進行密封，可以在殼體各段之間使用 O 形圈。無論如何，O 形圈都可能無法完全密封防爆殼體各段之間的介面，因此環境氣體可能進入執行器的防爆殼體。
[0032] 因此，殼體幾何形狀、殼體連接介面或法蘭被設計成阻火結構。相比之下，機器人軀幹的腔體在流體上並不與環境連通（因此環境氣體或粉塵不會進入該空間）。由此，軀幹被構造為為佈置在其中的部件提供防爆殼體。
[0033] 在本發明的另一有利實施例中，執行器包括具有運動段和靜止段的動態關節，至少一個阻火間隙佈置在運動段與靜止段的介面處。
[0034] 有利地，動態關節用於將兩個本體作動態連接，其中動態關節包括一個運動關節部分和一個靜止部分，即一個運動段和一個靜止段，例如將輸出法蘭作為靜止段，或將電機定子、缸體作為靜止段，或將液壓或氣動執行器的某一部分作為靜止段，以建立這種連接。
[0035] 在本發明的進一步有利實施例中，執行器在防爆殼體內部沿縱向軸線依次包括以下各段：
[0036] 一具有運動軸 102 的動態關節，所述運動軸作為運動段，輸出法蘭 103 作為靜止段，其中該運動軸尤其適於將執行器連接到機器人腿的小腿段；
[0037] 一齒輪殼體 104，尤其是包括扭矩測量系統；
[0038] 一定子殼體 106；以及
[0039] 一後端蓋 107；
[0040] 其中，在每一相鄰段之間均設定至少一個阻火間隙 105。
[0041] 在本發明的一個有利實施例中，阻火間隙佈置在所有各段之間，在這些位置本應由 O 形圈密封介面。如果某一 O 形圈不能完全密封兩個段之間的介面，則來自環境的氣體或粉塵可能進入屬於該執行器殼體部分的相應段內，從而可能導致該段或多個段內部發生爆炸。阻火間隙阻止該段內形成超壓像排氣孔一樣洩出，但其尺寸又足夠小，使得段內可能形成的火焰不能從該段逸出。
[0042] 有利地，一個或多個阻火間隙佈置在動態關節運動段與靜止段的介面之間，和/或動態關節靜止段與齒輪殼體的介面之間，和/或齒輪殼體與定子殼體的介面之間，和/或定子殼體與後端蓋的介面之間。
[0043] 有利地，差壓 p_d 是腔體內絕對壓力 p_c 與軀幹外部環境壓力 p_A 之間的差值，即 p_d = p_c − p_A。在本發明的一個有利實施例中，差壓 p_d ≥ 500 Pa。軀幹中的超壓在技術上具有這樣的效果：軀幹在爆炸環境中不會被點燃。尤其是，軀幹是氣密密封的。如果任何氣密密封被破壞，氣體和粉塵也會因為軀幹內部的超壓而進入軀幹。
[0044] 在本發明的另一有利實施例中，足式機器人還包括一個直流風扇，用於冷卻佈置在軀幹外側的冷卻肋，以冷卻軀幹內部部件。尤其是，該直流風扇同樣被設計為防爆型。有利地，直流風扇的殼體也包括阻火間隙，以防止在機器人外部引燃爆炸。
[0045] 在本發明的另一有利實施例中，至少一個機器人部件為 LiDAR 感測器、感測器元件、電子器件、電池和/或攝影機。上述一個或多個部件與腔體在流體上連通。因此，當 p_c>p_A 時，這些部件在具有絕對壓力 p_c 的環境中工作。
[0046] 有利地，腔體的超壓範圍為 500 Pa < p_d < 2500 Pa。
[0047] 在本發明的另一有利實施例中，足式機器人還包括用於測量腔體內絕對壓力 p_c 的壓力感測器單元。
[0048] 作為替代，壓力感測器單元也可以只包括一個感測器元件，該元件被設計成同時測量腔體內部的絕對壓力 p_c 和腔體外部（即軀幹外部）的環境壓力 p_A。這樣的感測器元件可以包括佈置在腔體與環境之間的膜片。
[0049] 在本發明的另一有利實施例中，足式機器人包括一個氣密的電纜密封接頭，用於將來自執行器的導線電連接到腔體內的一個或多個機器人部件，而不會讓環境氣體或粉塵灌入腔體。如上所述，在執行器的防爆殼體內部可能存在環境條件，而腔體則與環境實現氣密隔離。因此，需要一個特殊的電纜密封接頭，用於在不將來自執行器環境的氣體或粉塵帶入軀幹（即腔體）的前提下，將來自執行器的電線連接到腔體內的部件。
