專利名稱：具有自定位功能的展縮關節式磁場強度探測機器人的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種機器人技術領域的裝置，具體地說，是一種具有自定位功能的展縮關節式磁場強度探測機器人。
背景技術：
在軍事演習及一些非常時期，鉆入地下未引爆的炸彈或地雷往往藏于地下數米，造成對人身安全和財產的巨大潛在危害，對這些爆炸物的搜尋和精確定位，是非常必要的。從目前的國際發展趨勢來看，使用磁場強度探測機器人進行搜索是解決這一難題的最佳手段。磁場強度探測傳感陣列是目前對非爆彈進行探測的主要手段。然而，磁場強度傳感陣列本身對外部的電磁干擾也非常敏感，要求其使用中要遠離電磁干擾源，現已經被國際公認的安全絕磁區域為六米，在此要求下，安裝了磁場強度探測陣列的機器人難免體積龐大，常用的結構固定式移動機器人難以滿足探測時六米的隔離，運輸時小巧方便的要求，如果僅保證工作時機器人內部的電磁元件與傳感器探頭陣列的磁隔離要求，勢必不利于運輸與維護。
經對現有技術的文獻檢索發現，錢鈞等人在《機器人》，2006，28(6)pp571-581)上發表的“一種安全工作于城區環境的消防偵察機器人”，該文中提出的關節鏈輪結構偵察機器人在城區環境中取得了良好的使用效果。該設計采用差動輪式移動結構，在同側的兩個車輪之間用鏈條傳動，在車身的前、后各有兩個擺桿，擺桿可以繞各自的車輪中心軸旋轉，以改變擺桿與車身的夾角，擺桿上的鏈條和鏈輪隨車輪一起轉動。這種具有關節鏈輪的輪式移動結構，可以上、下樓梯、爬斜坡和跨越臺階，并具有快速、平穩的移動性能。但這種結構無法滿足六米的磁隔離要求。因此，研制具有自定位功能，同時又體積小巧的磁場強度探測機器人需求非常迫切。
發明內容
本發明的目的在于克服現有技術中的不足，提供一種具有自定位功能的展縮關節式磁場強度探測機器人，使其在滿足工作時磁隔離要求的同時，減小了體積和重量，便于運輸和維護。
本發明是通過以下技術方案實現的，本發明包括多個輪模塊-關節組合套件、主運載平臺、磁場強度傳感陣列、標記點涂布機械手臂、無線通訊模塊、機載觀察及定位設備。標記點涂布機械手臂、無線通訊模塊和機載觀察及定位設備分別安裝在相應的輪模塊-關節組合套件上，主運載平臺位于機器人中央，磁場強度傳感陣列安裝在主運載平臺上。
所述輪模塊-關節組合套件包括輪模塊、末端連桿、末端平臺、關節臂、關節鉸鏈，連接關系為編碼器的輪模塊、末端連桿、末端平臺、關節臂分別通過關節鉸鏈首尾串聯，關節臂可沿關節鉸鏈的軸線水平轉動。
所述主運載平臺為正多邊形結構，該多邊形的頂點分別與多個輪模塊-關節組合套件中的關節臂通過鉸鏈連接。主運載平臺用于放置探測磁場強度的傳感器陣列。
所述磁場強度傳感陣列為長方體結構，上面均勻分布了多個傳感器探頭，磁場強度傳感陣列水平安放在主運載平臺上。磁場強度傳感器用于檢測探測部位的磁場強度，是對未引爆炸彈等危險物進行探測的工具，將探測到的每一點的磁場強度值回傳給磁場成像處理程序，便能夠發現埋藏在地下的炸彈位置。
所述標記點涂布機械手臂為四自由度機械臂，用于設置涂布參考點和標記位置，安放在一個輪模塊-關節組合套件中的末端平臺上。
所述無線通訊模塊用于實現對機器人的遠程控制，獨立安放在其中一個輪模塊-關節組合套件中的末端平臺上。機器人通過無線通訊模塊接收后方操作人員的控制指令并將自身信息傳遞給后方操作人員。
所述機載觀察及定位設備包括全景攝像頭、定向攝像頭、激光測距儀；這三臺設備集成安裝在另一個輪模塊-關節組合套件的末端平臺上，按由外到內的排列依次為定向攝像頭、激光測距儀、全景攝像頭。機載觀察和定位設備用于觀測機器人運動路徑上的路面情況，其中定向攝像頭采集固定方向的環境圖像，激光測距儀用于檢測機器人與外界物體之間的距離，全景攝像頭用于觀察機器人周圍360度的全景環境信息。采集的這些視覺圖像通過無線通訊模塊傳輸到后方的操作人員監視平臺，從而使位于后方的操作人員能夠隨時了解機器人運動方向及其周圍的環境。
通過機器人自身攜帶的機載觀察及定位設備和標記物涂布機械臂，使其具有自定位的功能；整機結構為伸展關節式，在工作時展開，保證了6米磁隔離要求，運輸和存放時各關節合攏，減小了體積和重量。
