CN103978474A - 一种面向极端环境的特种作业机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向极端环境的特种作业机器人，包括带有主控单元的主控仓体，主控仓体上装设有底盘行走单元和折叠伸展式臂架单元，底盘行走单元中设有供电模块，折叠伸展式臂架单元包括支撑臂基座和多级连接支撑臂架，支撑臂基座装设于主控仓体上，第一级连接支撑臂架与支撑臂基座铰接、最末级连接支撑臂架设有安装座，支撑臂基座上铰接有第一直线驱动机构，第一直线驱动机构的第一驱动杆与第一级连接支撑臂架铰接连接，相邻的连接支撑臂架之间铰接有连臂扣件，连臂扣件通过第二直线驱动机构与一个连接支撑臂架铰接，第一直线驱动机构、第二直线驱动机构、供电模块分别与主控单元相连。本发明具有作业范围大、空间占用小、应用范围广的优点。

Description

一种面向极端环境的特种作业机器人

技术领域

本发明涉及工业自动化领域面向极端环境下的特种作业设备，具体涉及一种面向极端环境的特种作业机器人。

背景技术

科学技术不断发展进步，机器人在社会各个行业中的应用日趋广泛，尤其随着装备制造技术、计算机信息技术、网络通信技术、自动化控制技术、电子元件集成度和电路制造工艺等机器人核心技术的不断进步与提高，使得机器人的发展十分迅速。我国生产制造、材料加工、能源生产、基础建设等行业的自动化程度与机器人以及相关技术的应用水平有着密切的关系，因此机器人技术是我国众多行业自动化、智能化、信息化道路上必须攻克的技术之一，同时也必定成为本世纪全球各国发展的重点方向。

机器人按照不同的应用环境可以分成工业机器人和特种机器人，工业机器人是应用于工业领域的多关节多自由度的作业机械臂以及可以代替人完成工业生产作业的各种机器人，而特种机器人主要用于非工业制造领域的其他服务于人类的机器人等。特种机器人涵盖了更加广阔的应用领域，同时也有着更多的作业环境不确定性。因此，如何针对不同作业环境而设计特种机器人机械结构、硬件集成系统、软件控制系统、网络传输系统以及自适应目标控制算法等关键问题成为了机器人作业稳定性适应性的关键难题。

各国发展机器人技术的侧重均有所不同，按照社会化的要求重点发展各种机器人例如制造装配机器人、生产线检测机器人、娱乐机器人、工程作业机器人等。我国正在大力发展基础设施建设，社会处于工业化、机械化和信息化进程中，对于很多危险环境下的建设工作，急需能够代替人工完成极端环境作业的特种作业机器人。同时，极端环境特种作业机器人和机器人极端环境适应性技术作为机器人技术新的分支，也成为科研领域新的发展方向。国家高技术研究发展计划（863计划）先进制造技术领域也将机器人极端环境适应性技术做为前沿技术发展热点编入了“世界高技术发展趋势跟踪研究”报告。自从2011年3月日本福岛核电站核泄漏事故以来，世界各个国家对极端环境特种作业机器人以及相应的机器人环境适应性技术的研究越来越重视，也认识到在很多人类无法到达或者对人类损伤很大的环境下，利用极端环境特种作业机器人进行各种危险特种作业工作是十分有效和迫切的。电力、机械、化工等行业是关系我国国民经济命脉的关键行业，在国家经济建设中的地位举足轻重，然而这些行业的许多故障应急处理工作具有极大的危险性和安全不确定性，人工作业具有盲目性、效率低、范围小、劳动强度大等问题，因此利用极端环境特种作业机器人完成如此繁重危险的工作将显著提示企业效率。

极端环境下工作的机器人会受到各种各样的恶劣环境条件的影响，如核辐射极端环境、极端温度、极端电压、极端压力等外界因素都将对机器人系统的感知、决策与执行产生不可忽略的影响。极端环境机器人是当今前沿前技术研究最活跃的领域之一，国际上把极端环境下的机器人适应技术公认为通往机器人技术产业化之路上必须解决的难题，对其进行深入的研究与开发是推进高精尖的国防军事、航空、航天、航海、资源开发、民用机器人的必须步骤。近年来，世界各国十分重视极端环境下机器人技术的研究，分别研究和开发新型的具有智能、能接受面向任务的命令、自动搜索目标、自动制订规划并完成任务的极端环境下机器人，用以完成极端环境下各种人类不可能完成或较难完成的作业任务。目前极端环境机器人在我国很多领域有着巨大的应用需求，以解决极端环境下工作问题和取代人类繁重工作，如核极端环境下的检查和装配机器人，极端温度下的极地考察机器人，极端电压下的高压带电作业机器人，极端压力下的深海机器人，微重力高真空环境下的太空机器人，未知环境下的反恐、救援和管道机器人，真空环境下的半导体装配机器人等。