[0050] 有利地，電纜密封接頭包括具有至少一個電纜入口和至少一個電纜出口的分隔件。至少一個電纜連接件被配置為將機器人腿上執行器或動態關節或執行器其他部分的電氣部件連接到軀幹腔體內的一個或多個電氣部件和/或電池，和/或將執行器其他部分連接到軀幹腔體內的一個或多個電氣部件和/或電池。
[0051] 電纜連接件通過電纜入口進入電纜密封接頭，並通過電纜出口離開電纜密封接頭。電纜連接件的一段裸露段佈置在分隔件內，該裸露段上電纜護套被去除。
[0052] 該裸露段在技術上的效果是：所有可能存在於各根單獨電線內部的氣體，在該裸露段上通過焊料被封堵。此外，分隔件被填充絕緣材料，例如膠粘劑。通過用焊料填充電纜裸露段並用絕緣材料填充該裸露段所在的分隔件，可防止任何氣體從外側經由電纜出口離開電纜密封接頭，例如向腔體方向進入。
[0053] 在本發明的另一有利實施例中，至少一個執行器的至少一個電氣部件通過電纜密封接頭的導線電連接到一個或多個電氣部件和/或佈置在腔體內的電池，尤其是通過穿過電纜密封接頭的導線連接。
[0054] 在本發明的另一有利實施例中，足式機器人包括一個安全單元，用於識別差壓 p_d。在足式機器人的預定使用中，該安全單元被設計為監測差壓 p_d，並且在差壓 p_d 低於預定壓力值時啟動安全措施，特別是在 p_d≦500 Pa 時，尤其是在 p_d≦50 Pa 時。
[0055] 有利地，該安全措施為：
[0056] 關閉機器人，尤其是在 p_d≦50 Pa 時；
[0057] 將機器人返回到安全區，尤其是在 p_d≦500 Pa 時；或者
[0058] 將機器人返回到停靠站。
[0059] 在本發明的另一有利實施例中，足式機器人包括一個氣瓶，尤其是氮氣瓶，該氣瓶被設計用來控制腔體壓力 p_c。因此，可以控制腔體中的絕對壓力 p_c。如果壓力 p_c 降低，可以通過調節氣瓶來恢復。
[0060] 有利地，當差壓 p_d≦500 Pa 時，氣瓶被設計成向腔體充入來自氣瓶的氣體。
[0061] 有利地，從氣瓶中補充氣體可以是一個自動過程，也可以通過遙控器或人工控制完成。
[0062] 本發明的第二方面涉及一種用於機器人的電纜密封接頭。該電纜密封接頭包括具有至少一個電纜入口和至少一個電纜出口的分隔件，
[0063] 其中，電纜入口被設計成能夠接收至少一個電纜連接件，該電纜連接件被設計成將機器人腿部執行器的電氣部件連接到軀幹腔體內的一個或多個電氣部件和/或電池；並且
[0064] 其中，電纜出口被設計成用於匯出電纜連接件，所述電纜連接件被設計成連接到腔體內的一個或多個電氣部件和/或電池。
[0065] 其中，該分隔件被設計成用於接收電纜連接件的一段裸露段。該裸露段尤其是指在這段電纜連接件上沒有電纜護套的部分。
[0066] 在本發明的另一有利實施例中，電纜密封接頭包括具有至少一個電纜出口的分隔件。此外，電纜密封接頭包括至少一個電纜連接件，該電纜連接件被設計成將機器人的執行器電氣部件連接到軀幹腔體內的一個或多個電氣部件和/或電池，其中電纜連接件通過電纜入口進入電纜密封接頭，並通過電纜出口離開電纜密封接頭，並且
[0067] 電纜連接件的一段裸露段佈置在分隔件內，該裸露段沒有電纜護套。
[0068] 在本發明的另一有利實施例中，該裸露段通過焊料封堵，例如導電材料，尤其是金屬，以防止在裸露段各根電線之間積聚氣體。此外，分隔件被充滿或灌封絕緣材料，有利地為絕緣膠。
[0069] 特別是，通過該電纜密封接頭，可以製造一種足式機器人，其外部部件（例如通過動態關節連接到軀幹的腿部）處於環境條件下，而非處於超壓條件下。本發明的電纜密封接頭能夠防止氣體或粉塵從執行器內部環境空間通過電纜密封接頭進入腔體空間。相反，只有電纜連接件可以穿過執行器的防爆殼體進入腔體，而不會有來自電纜各根電線內部的氣體穿出並進入腔體。
[0070] 通過這種結構，機器人的外部部件（如腿部）可以採用輕量化結構製造，因為它們在流體上並不與腔體連通。因此，由執行器、電纜密封接頭以及具有超壓的軀幹組合而成的足式機器人，在爆炸環境中不會被點燃，同時仍然保持輕量化。
[0071] 因此，軀幹中具有超壓的腔體、處於環境條件下的動態關節外殼以及電纜密封接頭的組合，相對於現有技術而言是有利的。