本發明的磁場強度探測機器人在工作時機器人按設定步長對探測區域進行逐行掃描，通過磁場強度傳感陣列形成磁場分布圖像，從而判斷出炸彈等危險物埋藏的精確位置，再采用標記物涂布機械手對該位置進行標記，從而將埋藏炸彈的隱藏點變為標記點，為其后的工兵排爆工作做好準備。在機器人執行區域掃描的過程中，位于后方的操作監控人員通過機載觀察設備觀察機器人周圍的環境情況，機器人與后方操作監控人員的信息傳遞由無線通訊模塊完成。
本發明采用可水平展開的關節式輪模塊結構，機器人的控制部分均集成在車輪端，磁場強度探測傳感器安放在機器人的主運載平臺上，主運載平臺及展開式關節臂由磁導率極小的鋁合金材料制成，關節完全展開時臂長大于6米，該結構的優點在于運輸及存放時關節處于收縮狀態，可最大限度減小體積；進行探測工作時關節展開，可滿足對探測裝備的磁隔離要求。另外，利用這種關節冗余結構，通過多個輪模塊的協調轉動，可實現避開彈坑的旋轉過程中，磁場強度探測陣列絕對位姿不變。
為了達到更加理想的減小載體體積效果，關節臂可采用多級關節展開方式，例如，若采用3級關節方式，則每節的長度僅為2米即可，三級關節可在使用時由人工展開，展成直線后人工鎖緊，關節的末端仍為輪模塊，則能夠實現體積更加緊湊的效果。
采用本發明可獨立完成檢驗工作，其本身自帶觀測及定位系統，體積小巧，填補了使用機器人對危險環境下磁敏感物質探測偵察的空白。同時，本發明避免了現有偵察機器人關節鏈輪式移動結構的復雜機構，以最小的體積實現了自定位和磁隔離的雙重需求。尤其是在國防方面，這種結構小巧、不依賴于GPS的探測機器人可實現對意外情況的快速反應，適用于突發事件的處理需要。
圖1為本發明的三維立體結構示意圖。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明的實施例作詳細說明本實施例是在以本發明技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護范圍不限于下述的實施例。
如圖1所示，本實施例是以三套模塊-關節組合套件為例，包括第一輪模塊-關節組合套件1、第二輪模塊-關節組合套件10、第三輪模塊-關節組合套件15、主運載平臺16、磁場強度傳感陣列17、標記點涂布機械手臂14、無線通訊模塊5、機載定位設備。
其中，三個輪模塊-關節組合套件的結構相同，在此以第一輪模塊-關節組合套件1為例說明其構成。第一輪模塊-關節組合套件由內置電機及減速器、編碼器的輪模塊2、末端連桿3、末端轉軸4、末端平臺6、末端鉸鏈7、第二水平回轉式可伸展關節臂8、第一水平回轉式可展縮關節臂9、第二關節鉸鏈19、第一關節鉸鏈18組成。輪模塊2、末端連桿3、末端平臺6、第二水平回轉式可展縮關節臂8、第一水平回轉式可展縮關節臂9之間依次通過末端轉軸4及末端鉸鏈7、第二關節鉸鏈19、第一關節鉸鏈18串聯連接，既可相對運動以實現展縮，又可鎖死以實現固連。
主運載平臺16為等邊三角形結構，三個頂點分別與三個輪模塊-關節組合套件中的第一水平回轉式可展縮關節臂通過第一關節鉸鏈連接(依此方式，主運載平臺16與第一輪模塊-關節組合套件1的連接即為第一水平回轉式可展縮關節臂9通過第一關節鉸鏈18連接)。
磁場強度傳感陣列17為長方體結構，水平安放在主運載平臺16上。
標記點涂布機械手臂14為四自由度機械臂，用于設置涂布參考點和標記位置，安放在第二輪模塊-關節組合套件15中的末端平臺上。
機載定位設備(由定向攝像頭11、激光測距儀12、全景攝像頭13組成)安放在第二輪模塊-關節組合套件10中的末端平臺上。
無線通訊模塊5安放在第一輪模塊-關節組合套件1中的末端平臺6上。
采用鋁合金型材制作第一水平回轉式可展縮關節臂9和第二水平回轉式可展縮關節臂8，可保證無電磁干擾的同時機器人本體又具有足夠的剛度和強度。將機器人整機的驅動及控制系統等集中放置在輪模塊附近，滿足距離隔離要求，從而實現對磁場傳感器不產生干擾。從而實現對移動機器人的設計目的。
如出現一個輪模塊遇到彈坑的情況，可保證不需要主運載平臺轉動角度即可避開彈坑，通過控制具有冗余結構的兩個末端關節角(見圖1中的末端連桿3與末端平臺6之間的夾角和末端平臺6與第二水平回轉式可展縮關節臂8之間的夾角)，利用三個輪模塊的協調轉動，可保證在避開彈坑的旋轉過程中，磁場強度探測陣列17不發生轉動，從而使其絕對位姿不變。