然而，目前某些极端工作环境下的作业装备或者作业机器人具有一定的使用局限性。例如用于建设施工的工程作业机械，可以在恶劣环境下长时间作业，但是工程作业机械的灵活度不够，在一些任务复杂的环境下需要多台工程作业机械协同作业，工作效率不高，并且在工程机械驾驶仓内作业的操作员也存在施工危险。另一种适用于恶劣环境作业的清洗机器人，如专利申请号为200610032290.3公开的“大型冷凝设备水下智能清洗机器人”、专利申请号为200810143704.9公开的“凝汽器智能移动清洗机器人”等用于电厂冷凝器水室恶劣环境下的清洗作业机器人，该类型机器人的作业臂自由度难以满足机器人三维三姿态清洗作业任务的要求，而且作业时需要拖拽电缆，在实际应用时存在一定的局限性。某些普通的轮式移动作业机器人虽然作业臂自由度高，末端安装了作业灵巧手，能够完成很多复杂精细的作业任务，但是由于轮式机械结构的不稳定，使得机器人的载重量偏小，因此动力能源容量不高，作业臂也偏小，难以完成大功率长时间高稳定性的极端环境作业。即使某些移动机器人使用了履带式移动机构，使其越障能力提升，但是大部分均是小型的作业机器人，不适应于长时间高任务强度的极端环境特种作业。综上所述，现有技术的上述机械设备或作业机器人都存在上述种种不足，如何实现一种面向极端环境特种作业机器人，来完成诸如电厂冷凝器等恶劣环境的污垢清洗作业、复杂工程建设作业、电力巡检故障探测与修复作业、灾难紧急救援等应用难题，已经成为一项亟待解决的关键技术问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对现有技术存在的上述问题，提供一种极端环境适应性好、使用灵活方便、作业范围大、空间占用小、应用范围广的面向极端环境的特种作业机器人。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种面向极端环境的特种作业机器人，包括带有主控单元的主控仓体，所述主控仓体上装设有底盘行走单元和折叠伸展式臂架单元，所述底盘行走单元中设有供电模块，所述折叠伸展式臂架单元包括支撑臂基座和多级依次铰接连接的连接支撑臂架，所述支撑臂基座装设于主控仓体上，所述多级连接支撑臂架中的第一级连接支撑臂架与支撑臂基座铰接连接、最末级连接支撑臂架的端部设有用于安装特种作业机构的安装座，所述支撑臂基座上铰接有第一直线驱动机构，所述第一直线驱动机构的第一驱动杆与第一级连接支撑臂架铰接连接，相邻的两个连接支撑臂架之间还铰接连接有连臂扣件，所述连臂扣件通过一个第二直线驱动机构与一侧的一个连接支撑臂架铰接连接，所述第一直线驱动机构、第二直线驱动机构、供电模块分别与主控单元相连。

优选地，所述连臂扣件包括两个直连接杆和两个弯折连接杆，所述两个直连接杆一端通过第一连接轴与所述相邻的两个连接支撑臂架中的一个连接支撑臂架相连、另一端通过第二连接轴与所述两个弯折连接杆的一端相连，所述两个弯折连接杆的另一端通过第三连接轴与所述相邻的两个连接支撑臂架中的另一个连接支撑臂架相连，所述第二直线驱动机构装设于所述相邻的两个连接支撑臂架中的另一个连接支撑臂架上，且所述第二直线驱动机构的第二驱动杆的端部与第二连接轴相连。

优选地，所述第一直线驱动机构、第二直线驱动机构均为伺服电动推杆。

优选地，所述底盘行走单元的顶部设有水平布置的底盘回转支承，所述主控仓体通过底盘回转支承装设于底盘行走单元上。

优选地，所述主控仓体的前侧设有竖直布置的臂架回转支承，所述折叠伸展式臂架单元的支撑臂基座通过臂架回转支承装设于主控仓体上。

优选地，所述供电模块包括相互连接的电池供电模块和电源逆变模块，所述底盘行走单元内设有能源仓和电源逆变仓，所述电池供电模块设于能源仓内，所述电源逆变模块设于电源逆变仓内。

