本發(fā)明涉及機(jī)器人領(lǐng)域，特別是一種適于狹長隧道自主避障的機(jī)器人。

背景技術(shù)：

近年來隨著隧道工程的增多，隧道內(nèi)往往存在狹長、不定向而且多重墻壁障礙；這種環(huán)境下機(jī)器人比較難于控制。機(jī)器人在隧道內(nèi)巡檢時，需要將實(shí)時圖像傳輸至控制站，同時控制站需要對機(jī)器人下達(dá)控制指令；數(shù)據(jù)和信號的傳輸往往采用有線電纜進(jìn)行，這樣就給機(jī)器人的行駛帶來了困難；在早期技術(shù)條件下，機(jī)器人和控制站之間的通信主要分有線通信、無線電通信、光通信等，針對隧道環(huán)境由于缺乏高效的遠(yuǎn)距離通信方式，有線通信一度被用于隧道機(jī)器人，但由于拖拽電纜的環(huán)境適應(yīng)性差，容易引起各種事故，可行性不高；光通信是一種高速、安全、非接觸式的通信方式，但受限于光的直線傳播，只適合直長隧道內(nèi)通信，應(yīng)用也受到限制；無線電在隧道環(huán)境內(nèi)比開放場所衰減更快，通信有效范圍受到極大限制，而且受到功率和輻射環(huán)境的限制，高增益天線、定向天線不太適用，所以無線通信也受限。

因此，需要一種適于狹長隧道自主避障的機(jī)器人。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提出一種適于狹長隧道自主避障的機(jī)器人；該機(jī)器人提升了機(jī)器人在狹長隧道環(huán)境下的靈活控制和自主避障能力。

本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的：

本發(fā)明提供的適于狹長隧道自主避障的機(jī)器人，包括移動底盤和云臺；所述移動底盤包括車體、擺臂電機(jī)、行走電機(jī)、行走履帶和前擺臂；所述云臺包括聯(lián)動折疊臂和攝像頭；

所述車體兩側(cè)分別設(shè)置行走履帶；所述車體上設(shè)置聯(lián)動折疊臂；所述聯(lián)動折疊臂上端設(shè)置攝像頭；所述車體前端兩側(cè)分別設(shè)置前擺臂；

所述車體一側(cè)的行走履帶和擺臂履帶通過位于同側(cè)的行走電機(jī)驅(qū)動；所述擺臂電機(jī)設(shè)置于車體前端；所述擺臂電機(jī)通過擺臂傳動軸與分別設(shè)置于車體前端兩側(cè)的履帶主動輪連接；所述車體兩側(cè)的履帶主動輪與擺臂主動輪分別采用同軸連接；所述車體兩側(cè)的擺臂主動輪通過履帶分別與車體前端兩側(cè)的前擺臂連接。

進(jìn)一步，所述車體前端兩側(cè)的前擺臂分別通過同一個雙輸出蝸輪蝸桿減速電機(jī)來實(shí)現(xiàn)驅(qū)動。

進(jìn)一步，所述行走電機(jī)和擺臂電機(jī)分別加裝密封式隔水防護(hù)罩。

進(jìn)一步，所述聯(lián)動折疊臂包括旋轉(zhuǎn)底座、第一折疊臂、第二折疊臂、第三折疊臂、升降電機(jī)、攝像頭平衡電機(jī)、第一同步帶和第二同步帶；

所述旋轉(zhuǎn)底座設(shè)置于車體上；所述旋轉(zhuǎn)底座上設(shè)置升降電機(jī)；所述升降電機(jī)的轉(zhuǎn)動軸與第一折疊臂連接；

所述第一折疊臂與第二折疊臂連接處設(shè)置第一同步帶輪；所述同步帶輪通過第一同步帶與升降電機(jī)的轉(zhuǎn)動軸連接；

所述第二折疊臂的另一端與第三折疊臂連接處設(shè)置第二同步帶輪；所述第二同步帶輪通過第二同步帶與第一同步帶輪連接；

所述第三折疊臂的另一端設(shè)置攝像頭平衡電機(jī)；所述攝像頭平衡電機(jī)的轉(zhuǎn)動軸與攝像頭平衡關(guān)節(jié)連接；所述攝像頭平衡關(guān)節(jié)與攝像頭連接。

進(jìn)一步，還包括通信單元、處理器和控制器；所述擺臂電機(jī)、行走電機(jī)、升降電機(jī)、攝像頭平衡電機(jī)分別通過電機(jī)驅(qū)動器與控制器連接；所述控制器與處理連接；所述通信單元與處理器連接。