[0072] 本發明的第三方面涉及一種被防爆殼體封閉的執行器，其中殼體包括至少一個阻火間隙，該執行器被設計成用於根據第一方面的機器人腿。
[0073] 本發明的第四方面涉及一種提供防爆足式機器人的方法。該足式機器人包括具有腔體的軀幹，腔體封閉至少一個機器人部件。此外，機器人包括至少一條腿，其中腿上具有至少一個執行器，該執行器被防爆殼體封閉。該防爆殼體包括至少一個阻火間隙。
[0074] 此外，足式機器人包括一個壓力感測器單元，該單元被設計成測量腔體壓力 p_c 與環境壓力 p_A 之間的差壓 p_d，其中 p_d>p_A。
[0075] 機器人中還整合有安全單元，該安全單元被設計成識別差壓 p_d。
[0076] 該方法包括以下步驟：通過安全單元測量差壓 p_d；以及
[0078] 當差壓 p_d 低於預定壓力值時啟動安全措施，尤其是在 p_d≦500 Pa 時，尤其是在 p_d≦50 Pa 時。
[0079] 在本方法的另一有利實施例中，所述安全措施為：
[0080] 關閉機器人 1000，尤其是在 p_d≦50 Pa 時；或
[0081] 將機器人 1000 返回到安全區，尤其是在 p_d≦500 Pa 時；或
[0082] 將機器人 1000 返回到停靠站。
[0083] 在本發明的另一有利實施例中，該方法還包括：以至少每秒一次的時間間隔測量差壓 p_d 的步驟。
[0084] 本發明第五方面涉及在爆炸性環境中使用上述足式機器人執行任務。
[0085] 其它有利實施例列於從屬權利要求中或將從以下說明中顯而易見。
附圖簡要說明
[0087] 通過下文的詳細說明，本發明將得到更好的理解，並且除了上文所述目標之外的其它目標也將變得清楚。該說明參考附圖進行，其中：
[0089] 圖 1 示出了根據本發明實施例的一種足式機器人的示意圖；
[0089] 圖 2 示出了根據本發明實施例的足式機器人的另一實施例；
[0090] 圖 3 示出了根據本發明實施例的一種執行器；
[0091] 圖 4 示出了根據本發明實施例的執行器的剖檢視；
[0092] 圖 5 示出了根據本發明實施例的一種電纜密封接頭；以及
[0093] 圖 6 示出了根據本發明實施例的一種足式機器人，該機器人包括通過電纜及電纜密封接頭連接到機器人軀幹的執行器。
發明實施方式
[0094] 圖 1 示出了一種足式機器人 1000，其包括具有腔體 10 的軀幹 1。腔體 10 封閉至少一個機器人部件 11。此外，該足式機器人 1000 包括至少一條腿 99，腿上具有至少一個執行器 100。執行器 100 包括防爆殼體 106。該防爆殼體包括至少一個阻火間隙 105。
[0095] 有利地，如圖 1 所示，至少一個執行器 100 佈置在緊鄰機器人軀幹 1 的位置。
[0096] 腔體 10 內部的絕對壓力 p_c 高於環境壓力 p_A。因此，腔體 10 內部存在超壓。
[0097] 在本發明的進一步有利實施例中，在腔體絕對壓力 p_c 與軀幹外部環境壓力 p_A 之間測得的差壓 p_d 滿足 p_d = p_c − p_A ≥ 500 Pa。
[0098] 有利地，足式機器人 1000 包括壓力感測器單元 111，用於測量差壓 p_d。
[0099] 在足式機器人 1000 的另一有利實施例中，其包括直流風扇 110，其中直流風扇 110 被設計成用於冷卻佈置在機器人軀幹外側的冷卻肋，以冷卻軀幹內部部件。尤其是，該直流風扇亦適於防爆。如圖 4 所示，一個示例性的阻火間隙 105 可見。
[0100] 在足式機器人 1000 的另一有利實施例中，至少一個機器人部件 11 為 LiDAR 101、感測器元件 111、電子元件 12、電池 12 和/或攝影機。各種此類元件在圖 1 中有所示出。
[0101] 所有機器人部件 11 與腔體 10 在流體上連通，因此位於與腔體 10 相同超壓的環境中，因為腔體 10 已相對外部環境密封。一些機器人部件 11 可以被腔體 10 完全包圍，另一些部件 11 可以被腔體 10 部分包圍，但它們都與外部環境隔絕。