优选地，所述主控单元包括传感器单元、无线信号收发模块、控制模块和电机驱动电路，所述控制模块与无线信号收发模块相互连接，所述传感器单元与控制模块的输入端相连，所述控制模块的输出端与电机驱动电路的控制端相连，所述电机驱动电路的电源输入端与电源逆变模块相连，所述电机驱动电路的输出端分别与第一直线驱动机构、第二直线驱动机构相连，所述传感器单元、无线信号收发模块、控制模块和电机驱动电路四者的电源输入端分别与电池供电模块相连；所述主控仓体上装设有无线收发天线，所述无线信号收发模块与无线收发天线相连。

优选地，所述传感器单元包括激光雷达传感器、接近探测传感器、图像采集传感器、视觉传感器和超声波测距传感器，所述激光雷达传感器、接近探测传感器、图像采集传感器、视觉传感器、超声波测距传感器的输出端分别与控制模块相连。

优选地，所述激光雷达传感器、接近探测传感器、图像采集传感器装设于主控仓体上，所述视觉传感器和超声波测距传感器装设于安装座或者安装在安装座上的特种作业机构上。

优选地，所述底盘行走单元上装设有左侧履带和右侧履带，所述底盘行走单元的下侧分别设有用于驱动左侧履带的左驱动机构、用于驱动右侧履带的右驱动机构，所述左驱动机构和右驱动机构均包括驱动电机和与驱动电机的输出轴相连的减速机；所述左侧履带和右侧履带均采用内部带有钢丝网的橡胶材质制成，且所述左侧履带和右侧履带的表面均设有等间距布置的防滑凸起块。

本发明面向极端环境的特种作业机器人具有下述优点：

1、本发明的第一级连接支撑臂架与支撑臂基座通过第一直线驱动机构约束连接，相邻的两个连接支撑臂架之间通过第二直线驱动机构约束连接，相邻的两个连接支撑臂架之间还铰接连接有连臂扣件，连臂扣件通过一个第二直线驱动机构与一侧的一个连接支撑臂架铰接连接，因此通过控制第一直线驱动机构、第二直线驱动机构即可控制折叠伸展式臂架单元的多级折叠伸展与收缩状态，由于折叠伸展式臂架单元采用多级折叠伸展与收缩的方式，能够增加面向极端环境特种作业机器人的作业范围，提高机器人作业任务的灵活性，而且采用折叠伸展式的作业臂能够在保证作业范围足够大的前提下使收缩后的空间占用小，具有极端环境适应性好、使用灵活方便、作业范围大、空间占用小的优点。

2、本发明连接支撑臂架中的第一级连接支撑臂架与支撑臂基座铰接连接、最末级连接支撑臂架的端部设有用于安装特种作业机构的安装部，安装部可以根据极端环境作业的具体需要来安装不同的特种作业机构，例如清洗喷射枪和机器手等，从而可以使机器人完成清洗、抓取、整理和搬运等特种作业，从而能够适用于诸如重污染环境清洗作业、工程建设作业、电力巡检探测作业、灾难紧急救援等危险恶劣极端环境的特种作业，完成人工难以现场操作的各种工作任务，具有应用范围广的优点。