進(jìn)一步，所述車體上還設(shè)置有溫度傳感器、電流傳感器和氣體傳感器；所述溫度傳感器與處理器連接，用于獲取車體所處環(huán)境的溫度信號；所述電流傳感器與處理器連接，用于獲取工作電流信號；所述氣體傳感器與處理器連接，用于獲取車體所處環(huán)境的氣體信號。

進(jìn)一步，所述控制器與電機(jī)驅(qū)動器之間設(shè)置有光耦隔離；所述電機(jī)驅(qū)動器通過退耦濾波與電源連接。

進(jìn)一步，所述車體上還設(shè)置有分別與處理器連接的傾角傳感器和超聲波傳感器；所述超聲波傳感器采用業(yè)字型分別設(shè)置于車體前端用于獲取車體行駛位置信號；所述傾角傳感器設(shè)置于車體中心位置用于獲取車體傾角信號。

進(jìn)一步，所述通信單元采用WIFI通信。

由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明具有如下的優(yōu)點(diǎn)：

本發(fā)明提供的適于狹長隧道自主避障的機(jī)器人，提升了隧道機(jī)器人在狹長隧道環(huán)境下的靈活控制和自主避障能力，通過ARM控制平臺及多模塊化傳感器融合，借助WIFI通信和圖傳以及樹莓派輔助圖像處理、信號處理的控制系統(tǒng)，解決了隧道復(fù)雜環(huán)境下通信不暢、圖傳不清晰、無法自主壁障等控制方面的問題，同時解決了人可遠(yuǎn)離隧道環(huán)境進(jìn)行操作、巡檢的難題。

本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)、目標(biāo)和特征在某種程度上將在隨后的說明書中進(jìn)行闡述，并且在某種程度上，基于對下文的考察研究對本領(lǐng)域技術(shù)人員而言將是顯而易見的，或者可以從本發(fā)明的實(shí)踐中得到教導(dǎo)。本發(fā)明的目標(biāo)和其他優(yōu)點(diǎn)可以通過下面的說明書來實(shí)現(xiàn)和獲得。

附圖說明

本發(fā)明的附圖說明如下。

圖1為整體機(jī)構(gòu)。

圖2為移動底盤。

圖3為云臺結(jié)構(gòu)。

圖4為電氣框架圖。

圖5為電機(jī)驅(qū)動電路。

圖6為行走監(jiān)控單元電路。

圖7為姿態(tài)單元電路圖。

圖8為氣體檢測單元電路圖。

圖9為通信結(jié)構(gòu)。

圖中，1為車體、2為擺臂電機(jī)、3為聯(lián)動折疊臂、4為行走電機(jī)、41為行走履帶、5為前擺臂；6為攝像頭、7為擺臂傳動軸、71為擺臂履帶、8為履帶主動輪、9為擺臂主動輪；

31為旋轉(zhuǎn)底座、32為第一折疊臂、33為第二折疊臂、34為第三折疊臂、35為升降電機(jī)、36為攝像頭平衡關(guān)節(jié)、37為攝像頭平衡電機(jī)、38為第一同步帶、39為第二同步帶。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

實(shí)施例1

如圖所示，本實(shí)施例提供的適于狹長隧道自主避障的機(jī)器人，包括移動底盤和云臺；所述移動底盤包括車體1、擺臂電機(jī)2、行走電機(jī)4、行走履帶41和前擺臂5；所述云臺包括聯(lián)動折疊臂3和攝像頭6；

所述車體兩側(cè)分別設(shè)置行走履帶；所述車體上設(shè)置聯(lián)動折疊臂；所述聯(lián)動折疊臂上端設(shè)置攝像頭；所述車體前端兩側(cè)分別設(shè)置前擺臂；

所述車體一側(cè)的行走履帶和擺臂履帶71通過位于同側(cè)的行走電機(jī)驅(qū)動；所述擺臂電機(jī)設(shè)置于車體前端；所述擺臂電機(jī)通過擺臂傳動軸7與分別設(shè)置于車體前端兩側(cè)的履帶主動輪8連接；所述車體兩側(cè)的履帶主動輪8與擺臂主動輪9分別采用同軸連接；所述車體兩側(cè)的擺臂主動輪通過履帶分別與車體前端兩側(cè)的前擺臂連接。

