CN101590644A - 一种无线移动传感器网络的节点装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了移动传感器网络技术领域中的一种具有多步态、可适应复杂地形环境的无线移动传感器网络的节点装置，该无线移动传感器网络的节点装置包括执行设备，所述执行设备包括一个箱体和两个摆动臂，所述两个摆动臂对称地布置在箱体的左、右两侧；每个摆动臂与箱体之间转动连接，形成一旋转关节；每个摆动臂包括第一侧臂和第二侧臂，两个侧臂之间转动连接，形成一摆动关节；在所述箱体上安装第一箱体减速驱动机构，其用于驱动布置在箱体左侧的摆动臂与箱体之间相对转动，和第二箱体减速驱动机构，其用于驱动布置在箱体右侧的摆动臂与箱体之间相对转动；每个摆动臂上安装一摆动臂减速驱动机构，其用于驱动两个侧臂之间相对转动。

Description

一种无线移动传感器网络的节点装置

技术领域

本发明属于无线移动传感器网络技术领域，尤其涉及一种无线移动传感器网络的节点装置。

背景技术

近几年来，移动传感器网络(Mobile Sensor Network，MSN)的发展引起了业界的广泛关注和研究兴趣。它结合了分布式机器人和无线传感器网络技术，既可以看作是一种特殊的无线传感器网络系统，也可以看作是一种特殊的多机器人系统。每个移动节点除了具有传统静态节点的传感、计算和通信能力外，还增加了一定的机动能力，从而可以实现自部署、自修复等独特的网络功能。对于一些非友好环境中的分布式测控应用，移动传感器网络在健壮性、灵活性和可重用性等方面都能够体现出十分明显的优势。这里所指的非友好环境主要指一些人不可达的极限环境、危险紧急场合或脆弱敏感环境，比如建筑物失火现场、有害化学品泄漏现场、敏感动植物栖息地、敌后战场以及未知行星表面等。某些现场环境虽然不具有危险性和敏感性，但由于地形和空间等限制，人和大型设备也难以接近或进入，现场环境状况很难获知，使测控网络的部署与实施很难实现。

现有移动传感器网络系统的移动平台大都基于轮式或是履带式机器人，虽然能工作在实验室演示条件下或是地面较平坦的环境中，但是其适应全地形能力远远不够。因为在实际应用中，网络部署环境往往未知且变幻莫测的，当地面崎岖，障碍物较大或是通道狭窄时，传统的移动平台就无能为力了。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种具有多步态、可适应复杂地形环境的无线移动传感器网络的节点装置。

本发明包括执行设备，所述执行设备包括一个箱体和两个摆动臂，所述两个摆动臂对称地布置在箱体的左、右两侧；每个摆动臂与箱体之间转动连接，形成一旋转关节；每个摆动臂包括第一侧臂和第二侧臂，两个侧臂之间转动连接，形成一摆动关节；在所述箱体上安装第一箱体减速驱动机构，其用于驱动布置在箱体左侧的摆动臂与箱体之间相对转动，和第二箱体减速驱动机构，其用于驱动布置在箱体右侧的摆动臂与箱体之间相对转动；每个摆动臂上安装一摆动臂减速驱动机构，其用于驱动两个侧臂之间相对转动。

本发明中的执行设备结构对称，具有四个自由度和四个运动关节，在各个减速驱动机构的驱动下能够形成丰富的运动步态，四个运动关节的协调动作可以实现对执行设备姿态的调整，从而适应复杂的地形环境，完成相关的动作任务。亦可将多个执行设备进行组合对接，根据实地情况形成更为复杂的运动物理形态。该执行设备整体机构轻巧灵活，四个运动关节控制方便，可以有效实现节点姿态控制、多节点对接以及多节点的形态控制。