附图说明

图1为本发明实施例在折叠伸展式臂架单元水平折叠时的立体结构示意图。

图2为本发明实施例在折叠伸展式臂架单元水平折叠时的侧视结构示意图。

图3为本发明实施例在折叠伸展式臂架单元部分打开时的立体结构示意图。

图4为本发明实施例在折叠伸展式臂架单元部分打开时的侧视结构示意图。

图5为本发明实施例折叠伸展式臂架单元的立体结构示意图。

图6为图5中局部放大结构示意图。

图7为本发明实施例中供电模块和主控单元的框架结构示意图。

图8为本发明实施例中传感器单元的框架结构示意图。

图9为本发明实施例的前视结构示意图。

图10为基于本发明实施例的机器人自主控制系统的框架结构示意图。

图11为基于本发明实施例的机器人自主控制系统的作业流程示意图。

图例说明：1、主控仓体；11、主控单元；111、传感器单元；1111、激光雷达传感器；1112、接近探测传感器；1113、图像采集传感器；1114、视觉传感器；1115、超声波测距传感器；112、无线信号收发模块；113、控制模块；114、电机驱动电路；12、臂架回转支承；13、无线收发天线；2、底盘行走单元；21、供电模块；211、电池供电模块；212、电源逆变模块；213、能源仓；214、电源逆变仓；22、底盘回转支承；23、左侧履带；231、左驱动机构；232、防滑凸起块；24、右侧履带；241、右驱动机构；3、折叠伸展式臂架单元；31、支撑臂基座；311、第一直线驱动机构；3111、第一驱动杆；32、连接支撑臂架；321、连臂扣件；3211、直连接杆；3212、弯折连接杆；3213、第一连接轴；3214、第二连接轴；3215、第三连接轴；322、第二直线驱动机构；3221、第二驱动杆；33、安装座；4、特种作业机构。

具体实施方式

如图1、图2、图3、图4和图5所示，本实施例面向极端环境的特种作业机器人包括带有主控单元11的主控仓体1，主控仓体1上装设有底盘行走单元2和折叠伸展式臂架单元3，底盘行走单元2中设有供电模块21，折叠伸展式臂架单元3包括支撑臂基座31和多级依次铰接连接的连接支撑臂架32，支撑臂基座31装设于主控仓体1上，多级连接支撑臂架32中的第一级连接支撑臂架32与支撑臂基座31铰接连接、最末级连接支撑臂架32的端部设有用于安装特种作业机构4的安装座33，支撑臂基座31上铰接有第一直线驱动机构311，第一直线驱动机构311的第一驱动杆3111与第一级连接支撑臂架32铰接连接，相邻的两个连接支撑臂架32之间还铰接连接有连臂扣件321，连臂扣件321通过一个第二直线驱动机构322与一侧的一个连接支撑臂架32铰接连接，第一直线驱动机构311、第二直线驱动机构322、供电模块21分别与主控单元11相连。本实施例中，折叠伸展式臂架单元3包括三级依次铰接连接的连接支撑臂架32。本实施例的第一级连接支撑臂架32与支撑臂基座31通过第一直线驱动机构311约束连接，相邻的两个连接支撑臂架32之间通过第二直线驱动机构322约束连接，相邻的两个连接支撑臂架32之间还铰接连接有连臂扣件321，连臂扣件321通过一个第二直线驱动机构322与一侧的一个连接支撑臂架32铰接连接，因此通过控制第一直线驱动机构311、第二直线驱动机构322即可控制折叠伸展式臂架单元3的多级折叠伸展与收缩状态，由于折叠伸展式臂架单元3采用多级折叠伸展与收缩的方式，能够增加面向极端环境特种作业机器人的作业范围，提高机器人作业任务的灵活性，而且采用折叠伸展式的作业臂能够在保证作业范围足够大的前提下使收缩后的空间占用小。本实施例中，第一直线驱动机构311、第二直线驱动机构322均为伺服电动推杆；此外也可以根据需要采用其他直线驱动机构。

本实施例中，主控仓体1带有防尘防水外壳，并采用被动式大面积外壳散热，主控仓体1内部设计有循环风道，使得各个电子部件均得到充分的散热，保障机器人运行的可靠性；此外，主控仓体1内设有配重，通过配重来平衡作业机械臂的质量，使得机械臂在各种伸展作业状态下不会因为质心的大范围变动而使机器人产生倾翻的危险。

如图1、图2、图3和图4所示，本实施例中底盘行走单元2的顶部设有水平布置的底盘回转支承22，主控仓体1通过底盘回转支承22装设于底盘行走单元2上。通过底盘回转支承22，使得主控仓体1能够相对底盘行走单元2在水平方向进行无限制的360度转动，从而能够加大折叠伸展式臂架单元3的作业范围；和现有技术相同，本实施例中的底盘回转支承22也采用采用导电滑环连接两端的电源线和信号控制线，使得底盘回转支承22在无限制的360度旋转时不会使得其中的电源线和信号控制线扭断和破裂。

如图1、图2、图3和图4所示，本实施例中主控仓体1的前侧设有竖直布置的臂架回转支承12，折叠伸展式臂架单元3的支撑臂基座31通过臂架回转支承12装设于主控仓体1上。通过臂架回转支承12，使得折叠伸展式臂架单元3能够相对主控仓体1在竖直方向进行无限制的360度转动，结合通过底盘回转支承22使得主控仓体1能够相对底盘行走单元2在水平方面转动，使得折叠伸展式臂架单元3能够实现空间三维位置与三姿态共六自由度运动，从而能够加大折叠伸展式臂架单元3的作业范围，具备末端灵活作业的能力；和现有技术相同，本实施例中的臂架回转支承12同样也采用采用导电滑环连接两端的电源线和信号控制线，确保臂架回转支承12旋转时不会使其中的电源线和信号控制线扭断和破裂。