所述車體前端兩側(cè)的前擺臂分別通過同一個雙輸出蝸輪蝸桿減速電機(jī)來實(shí)現(xiàn)驅(qū)動。

所述行走電機(jī)和擺臂電機(jī)分別加裝密封式隔水防護(hù)罩。

所述聯(lián)動折疊臂3包括旋轉(zhuǎn)底座31、第一折疊臂32、第二折疊臂33、第三折疊臂34、升降電機(jī)35、攝像頭平衡電機(jī)37、第一同步帶38和第二同步帶39；

所述旋轉(zhuǎn)底座設(shè)置于車體上；所述旋轉(zhuǎn)底座上設(shè)置升降電機(jī)；所述升降電機(jī)的轉(zhuǎn)動軸與第一折疊臂連接；

所述第一折疊臂與第二折疊臂連接處設(shè)置第一同步帶輪；所述同步帶輪通過第一同步帶與升降電機(jī)的轉(zhuǎn)動軸連接；

所述第二折疊臂的另一端與第三折疊臂連接處設(shè)置第二同步帶輪；所述第二同步帶輪通過第二同步帶與第一同步帶輪連接；

所述第三折疊臂的另一端設(shè)置攝像頭平衡電機(jī)；所述攝像頭平衡電機(jī)的轉(zhuǎn)動軸與攝像頭平衡關(guān)節(jié)36連接；所述攝像頭平衡關(guān)節(jié)與攝像頭連接。

還包括通信單元、處理器和控制器；所述擺臂電機(jī)、行走電機(jī)、升降電機(jī)、攝像頭平衡電機(jī)分別通過電機(jī)驅(qū)動器與控制器連接；所述控制器與處理連接；所述通信單元與處理器連接。

所述車體上還設(shè)置有溫度傳感器、電流傳感器和氣體傳感器；所述溫度傳感器與處理器連接，用于獲取車體所處環(huán)境的溫度信號；所述電流傳感器與處理器連接，用于獲取工作電流信號；所述氣體傳感器與處理器連接，用于獲取車體所處環(huán)境的氣體信號。

所述控制器與電機(jī)驅(qū)動器之間設(shè)置有光耦隔離；所述電機(jī)驅(qū)動器通過退耦濾波與電源連接。

所述車體上還設(shè)置有分別與處理器連接的傾角傳感器和超聲波傳感器；所述超聲波傳感器采用業(yè)字型分別設(shè)置于車體前端用于獲取車體行駛位置信號；所述傾角傳感器設(shè)置于車體中心位置用于獲取車體傾角信號。

所述通信單元采用WIFI通信。

實(shí)施例2

本實(shí)施例提供的適于狹長隧道自主避障的機(jī)器人，提升隧道機(jī)器人在狹長隧道環(huán)境下的靈活控制和自主避障能力，基于ARM控制平臺，多模塊化傳感器融合，借助WIFI通信和圖傳以及樹莓派輔助圖像處理、信號處理的控制系統(tǒng)，將其運(yùn)用到隧道機(jī)器人上。該控制系統(tǒng)的設(shè)計，解決了隧道復(fù)雜環(huán)境下通信不暢、圖傳不清晰、無法自主壁障等控制方面的問題，同時解決了人可遠(yuǎn)離隧道環(huán)境進(jìn)行操作、巡檢的難題。為傳統(tǒng)電纜隧道無需改造即可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人巡檢提供了控制方案。

狹長、不定向而且多重墻壁障礙是隧道環(huán)境下機(jī)器人控制長期無法攻克的難點(diǎn)；因此，對于通信網(wǎng)絡(luò)本實(shí)施例采用WIFI通信；采用大功率的路由器以及大功率天線和多AP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。大功率高增益的天線為平板定向天線和微波盤狀天線中的一種；機(jī)器人車體必須采用wifi模式將車體信息傳輸給控制箱。由于控制箱的位子先對于通信網(wǎng)絡(luò)來說是固定的，加上其裝有工業(yè)控制計算機(jī)，因此可以采用小功率的wifi網(wǎng)卡與網(wǎng)絡(luò)連接，因此建立控制箱和運(yùn)動中的機(jī)器人車體wifi網(wǎng)絡(luò)是整個控制環(huán)節(jié)中最重要的。路由器或者ap數(shù)量由隧道長度而定。機(jī)器人在隧道內(nèi)巡檢時，需要將實(shí)時圖像傳輸至控制站，同時控制站需要對機(jī)器人下達(dá)控制指令。

如圖1所示，圖1為整體機(jī)構(gòu)，搭建隧道WIFI環(huán)境，利用其傳輸數(shù)據(jù)和圖像，再利用樹莓派進(jìn)行圖像信號處理和控制信號解析；利用ARM平臺進(jìn)行多傳感器信號處理和對機(jī)器人的控制，是當(dāng)前比較實(shí)用的控制方式。