作为本发明的改进，每个摆动臂与箱体之间的旋转关节的转角范围是0～360°；每个摆动臂中两个侧臂之间的摆动关节的转角范围是0～180°。

作为本发明的再改进，所述每个摆动臂中的两个侧臂分别是一U形外壳和一U形内壳，U形外壳和U形内壳均包括两块侧板和一块底板，U形外壳套在U形内壳外，U形外壳的每块侧板和与其相邻的U形内壳的侧板面面相对并通过旋转轴相互转动连接；处于箱体左、右两侧的摆动臂U形内壳的底板分别与箱体的左、右侧板面面相对，并分别通过另外的旋转轴相互转动连接。

由U形外壳和U形内壳组成的摆动臂的结构稳定可靠。

作为本发明的进一步改进，每个箱体减速驱动机构包括一电机和一齿轮减速传动机构；所述电机的输出轴通过上述齿轮减速传动机构与相应的另外的旋转轴相互连接；所述另外的旋转轴的一端贯穿箱体的左侧板或右侧板，与对应的摆动臂U形内壳的底板固定连接。

电机通过齿轮减速传动机构将其输出的动力减速传递给另外的旋转轴，由于另外的旋转轴与对应的摆动臂U形内壳的底板固定连接，即可实现摆动臂和箱体之间的相对转动，进而实现摆动臂的旋转动作。

作为本发明的进一步改进，每个箱体减速驱动机构还包括一夹板，电机安装在夹板的正面，夹板的背面连接若干根竖向布置的连接柱，所述夹板通过上述连接柱连接在箱体的左侧板或右侧板上；齿轮减速传动机构布置在夹板和箱体的左侧板或右侧板之间；所述每个齿轮减速传动机构包括一驱动齿轮和一从动齿轮；上述驱动齿轮与从动齿轮之间相互啮合，从动齿轮连接在对应的另外的旋转轴上；电机的输出轴前端贯穿夹板与驱动齿轮相互连接；所述另外的旋转轴的另一端穿置在对应的夹板上。

上述齿轮减速传动机构的结构简单、紧凑，夹板不仅作为电机的安装板，而且亦可作为齿轮减速传动机构的保护板。同时，另外的输出轴的另一端穿置在对应的夹板上，可起到定位另外的输出轴的作用，以防止另外的输出轴转动时发生的偏移。

作为本发明的进一步改进，所述每个另外的旋转轴通过一旋转轴连接法兰固定连接在摆动臂U形内壳的底板上；上述旋转轴连接法兰的中心设置一连轴套；旋转轴连接法兰固定连接在摆动臂U形内壳的底板上，所述旋转轴的一端贯穿摆动臂U形内壳的底板，插入到上述连轴套中，与连轴套之间固定连接。

借助于上述旋转轴连接法兰将另外的旋转轴与摆动臂U形内壳的底板固定连接，其连接稳定、可靠。

作为本发明的进一步改进，所述每个摆动臂减速驱动机构包括一电机和一齿轮减速传动机构；所述齿轮减速传动机构包括一驱动齿轮和一从动齿轮，所述驱动齿轮与从动齿轮相互啮合，从动齿轮固定连接在摆动臂U形内壳的一侧板上；电机的输出轴前端与驱动齿轮相互连接，电机连接在摆动臂U形外壳的底板上。

上述摆动臂减速驱动机构中的齿轮减速传动机构简单、紧凑，电机的输出轴带动驱动齿轮旋转，由于从动齿轮固定连接在摆动臂的U形内壳上，而且两个齿轮相互啮合，故驱动齿轮围绕从动齿轮转动，从而带动电机和摆动臂U形外壳一并转动，进而实现摆动臂的摆动动作。