如图4、图5和6所示，本实施例的连臂扣件321包括两个直连接杆3211和两个弯折连接杆3212，两个直连接杆3211一端通过第一连接轴3213与相邻的两个连接支撑臂架32中的一个连接支撑臂架32相连、另一端通过第二连接轴3214与两个弯折连接杆3212的一端相连，两个弯折连接杆3212的另一端通过第三连接轴3215与相邻的两个连接支撑臂架32中的另一个连接支撑臂架32相连，第二直线驱动机构322装设于相邻的两个连接支撑臂架32中的另一个连接支撑臂架32上，且第二直线驱动机构322的第二驱动杆3221的端部与第二连接轴3214相连。本实施例通过连臂扣件321来对相邻的两个连接支撑臂架32来进行运动控制，具有牢固可靠、结构简单、维修快捷的优点。

如图2和图7所示，本实施例的供电模块21包括相互连接的电池供电模块211和电源逆变模块212，底盘行走单元2内设有能源仓213和电源逆变仓214，电池供电模块211设于能源仓213内，电源逆变模块212设于电源逆变仓214内。本实施例中，能源仓213是为本实施例提供持续动力的密封性仓体部件，其内部安装的电池供电模块211采用大容量动力电池，确保特种作业机器人具有较长的续航时间，能够适应更加极端的作业环境，采用交流耦合隔离的方式提供电能和进行充电；电源逆变模块212为将电池供电模块211输出的直流电转换为单相220V交流和三相380V交流电的逆变设备。此外，电源逆变仓214还设有有线式充电设备和无线式电磁感应充电设备，有线式充电设备和无线式电磁感应充电设备分别与电池供电模块211相连，从而能为电池供电模块211提供快捷多样的充电功能，有线式充电设备在正常情况下给能源仓213中动力电池进行正常充电，无线式电磁感应充电设备在某些特殊、恶劣或野外工作环境下给能源仓213中动力电池进行短时间快速充电。

如图1、图2、图3和图7所示，本实施例的主控单元11包括传感器单元111、无线信号收发模块112、控制模块113和电机驱动电路114，控制模块113与无线信号收发模块112相互连接，传感器单元111与控制模块113的输入端相连，控制模块113的输出端与电机驱动电路114的控制端相连，电机驱动电路114的电源输入端与电源逆变模块212相连，电机驱动电路114的输出端分别与第一直线驱动机构311、第二直线驱动机构322相连，传感器单元111、无线信号收发模块112、控制模块113和电机驱动电路114四者的电源输入端分别与电池供电模块211相连；主控仓体1上装设有无线收发天线13，无线信号收发模块112与无线收发天线13相连。

如图8所示，本实施例的传感器单元111包括激光雷达传感器1111、接近探测传感器1112、图像采集传感器1113、视觉传感器1114和超声波测距传感器1115，激光雷达传感器1111、接近探测传感器1112、图像采集传感器1113、视觉传感器1114、超声波测距传感器1115的输出端分别与控制模块113相连。本实施例通过激光雷达传感器1111、接近探测传感器1112、图像采集传感器1113、视觉传感器1114和超声波测距传感器1115来采集多种传感器信号，来给机器人提供环境参考信息，从而能够提升本实施例在极端环境下的适应能力。

本实施例中，激光雷达传感器1111、接近探测传感器1112、图像采集传感器1113装设于主控仓体1上，参见图9，本实施例在主控仓体1上装设有一个激光雷达传感器1111和两个图像采集传感器1113，接近探测传感器1112由于安装在主控仓体1的壳体内，不便于在图中表达故未在图中绘出；视觉传感器1114和超声波测距传感器1115可以根据需要选择装设于安装座33或者安装在安装座33上的特种作业机构4上，本实施例中将视觉传感器1114和超声波测距传感器1115安装在特种作业机构4上，因此能够直接以特种作业机构4作为运动的载体来现场获取特种作业机构4到目标物体之间的图像和距离。