本實施例采用水平結構兩級可展縮關節臂形式(見圖1中第一水平回轉式可展縮關節臂9和第二水平回轉式可展縮關節臂8)，使得該機器人在非工作狀態時的體積減小，便于入庫存放和運輸，在保證6米的磁隔離的同時，系統的體積小巧。
從本實施例可看出，本發明的磁場強度探測機器人自身攜帶定位傳感系統和標記物涂布機械臂，具有自定位的功能；整機結構為可展縮關節式，在工作時展開，保證了磁場強度探測陣列的磁隔離要求，運輸和存放時各關節合攏，減小了體積和重量。通過三個輪模塊的協調轉動，可實現避開彈坑的旋轉過程中，磁場強度探測陣列的絕對位姿不變。
權利要求
1.一種具有自定位功能的展縮關節式磁場強度探測機器人，包括多個輪模塊-關節組合套件、主運載平臺、磁場強度傳感陣列、標記點涂布機械手臂、無線通訊模塊、機載觀察及定位設備，其特征在于，標記點涂布機械手臂、無線通訊模塊和機載觀察及定位設備分別設置在不同的輪模塊-關節組合套件上，主運載平臺位于機器人中央，磁場強度傳感陣列設置在主運載平臺上。
2.根據權利要求1所述的具有自定位功能的展縮關節式磁場強度探測機器人，其特征是，所述輪模塊-關節組合套件包括輪模塊、末端連桿、末端平臺、關節臂、關節鉸鏈，編碼器的輪模塊、末端連桿、末端平臺、關節臂分別通過關節鉸鏈首尾串聯，關節臂能沿關節鉸鏈的軸線水平轉動。
3.根據權利要求2所述的具有自定位功能的展縮關節式磁場強度探測機器人，其特征是，所述關節臂，關節完全展開時臂長大于6米。
4.根據權利要求2或3所述的具有自定位功能的展縮關節式磁場強度探測機器人，其特征是，所述關節臂，為多級關節臂串聯，具有關節冗余自由度。
5.根據權利要求1所述的具有自定位功能的展縮關節式磁場強度探測機器人，其特征是，所述主運載平臺為正多邊形結構，該多邊形的頂點分別與多個輪模塊-關節組合套件中的關節臂通過鉸鏈連接。
6.根據權利要求1所述的具有自定位功能的展縮關節式磁場強度探測機器人，其特征是，所述磁場強度傳感陣列為長方體結構，上面均勻分布了多個傳感器探頭，磁場強度傳感陣列水平安放在主運載平臺上。
7.根據權利要求1所述的具有自定位功能的展縮關節式磁場強度探測機器人，其特征是，所述標記點涂布機械手臂為四自由度機械臂，用于設置涂布參考點和標記位置，安放在一個輪模塊-關節組合套件中的末端平臺上。
8.根據權利要求1所述的具有自定位功能的展縮關節式磁場強度探測機器人，其特征是，所述機載觀察及定位設備包括全景攝像頭、定向攝像頭、激光測距儀；這三臺設備集成設置在其中一個輪模塊-關節組合套件的末端平臺上，按由外到內的排列依次為定向攝像頭、激光測距儀、全景攝像頭，用于觀測機器人運動路徑上的路面情況，其中定向攝像頭采集固定方向的環境圖像，激光測距儀用于檢測機器人與外界物體之間的距離，全景攝像頭用于觀察機器人周圍360度的全景環境信息，采集的這些視覺圖像通過無線通訊模塊傳輸到后方的操作人員監視平臺，從而使位于后方的操作人員能夠隨時了解機器人運動方向及其周圍的環境。
9.根據權利要求1所述的具有自定位功能的展縮關節式磁場強度探測機器人，其特征是，所述無線通訊模塊，用于實現對機器人的遠程控制，獨立安放在其中一個輪模塊-關節組合套件中的末端平臺上，機器人通過無線通訊模塊接收后方操作人員的控制指令并將自身信息傳遞給后方操作人員。
全文摘要
一種具有自定位功能的展縮關節式磁場強度探測機器人，屬于機器人技術領域。本發明包括多個輪模塊－關節組合套件、主運載平臺、磁場強度傳感陣列、標記點涂布機械手臂、無線通訊模塊、機載觀察及定位設備，標記點涂布機械手臂、無線通訊模塊和機載觀察及定位設備分別設置在不同的輪模塊－關節組合套件上，主運載平臺位于機器人中央，磁場強度傳感陣列設置在主運載平臺上。輪模塊－關節組合套件的輪模塊、末端平臺、水平回轉式可展縮關節臂之間通過末端轉軸及關節鉸鏈串聯連接，既可相對運動實現展縮，又可鎖死實現固連；機載定位設備包括全景攝像頭、定向攝像頭、激光測距儀。本發明可實現自定位，體積小巧，便于使用和維護。
文檔編號B25J9/00GK101015915SQ20071003789
公開日2007年8月15日 申請日期2007年3月8日 優先權日2007年3月8日
發明者頓向明, 袁建軍, 張偉軍, 頓向勇, 辛濤, 高勇 申請人:上海交通大學