作为本发明的进一步改进，还包括用于控制执行设备动作的控制电路，所述用于控制执行设备动作的控制电路包括第一控制电路、第二控制电路，所述两个控制电路分别用于控制两个摆动臂减速驱动机构，以分别驱动每个摆动臂的U形外壳和U形内壳之间相对转动；还包括第三控制电路，所述第三控制电路用于控制第一箱体减速驱动机构和第二箱体减速驱动机构，以分别驱动两个摆动臂与箱体之间相对转动；所述第一控制电路和第二控制电路的结构相同，第一控制电路和第二控制电路中分别包括无线通信处理模块、电机驱动芯片和角位移传感器；电机驱动芯片与无线通信处理模块和电机电连接；角位移传感器安装在对应的摆动臂的U形外壳和U形内壳之间，并与无线通信处理模块电连接；第三控制电路包括无线通信处理模块和电机驱动芯片，所述电机驱动芯片电连接在无线通信处理模块上，且电机驱动芯片与第一箱体减速驱动机构中的电机和第二箱体减速驱动机构中的电机电连接。

无线通信处理模块用于发送和接收数据包，并进行数据处理，指令电机驱动芯片驱动摆动臂减速驱动机构中的电机正转、反转或者停止；角位移传感器用于检测摆动臂的U形外壳和U形内壳之间的相对转动角度，并将检测信号输入无线通信处理模块。无线通信处理模块可采用工作在2.4GHz频段的无线传感器网络，采用网状网多跳通讯协议，功耗低，通信稳定，当节点与基站距离较远或者因为环境恶劣不能直接通信时，节点信息可以经过通讯质量较好的相邻节点多跳路由至基站，从而实现与基站的多跳通信。这样大大提高了网络的覆盖区域，且在一些无线通讯信号较弱的环境中，如矿井、隧道等环境中，也能保通讯数据的可靠传输。本节点装置采用无线传感器网络通讯，省去了各关节之间通讯的通信线路，简化了线路的连接和布局，增强了各个功能单元协调动作的灵活性。无线通信处理模块集成了无线通信，数据处理和数据存储功能，可以有效的满足本发明所提出的多步态移动节点设备的控制、数据处理以及无线传感器网络组网通讯的要求。

作为本发明的进一步改进，所述每个控制电路中还包括一电流检测芯片，所述电流检测芯片电连接在对应的无线通信处理模块上。

电流检测芯片用于检测电机的输入电流，并将检测结果输入相应的无线通信处理模块，当检测结果异常时，无线通信处理模块给对应的电机断电，防止电机或其他器件损坏。

作为本发明的进一步改进，所述每个控制电路中还包括一环境监测传感器，所述环境监测传感器电连接在对应的无线通信处理模块上。

所述环境监测传感器用于监测移动传感器网络节点装置的周围环境，并将监测结果输入到无线通信处理模块处理。

说明书附图

图1是无线移动传感器网络节点装置中执行设备的立体图；

图2是无线移动传感器网络节点装置中执行设备的结构示意图；

图3是无线移动传感器网络节点装置中控制电路的原理图。

具体实施方式

如图1和图2所示，本实施方式中的无线移动传感器网络节点装置的执行设备包括箱体1、第一摆动臂2和第二摆动臂2′。上述两个摆动臂对称地布置在箱体1的左、右两侧。所述第一摆动臂2的结构与第二摆动臂2′的结构相同，不同之处在于第一摆动臂2连接在箱体1的左侧板上，第二摆动臂2′则连接在箱体1的右侧板上。以第一摆动臂2为例，其包括一U形外壳2-1和一U形内壳2-2，所述U形外壳2-1和U形内壳2-2均包括两块侧板和一块底板。U形外壳2-1套在U形内壳2-2外，U形外壳2-1的两块侧板分别与U形内壳2-2的两块侧板的其中一块相邻且面面相对。上述U形外壳2-1的每块侧板和与其相邻的U形内壳2-2的侧板通过旋转轴相互连接，形成转角范围是0～180°的转动关节。U形内壳2-2的底板与箱体1的左侧板面面相对，两块板之间通过一转动轴3相互连接，形成转角范围是0～360°的转动关节。