如图2和9所示，本实施例的底盘行走单元2上装设有左侧履带23和右侧履带24，底盘行走单元2的下侧分别设有用于驱动左侧履带23的左驱动机构231、用于驱动右侧履带24的右驱动机构241，左驱动机构231和右驱动机构241均包括驱动电机和与驱动电机的输出轴相连的减速机，左侧履带23和右侧履带24均采用内部带有钢丝网的橡胶材质制成，且左侧履带23和右侧履带24的表面均设有等间距布置的防滑凸起块232。本实施例的底盘行走单元2为基于左侧履带23和右侧履带24的履带式底盘，对极端环境下恶劣地形的适应能力更好，使得本实施例能够提供较大吨位的载重量，同时使本实施例的折叠伸展式臂架单元3进行大范围运动操作时，不会因机器人质心的变化而产生倾倒侧翻的危险；左驱动机构231和右驱动机构241可以独立控制从而实现底盘行走单元2的调速和转向，利用左驱动机构231和右驱动机构241的同步运动实现直线行走，利用左驱动机构231和右驱动机构241的差速运动实现曲线行走和转弯，利用左驱动机构231和右驱动机构241不同方向的旋转实现机器人原地掉头和旋转，从而使得机器人底盘移动具有很高的灵活性；左侧履带23和右侧履带24均采用内部带有钢丝网的橡胶材质制成，耐磨性能好，强度高，使用寿命长，左侧履带23和右侧履带24的表面均设有等间距布置的防滑凸起块232，摩擦力大，确保底盘行走单元2在行走时对底面具有较好的抓持能力。

需要说明的是，本实施例面向极端环境的特种作业机器人通过安装座33可以安装不同类型的特种作业机构4，从而完成特种作业机构4所赋予的特种作业技能。本实施例通过折叠伸展式臂架单元3包括多级连接支撑臂架32的伸展与收缩，配合底盘回转支承22和臂架回转支承12的旋转运动，以及特种作业机构4通常自带的旋转运动功能，能够实现空间三维位置与三姿态共六自由度运动，具备末端灵活作业的能力，进一步结合装设于安装座33或者安装在安装座33上的特种作业机构4上的视觉传感器1114和超声波测距传感器1115，视觉传感器1114能够实现采集末端图像用于机器人视觉定位和目标探测，超声波测距传感器1115能够检测周围环境信息用于机械臂避障，从而能够借助特种作业机构4完成清洗、抓取、整理和搬运等特种作业。

本实施例中，控制模块113基于工业控制计算机实现，该工业控制计算机使用基于X86或者兼容X86的工业嵌入式控制计算机。该工业控制计算机在运行时分析收到传感器单元111输出的传感器信息，解析人工作业指令，根据人工作业指令控制机器人行走运动、规划作业机械臂和特种作业机构4的运动。需要说明的是，控制模块113可以采用传统的机器人的控制方法来实现根据人工作业指令控制机器人行走运动、规划作业机械臂和特种作业机构4的运动。

如图10所示，本实施例还公开一种基于本实施例面向极端环境的特种作业机器人的机器人自主控制系统，该机器人自主控制系统以本实施例面向极端环境的特种作业机器人作为控制对象，实现机器人自主运动和自主操作作业。该机器人自主控制系统采用多层结构,具体包括机器人本体机构层、底层信号采集与硬件驱动层、信息分析决策层，该机器人自主控制系统对外则向远程遥操作辅助监控系统输出机器人环境感知信息、接收人工辅助控制指令，同时还接收远程遥操作辅助监控系统提供基于虚拟环境参考模型的经验学习。机器人本体机构层主要包括本实施例面向极端环境的特种作业机器人的主体机械结构部件、机器人运动连接部件以及机器人动力执行部件。机器人本体机构层是机器人自主控制系统的基础层，是机器人执行运动操作的实体。底层信号采集与硬件驱动层包括安装在机器人上的激光雷达传感器1111、接近探测传感器1112、图像采集传感器1113、视觉传感器1114以及超声波测距传感器1115的的信号采集与传输，此外也可以进一步扩展包括编码器、行程和角度等传感器的信号采集与传输。底层信号采集与硬件驱动层是机器人自主控制系统中的数据交互层，实现海量、多种类、多协议、异步传感数据的采集、优先级调度与数据预处理等功能。同时对机器人各个运动执行部件进行基于电流环、速度环、位置环和外部编码器信号的电机伺服驱动控制。信息分析决策层是机器人自主控制系统的高级规划层，实现机器人自主作业和远程遥操作人工辅助控制的接口通讯。信息分析决策层包括多传感信息实时融合、环境感知与分析决策、运动规划分析与防碰撞、作业控制指令解析和分析决策经验库。海量、多种类、多协议、异步传感数据经过多传感信息实时融合后传输给中央处理器进行环境感知建模，中央处理器结合分析决策经验库中的专家经验进行分析决策，再进一步进行运动规划分析与防碰撞处理，最终进行作业控制指令解析并向下传输给硬件驱动层。信息分析决策层将机器人环境感知信息通过无线方式传输给远程遥操作辅助监控系统，并且无线接收人工辅助控制指令帮助机器人进行运动规划分析与防碰撞处理。远程遥操作辅助监控系统是建立在远端的用于人工干预控制面向极端环境特种作业机器人一套辅助系统。远程遥操作辅助监控系统与所述机器人控制系统之间采用无线信号传输方式传输信号，对接收的机器人环境感知信息进行三维环境信息重建与虚拟现实构建，并且用建立好的虚拟环境参考模型对机器人自主控制系统的分析决策经验库进行学习和训练。远程监控与安全管理子系统实现与人工进行交互，实时显示机器人运动状态参数和环境感知信息，接收人工监控指令、规划辅助作业指令细节并以无线的方式发送给机器人自主控制系统。人工辅助监控操作记录将会保存至操作记录数据库。