本隧道機(jī)器人分為移動底盤和云臺兩部分。移動底盤包括車體、行走履帶、前擺臂等結(jié)構(gòu)，負(fù)責(zé)機(jī)器人巡航、避障、靈活移動；云臺包括伸縮臂和2自由度攝像頭等結(jié)構(gòu)，負(fù)責(zé)線路檢查、狀態(tài)監(jiān)控、標(biāo)牌銘牌識別。

圖2為移動底盤，移動底盤是核心部件，具有以下功能：行走、轉(zhuǎn)向、爬臺階、爬坡、過門檻、避障等功能。移動底盤主要由車體、擺臂電機(jī)、行走電機(jī)、行走履帶、前擺臂等組成。行走電機(jī)和擺臂電機(jī)加裝密封式隔水防護(hù)罩，保證涉水深度200-300mm，涉泥深度50-100mm。單邊的行走履帶和擺臂履帶采用同一個行走電機(jī)驅(qū)動，通過鏈條傳遞輸出到前面的履帶主動輪上，擺臂主動輪與履帶主動輪兩輪同心重疊，實(shí)現(xiàn)單邊履帶同步轉(zhuǎn)動。左右兩擺臂采用同一個雙輸出蝸輪蝸桿減速電機(jī)驅(qū)動，擺臂傳動軸穿過中空的擺臂主動輪和履帶主動輪，傳遞到前擺臂，在越障的時候可以實(shí)現(xiàn)擺臂的同時抬升，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械同步和控制簡化。

圖3為云臺結(jié)構(gòu)，云臺結(jié)構(gòu)為三節(jié)臂聯(lián)動折疊式升降云臺，有7個自由度，目前在市場上大多流行的是折疊臂和伸縮臂。下面是折疊臂與伸縮臂的優(yōu)劣對比：

(1)折疊臂動作完成快，效率更高；伸縮臂大多采用鋼絲繩收放機(jī)構(gòu)，其工作效率相對較低。

(2)同樣是三自由度云臺，折疊臂能擴(kuò)大工作范圍，而伸縮臂只能在豎直方向升降。

(3)在操作性方面，聯(lián)動的折疊臂與伸縮臂操作性是相同的，實(shí)現(xiàn)一鍵升降。

本云臺升降采用三節(jié)折疊臂，一個電機(jī)驅(qū)動，兩條同步帶傳動，實(shí)現(xiàn)三節(jié)臂同時折疊收放。這樣可以減少電機(jī)數(shù)量和控制難度。同時加裝攝像頭平衡關(guān)節(jié)，保證2自由度攝像頭的水平狀態(tài)，方便攝像頭的觀看和調(diào)整。

優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、升降靈活，觀察范圍較廣。

將網(wǎng)絡(luò)通信與圖像傳輸完全整合在一個ARM架構(gòu)中，該架構(gòu)基于A9四核處理器，運(yùn)行UBUNTU系統(tǒng)，同時在該嵌入式系統(tǒng)中開辟一個TCP轉(zhuǎn)串口通道，由于大部分模塊接口并不完全相同，部分模塊只支持模擬信號，有些模塊還具有完全不同的協(xié)議指令，要實(shí)現(xiàn)后續(xù)模塊更換但不影響主要軟件結(jié)構(gòu)，控制器必須通過TCP轉(zhuǎn)串口透傳通道實(shí)現(xiàn)控制指令的完全透傳功能，方便各個模塊與控制器之間的數(shù)據(jù)交換協(xié)議的臨時修改。

圖4為電氣框架圖，圖中WIFI網(wǎng)卡、樹莓派和工作攝像頭(包行導(dǎo)航攝像頭)組成網(wǎng)絡(luò)核心部分，借助于樹莓派的UBUNTU系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)車體與控制器靈活地組成一個局域網(wǎng)，因此操作者可以借助手機(jī)、平板電腦等設(shè)備隨時查看機(jī)器人監(jiān)控畫面。攝像頭和網(wǎng)卡均通過USB與樹莓派連接，MCU邏輯控制單元采用UART接口連接樹莓派，操作者通過TCP端口發(fā)下來的指令經(jīng)樹莓派接收后通過UART完全透傳給MCU單元進(jìn)行解釋，從而控制本體運(yùn)動。

電機(jī)控制及保護(hù)；各個電機(jī)驅(qū)動器為通用直流電機(jī)驅(qū)動器，采用PWM調(diào)速，正反控制，在驅(qū)動信號接口方面有PWM和方向控制接口，因此，MCU邏輯控制單元與電機(jī)驅(qū)動器的電路連接。