在所述箱体1内安装用于驱动第一摆动臂2与箱体1之间相对转动的第一箱体减速驱动机构4和用于驱动第二摆动臂2′与箱体1之间相对转动的第二箱体减速驱动机构4′。

在上述第一摆动臂2上安装用于驱动其U形外壳和U形内壳相对转动的第一摆动臂减速驱动机构5；相同地，在上述第二摆动臂2′上安装用于驱动其U形外壳和U形内壳相对转动的第二摆动臂减速驱动机构5′。

第一箱体减速驱动机构4的结构与第二箱体减速驱动机构4′的结构相同，不同之处在于第一箱体减速驱动机构4连接在箱体1的左侧，第二箱体减速驱动机构4′则连接在箱体1的右侧。以第一箱体减速驱动机构4为例，其包括电机4-1、齿轮减速传动机构4-2和夹板4-3。所述电机4-1安装在夹板4-3的正面，夹板4-3的背面连接若干根竖向布置的连接柱6，所述夹板4-3通过上述连接柱6连接在箱体1的左侧板上。齿轮减速传动机构4-2布置在夹板4-3和箱体1的左侧板之间。齿轮减速传动机构4-2包括驱动齿轮4-2-1和从动齿轮4-2-2。上述驱动齿轮4-2-1与从动齿轮4-2-2之间相互啮合，从动齿轮4-2-2固定连接在转动轴3上。所述转动轴3的一端贯穿箱体1的左侧板，固定连接在U形内壳2-2的底板上；另一端穿置在夹板4-3上。电机4-1的输出轴前端贯穿夹板4-3，与驱动齿轮4-2-1之间固定连接。

优选地，转动轴3通过一连接法兰7固定连接在U形内壳2-2的底板上。在上述连接法兰7的中心设置一连轴套。连接法兰7通过螺钉固定连接在U形内壳2-2的底板上。转动轴3的一端贯穿U形内壳2-2的底板，插入到上述连轴套中，与连轴套之间通过螺钉固定连接。

第一摆动臂减速驱动机构5与第二摆动臂减速驱动机构5′的结构相同，不同之处在于第一摆动臂减速驱动机构5连接在第一摆动臂2上，第二摆动臂减速驱动机构5′连接在第二摆动臂2′上。以第一摆动臂减速驱动机构5为例，其包括电机5-1和齿轮减速传动机构5-2。电机5-1连接在U形外壳2-1的底板上。齿轮减速传动机构5-2包括驱动齿轮5-2-1和从动齿轮5-2-2。电机5-1的输出轴前端与驱动齿轮5-2-1的相互连接。驱动齿轮5-2-1与从动齿轮5-2-2相互啮合，从动齿轮5-2-2固定连接在U形内壳2-2的一侧板上。所述从动齿轮5-2-2的中心轴，和用于连接U形外壳2-1的侧板和U形内壳2-2的侧板之间的旋转轴同轴心。

图3显示了本实施方式中的控制电路，该控制电路用于控制执行设备动作。控制电路包括第一控制电路8，其用于控制第一摆动臂减速驱动机构5，以驱动第一摆动臂2的U形外壳和U形内壳相对转动；第二控制电路9，其用于控制第二摆动臂减速驱动机构5′，以驱动第二摆动臂2′的U形外壳和U形内壳相对转动；第三控制电路10，其用于控制第一箱体减速驱动机构4和第二箱体减速驱动机构4′，以驱动第一摆动臂2与箱体1之间相对转动，以及驱动第二摆动臂2′与箱体1之间相对转动。

上述第一控制电路8和第二控制电路9的结构相同。以第一控制电路8为例，其包括无线通信处理模块8-1、电机驱动芯片8-2和角位移传感器8-3。电机驱动芯片8-2与无线通信处理模块8-1和第一摆动臂减速驱动机构5中的电机电连接；角位移传感器8-3安装在对应的摆动臂的U形外壳和U形内壳之间，并与无线通信处理模块8-1电连接；所述无线通信处理模块8-1用于发送和接收数据包，并进行数据处理，指令电机驱动芯片8-2驱动第一摆动臂减速驱动机构5中的电机正转、反转或者停止；所述角位移传感器8-3用于检测第一摆动臂2的U形外壳和U形内壳之间的相对转动角度，并将检测信号输入无线通信处理模块8-1。