如图11所示，机器人自主控制系统的作业规划具体步骤为：

步骤1：机器人首先获取来自远程遥操作端任务指令或者机器人自主控制系统定时任务指令。

步骤2：从历史经验数据中获得参数模型，对步骤1的任务指令进行解析。

步骤3：对步骤2解析完的指令列表和特种作业需求按照机器人自主控制系统的三层结构进行优先调度和分层规划，并且保存临时规划数据。

步骤4：机器人采集获取周围环境信息并融合成实时环境数据。

步骤5：步骤3的临时规划数据和步骤4的实时环境数据进行对比分析，生成分析融合数据，机器人以分析融合数据进行二次自主操作规划。

步骤6：机器人执行作业操作。

步骤7：机器人的性能评估器对本次规划的执行效果进行评估，结合步骤6生成实际的自主规划数据存入历史经验数据集中；如果机器人的性能评估器判断本次规划作业成功，不需要人工干预，转至步骤8；如果判断本次规划作业不成功，需要人工干预，转至步骤9。

步骤8：判断总体规划任务是否结束，如果未结束，转至步骤3；如果已经全部结束，转至步骤11。

步骤9：机器人请求远程人工辅助操作，等待远程应答，并开启机器人安全预警检测。

步骤10：远程端应答，机器人授权远程控制机器人进行人工辅助作业，同时使机器人在线学习人工远程辅助操作方式，并将作业数据存入历史经验数据。

步骤11：任务完成，结束作业任务。

需要说明的是，该机器人自主控制系统仅仅是对本实施例面向极端环境的特种作业机器人进行控制的一个应用的实例，本实施例面向极端环境的特种作业机器人并不依赖于该机器人自主控制系统。毫无疑问，本实施例面向极端环境的特种作业机器人也可以根据需要采用其它机器人自主控制系统或方法来控制完成面向极端环境的特种作业。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种面向极端环境的特种作业机器人，其特征在于：包括带有主控单元（11）的主控仓体（1），所述主控仓体（1）上装设有底盘行走单元（2）和折叠伸展式臂架单元（3），所述底盘行走单元（2）中设有供电模块（21），所述折叠伸展式臂架单元（3）包括支撑臂基座（31）和多级依次铰接连接的连接支撑臂架（32），所述支撑臂基座（31）装设于主控仓体（1）上，所述多级连接支撑臂架（32）中的第一级连接支撑臂架（32）与支撑臂基座（31）铰接连接、最末级连接支撑臂架（32）的端部设有用于安装特种作业机构（4）的安装座（33），所述支撑臂基座（31）上铰接有第一直线驱动机构（311），所述第一直线驱动机构（311）的第一驱动杆（3111）与第一级连接支撑臂架（32）铰接连接，相邻的两个连接支撑臂架（32）之间还铰接连接有连臂扣件（321），所述连臂扣件（321）通过一个第二直线驱动机构（322）与一侧的一个连接支撑臂架（32）铰接连接，所述第一直线驱动机构（311）、第二直线驱动机构（322）、供电模块（21）分别与主控单元（11）相连。