[0102] 在本發明的另一有利實施例中，足式機器人 1000 包括安全單元 112，以識別差壓 p_d。在足式機器人的預期使用中，安全單元被設計成監測差壓 p_d，並在差壓 p_d 低於預定值時啟動安全措施，尤其是在 p_d≦500 Pa 時，特別是在 p_d≦50 Pa 時。
[0103] 有利地，該安全措施為：
[0104] 關閉機器人 1000，尤其是在 p_d≦50 Pa 時；
[0105] 將機器人 1000 返回到安全區，尤其是在 p_d≦500 Pa 時；或
[0106] 將機器人 1000 返回到停靠站；
[0107] 當差壓 p_d≦500 Pa 時，自動或手動利用氣瓶向腔體 10 重新充入氣體。尤其是，該氣瓶為氮氣瓶。
[0108] 因此，可以控制腔體 10 內的絕對壓力 p_c。如果腔體內壓力降低，可以通過調節氣瓶來恢復。
[0109] 特別地，這樣的足式機器人 1000 將包括以下步驟：通過安全單元測量差壓 p_d，並且當差壓 p_d 低於預定壓力值時啟動安全措施，尤其是在 p_d≦500 Pa 時，尤其是在 p_d≦50 Pa 時。
[0110] 特別是，這樣的足式機器人 1000 被用於在爆炸環境中執行任務。
[0111] 圖 2 示出了足式機器人 1000 的另一實施例的外觀。軀幹 1 從外側可見，而緊鄰佈置的執行器 100 如圖 1 所示。
[0111] 圖 3 示出了圖 2 所示足式機器人 1000 的執行器 100 的一實施例剖檢視。執行器 100 的防爆殼體包括阻火間隙 105。
[0112] 在圖 3 所示的有利實施例中，執行器 100 在防爆殼體內部沿縱向軸線包括以下各段：
[0113] 一具有運動軸 102 的動態關節，該運動軸作為運動段，輸出法蘭 103 作為靜止段；
[0114] 一齒輪殼體 104；
[0115] 一定子殼體 106；以及
[0116] 一後端蓋 107；
[0117] 其中，在每個相鄰段之間至少佈置一個阻火間隙 105。
[0118] 圖 4 示出了圖 3 所示實施例的執行器 100 的剖檢視。尤其是，圖 4 中可見動態關節 100 的殼體上的阻火間隙 105（黑線處箭頭 105 所示即為阻火間隙 105）。
[0119] 圖 5 示出了電纜密封接頭 2 的一個有利實施例的剖檢視。電纜密封接頭 2 包括分隔件 20，分隔件 20 具有至少一個電纜入口 22 和至少一個電纜出口 21。
[0120] 電纜入口 22 被設計成接收電纜連接件 200 的一段裸露段 201。電纜連接件 200 的裸露段 201 上沒有電纜護套。
[0121] 電纜出口 21 被設計成匯出電纜連接件 200，所述電纜連接件 200 被設計成將機器人 1000 的執行器 100 的電氣部件連接到腔體 10 內的一個或多個電氣部件和/或電池 12。
[0122] 分隔件 20 被設計成接收電纜連接件 200 的裸露段 201。所謂裸露段是指在該段上電纜連接件沒有電纜護套。
[0124] 在電纜密封接頭 2 的另一有利實施例中，裸露段 201 通過導電材料（尤其是金屬）銲接封堵，以防止在裸露段各根電線之間積聚氣體。此外，分隔件 20 可以完全用膠粘劑灌封，以氣密方式封閉腔體。
[0126] 圖 6 示出了圖 2 所示足式機器人 1000 的一實施例，該實施例包括軀幹 1 和執行器 100，其中至少一個電纜連接件 200 被設計成將機器人 1000 的執行器 100 的電氣部件連接到腔體 10 內的一個或多個電氣部件和/或電池 12。
[0126] 來自動態關節執行器的電纜連接件 200 在電纜密封接頭 2 的電纜入口 22 處進入軀幹 1（即進入腔體 10），並通過電纜出口 21 離開電纜密封接頭 2。
[0127] 特別是，從圖 6 可以看出電纜連接件 200 離開執行器 100 的位置，在該位置處電纜內部可能暴露於環境條件。電纜通過電纜密封接頭 2 進入軀幹 1，其中分隔件 20 防止來自環境的氣體進入軀幹 1 的腔體 10。 (AI工業)