上述无线通信处理模块8-1包括无线通信单元8-1-1，用于发送和接收数据包；控制处理单元8-1-2，用于数据处理以及控制协调各个功能单元的工作；存储单元8-1-3，用于存储数据。

另外，第一控制电路8还包括电流检测芯片8-4，所述电流检测芯片8-4电连接在无线通信处理模块8-1上。电流检测芯片8-4用于检测第一摆动臂减速驱动机构5中的电机的输入电流，并将检测结果输入无线通信处理模块8-1，当检测结果异常时，无线通信处理模块8-1给电机断电。例如，电流检测芯片8-4检测到电机的输入电流过大时，则电机断电。进一步而言，第一控制电路8还包括环境监测传感器8-5，所述环境监测传感器8-5电连接在无线通信处理模块8-1上，以用于监测移动传感器网络节点装置周围环境，并将监测结果输入到无线通信处理模块8-1处理。优选地，本实施方式中的环境监测传感器8-5包括温湿度传感器8-5-1和光照传感器8-5-2。

第三控制电路10的结构与第一控制电路8和第二控制电路9的结构大致相同。第三控制电路10包括无线通信处理模块10-1和电机驱动芯片10-2，所述电机驱动芯片10-2电连接在无线通信处理模块10-1上，电机驱动芯片10-2同时与第一箱体减速驱动机构中的电机和第二箱体减速驱动机构中的电机电连接。上述电机驱动芯片10-2在无线通信处理模块10-1的指令下驱动第一箱体减速驱动机构4中的电机和第二箱体减速驱动机构4′中的电机正转、反转或者停止。

另外，所述第三控制电路10包括电流检测芯片10-3和环境监测传感器10-4，环境监测传感器10-4则包括温湿度传感器10-4-1和光照传感器10-4-2。电流检测芯片10-3和环境监测传感器10-4分别电连接在无线通信处理模块10-1上。无线通信处理模块10-1也包括无线通信单元、控制处理单元和存储单元。

上述每个控制电路中的无线通信处理模块优选是型号为JN5139R1的JENNIC无线通讯处理模块；电流检测芯片优选采用型号是MAX471的电流检测芯片；电机驱动芯片优选采用型号是L293D的电机驱动芯片；温湿度传感器的型号优选是SHT11光照传感器优选采用型号是MJ5616的光敏电阻。

Claims (10)

1、一种无线移动传感器网络的节点装置，包括执行设备，其特征在于：所述执行设备包括一个箱体和两个摆动臂，所述两个摆动臂对称地布置在箱体的左、右两侧；每个摆动臂与箱体之间转动连接，形成一旋转关节；每个摆动臂包括第一侧臂和第二侧臂，两个侧臂之间转动连接，形成一摆动关节；在所述箱体上安装第一箱体减速驱动机构，其用于驱动布置在箱体左侧的摆动臂与箱体之间相对转动，和第二箱体减速驱动机构，其用于驱动布置在箱体右侧的摆动臂与箱体之间相对转动；每个摆动臂上安装一摆动臂减速驱动机构，其用于驱动两个侧臂之间相对转动。

2、根据权利要求1所述的无线移动传感器网络的节点装置，其特征在于：每个摆动臂与箱体之间的转动关节的转角范围是0～360°；每个摆动臂中两个侧臂之间的转动关节的转角范围是0～180°。