2.根据权利要求1所述的面向极端环境的特种作业机器人，其特征在于：所述连臂扣件（321）包括两个直连接杆（3211）和两个弯折连接杆（3212），所述两个直连接杆（3211）一端通过第一连接轴（3213）与所述相邻的两个连接支撑臂架（32）中的一个连接支撑臂架（32）相连、另一端通过第二连接轴（3214）与所述两个弯折连接杆（3212）的一端相连，所述两个弯折连接杆（3212）的另一端通过第三连接轴（3215）与所述相邻的两个连接支撑臂架（32）中的另一个连接支撑臂架（32）相连，所述第二直线驱动机构（322）装设于所述相邻的两个连接支撑臂架（32）中的另一个连接支撑臂架（32）上，且所述第二直线驱动机构（322）的第二驱动杆（3221）的端部与第二连接轴（3214）相连。

3.根据权利要求2所述的面向极端环境特种作业机器人，其特征在于：所述第一直线驱动机构（311）、第二直线驱动机构（322）均为伺服电动推杆。

4.根据权利要求3所述的面向极端环境的特种作业机器人，其特征在于：所述底盘行走单元（2）的顶部设有水平布置的底盘回转支承（22），所述主控仓体（1）通过底盘回转支承（22）装设于底盘行走单元（2）上。

5.根据权利要求4所述的面向极端环境特种作业机器人，其特征在于：所述主控仓体（1）的前侧设有竖直布置的臂架回转支承（12），所述折叠伸展式臂架单元（3）的支撑臂基座（31）通过臂架回转支承（12）装设于主控仓体（1）上。

6.根据权利要求5所述的面向极端环境特种作业机器人，其特征在于：所述供电模块（21）包括相互连接的电池供电模块（211）和电源逆变模块（212），所述底盘行走单元（2）内设有能源仓（213）和电源逆变仓（214），所述电池供电模块（211）设于能源仓（213）内，所述电源逆变模块（212）设于电源逆变仓（214）内。

7.根据权利要求6所述的面向极端环境特种作业机器人，其特征在于：所述主控单元（11）包括传感器单元（111）、无线信号收发模块（112）、控制模块（113）和电机驱动电路（114），所述控制模块（113）与无线信号收发模块（112）相互连接，所述传感器单元（111）与控制模块（113）的输入端相连，所述控制模块（113）的输出端与电机驱动电路（114）的控制端相连，所述电机驱动电路（114）的电源输入端与电源逆变模块（212）相连，所述电机驱动电路（114）的输出端分别与第一直线驱动机构（311）、第二直线驱动机构（322）相连，所述传感器单元（111）、无线信号收发模块（112）、控制模块（113）和电机驱动电路（114）四者的电源输入端分别与电池供电模块（211）相连；所述主控仓体（1）上装设有无线收发天线（13），所述无线信号收发模块（112）与无线收发天线（13）相连。

8.根据权利要求7所述的面向极端环境特种作业机器人，其特征在于：所述传感器单元（111）包括激光雷达传感器（1111）、接近探测传感器（1112）、图像采集传感器（1113）、视觉传感器（1114）和超声波测距传感器（1115），所述激光雷达传感器（1111）、接近探测传感器（1112）、图像采集传感器（1113）、视觉传感器（1114）、超声波测距传感器（1115）的输出端分别与控制模块（113）相连。

9.根据权利要求8所述的面向极端环境特种作业机器人，其特征在于：所述激光雷达传感器（1111）、接近探测传感器（1112）、图像采集传感器（1113）装设于主控仓体（1）上，所述视觉传感器（1114）和超声波测距传感器（1115）装设于安装座（33）或者安装在安装座（33）上的特种作业机构（4）上。

10.根据权利要求9所述的面向极端环境特种作业机器人，其特征在于：所述底盘行走单元（2）上装设有左侧履带（23）和右侧履带（24），所述底盘行走单元（2）的下侧分别设有用于驱动左侧履带（23）的左驱动机构（231）、用于驱动右侧履带（24）的右驱动机构（241），所述左驱动机构（231）和右驱动机构（241）均包括驱动电机和与驱动电机的输出轴相连的减速机；所述左侧履带（23）和右侧履带（24）均采用内部带有钢丝网的橡胶材质制成，且所述左侧履带（23）和右侧履带（24）的表面均设有等间距布置的防滑凸起块（232）。