圖5為電機(jī)驅(qū)動電路，至于電機(jī)保護(hù)，行走電機(jī)監(jiān)控單元主要是監(jiān)控電機(jī)溫度和電流，用于保護(hù)電機(jī)不至于過載或過熱損壞。溫度監(jiān)控采用貼片式pt100，電流監(jiān)控采用CS400B。

溫度傳感器和電流傳感器各需要兩個，應(yīng)為行走機(jī)構(gòu)采用左右獨(dú)立驅(qū)動結(jié)構(gòu)，因此有兩個行走電機(jī)。傳感器與主單片機(jī)直接的電路連接如圖所示。

圖6為行走監(jiān)控單元電路，圖中信號調(diào)理網(wǎng)絡(luò)由低通濾波和比例運(yùn)放組成，不過溫度傳感器由于有專門的信號調(diào)理模塊，一般都是電流輸出模式，因此在這里溫度傳感器部分的調(diào)理電路為電流轉(zhuǎn)電壓信號比例運(yùn)放電路，整個電路中所用到的運(yùn)放采用成熟的OP07低溫度漂移運(yùn)算放大器。

機(jī)器人姿態(tài)控制，機(jī)器人姿態(tài)控制及反饋，采用多傳感器融合技術(shù)。姿態(tài)傳感器單元主要包括傾角傳感器和超聲波。傾角傳感器采用CQ2-200型，超聲波采用KS109型。

傾角傳感器采用串口通訊，而KS109由于需要6個，因此采用IIC通信接口，為了減輕主要控制器CPU的負(fù)擔(dān)，這里單獨(dú)采用一個單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)測量處理，在統(tǒng)一整合傳輸給主控制器；

圖7為姿態(tài)單元電路圖；6個超聲波傳感器安裝在機(jī)器人本體前面，采用業(yè)字型布局。傾角傳感器安裝在本體中心位置。有利于機(jī)器人整體姿態(tài)的把控。

隧道內(nèi)有害氣體檢測，氣體傳感器檢測單元主要是常用有害氣體檢測(如二氧化碳、硫化氫、甲烷等)，所有有害氣體傳感器一般都采用模擬量接口，這里我們需要把傳感器的信號濾波后傳至單片機(jī)AD端口。

圖8為氣體檢測單元電路圖，顯示面板單元采用專業(yè)的工業(yè)屏，也是通過串口與主控制器聯(lián)機(jī)。也可以直接選用HDMI顯示器直接聯(lián)機(jī)到樹莓派上，HDMI顯示器屏幕界面直接在樹莓派系統(tǒng)里面保留，進(jìn)一步降低MCU的壓力。

隧道內(nèi)WIFI環(huán)境搭建，WIFI盡管有1000米的通信距離，但是由于微波的固有性質(zhì)，也決定了它只有在空曠的環(huán)境下才有如此高的距離，在狹小的隧道環(huán)境中一般通信距離僅有不到200米，因此需要大功率路由器，以及大功率天線和多AP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

根據(jù)車體對天線安裝要求，大功率高增益的天線選擇平板定向天線和微波盤狀天線。路由器要求具有較高的功率值，為此我們選擇艾泰的842w路由器。

車體在彎曲的隧道中行走，車體必須采用WIFI模式將車體信息傳輸給控制箱。由于控制箱的位置相對于網(wǎng)絡(luò)來說是固定的，加上其裝有工業(yè)控制計算機(jī)，因此可以采用小功率的WIFI網(wǎng)卡與網(wǎng)絡(luò)連接，因此建立控制箱和運(yùn)動中的車體WIFI網(wǎng)絡(luò)是整個控制環(huán)節(jié)中最重要的，因此我們采用大功率定向天線多AP(或者路由器)方式。具有盲區(qū)小、AP或者路由器少等優(yōu)勢，而且中斷延時時間和天線數(shù)量都在可接受范圍內(nèi)。

圖9為通信結(jié)構(gòu)，由以上可知在機(jī)器人巡航的過程中，機(jī)器人可以通過WIFI接收遠(yuǎn)程控制器的主要動作指令，同時能自己判斷障礙并且規(guī)避障礙，電纜的檢查畫面和信息都能通過WIFI傳至遠(yuǎn)程控制箱，方便操作人員專心檢查電纜線路，而不必過多擔(dān)心機(jī)器人本身的操作問題，大大提高了巡檢效率。

最后說明的是，以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本技術(shù)方案的宗旨和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍當(dāng)中。