3、根据权利要求2所述的无线移动传感器网络的节点装置，其特征在于：所述每个摆动臂中的两个侧臂分别是一U形外壳和一U形内壳，U形外壳和U形内壳均包括两块侧板和一块底板，U形外壳套在U形内壳外，U形外壳的每块侧板和与其相邻的U形内壳的侧板面面相对并通过旋转轴相互转动连接；处于箱体左、右两侧的摆动臂U形内壳的底板分别与箱体的左、右侧板面面相对，并分别通过另外的旋转轴相互转动连接。

4、根据权利要求3所述的无线移动传感器网络的节点装置，其特征在于：每个箱体减速驱动机构包括一电机和一齿轮减速传动机构；所述电机的输出轴通过上述齿轮减速传动机构与相应的另外的旋转轴相互连接；所述另外的旋转轴的一端贯穿箱体的左侧板或右侧板，与对应的摆动臂U形内壳的底板固定连接。

5、根据权利要求4所述的无线移动传感器网络的节点装置，其特征在于：每个箱体减速驱动机构还包括一夹板，电机安装在夹板的正面，夹板的背面连接若干根竖向布置的连接柱，所述夹板通过上述连接柱连接在箱体的左侧板或右侧板上；齿轮减速传动机构布置在夹板和箱体的左侧板或右侧板之间；所述每个齿轮减速传动机构包括一驱动齿轮和一从动齿轮；上述驱动齿轮与从动齿轮之间相互啮合，从动齿轮连接在对应的另外的旋转轴上；电机的输出轴前端贯穿夹板与驱动齿轮相互连接；所述另外的旋转轴的另一端穿置在对应的夹板上。

6、根据权利要求4或5所述的无线移动传感器网络的节点装置，其特征在于：所述每个另外的旋转轴通过一旋转轴连接法兰固定连接在摆动臂U形内壳的底板上；上述旋转轴连接法兰的中心设置一连轴套；旋转轴连接法兰固定连接在摆动臂U形内壳的底板上，所述旋转轴的一端贯穿摆动臂U形内壳的底板，插入到上述连轴套中，与连轴套之间固定连接。

7、根据权利要求4所述的无线移动传感器网络的节点装置，其特征在于：所述每个摆动臂减速驱动机构包括一电机和一齿轮减速传动机构；所述齿轮减速传动机构包括一驱动齿轮和一从动齿轮，所述驱动齿轮与从动齿轮相互啮合，从动齿轮固定连接在摆动臂U形内壳的一侧板上；电机的输出轴前端与驱动齿轮相互连接，电机连接在摆动臂U形外壳的底板上。

8、根据权利要求7所述的无线移动传感器网络的节点装置，其特征在于：还包括用于控制执行设备动作的控制电路，所述用于控制执行设备动作的控制电路包括第一控制电路、第二控制电路，所述两个控制电路分别用于控制两个摆动臂减速驱动机构，以分别驱动每个摆动臂的U形外壳和U形内壳之间相对转动；还包括第三控制电路，所述第三控制电路用于控制第一箱体减速驱动机构和第二箱体减速驱动机构，以分别驱动两个摆动臂与箱体之间相对转动；所述第一控制电路和第二控制电路的结构相同，第一控制电路和第二控制电路中分别包括无线通信处理模块、电机驱动芯片和角位移传感器；电机驱动芯片与无线通信处理模块和电机电连接；角位移传感器安装在对应的摆动臂的U形外壳和U形内壳之间，并与无线通信处理模块电连接；第三控制电路包括无线通信处理模块和电机驱动芯片，所述电机驱动芯片电连接在无线通信处理模块上，且电机驱动芯片与第一箱体减速驱动机构中的电机和第二箱体减速驱动机构中的电机电连接。

9、根据权利要求8所述的无线移动传感器网络的节点装置，其特征在于：所述每个控制电路中还包括一电流检测芯片，所述电流检测芯片电连接在对应的无线通信处理模块上。

10、根据权利要求8所述的无线移动传感器网络的节点装置，其特征在于：所述每个控制电路中还包括一环境监测传感器，所述环境监测传感器电连接在对应的无线通信处理模块上。

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