CN106737556A - 一种基于移动机器人的危化溶液提取系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于移动机器人的危化溶液提取系统，包括总控制台系统、通讯网络、移动机器人；所述移动机器人包括移动小车系统、多关节机械臂系统、夹具系统、视觉超声波检测系统及危化溶液存储系统。本系统装置能够实现危化溶液的精确提取、多余危化溶液自动处理，减少了中间环节，降低了时间成本、人力成本和管理成本。

Description

一种基于移动机器人的危化溶液提取系统

技术领域

本发明涉及危化溶液提取及检测领域，具体说是一种基于移动机器人的危化溶液提取系统。

背景技术

生产制造、医疗卫生、核试验与核电、冶金化工等行业诸多场所会产生大量组分复杂、浓度不均、腐蚀性大、放射性高的危化溶液，对人、动物以及环境极易造成严重伤害。此类危化溶液一般采用隔离的办法存储在封闭空间中，经过收集存储、取样检测、净化处理以及排放等步骤，用稀释或固化等方法处理后，转换成小体积的浓缩物并加以贮藏，待腐蚀性和放射性小于最大允许排放指标后，将其排于环境中进行掩埋或扩散。危化溶液的取样检测是处理过程中非常重要的环节，此阶段将对危化溶液的成分及含量进行检测，只有充分检测后才能找到有效的危化溶液处理方法，只有经过严格处理后才能将其危害降低到最低。

危化溶液取样检测时需采用先进的方法和手段少量提取溶液，进行成分和含量分析。从已公开的记录和资料来看，大部分危化溶液提取采用的是基于真空吸取的方式构建的固定危化溶液提取装置，该装置主要由真空泵、吸取管、控制开关以及摄像头等组成，与危化溶液处理设备一起固定在某个地方，在人工的参与下完成危化溶液的提取，该类装置出于稳定性考虑几乎没有采用精确提取控制的措施，所以难以实现危化溶液的定量和随机抽检。缺少灵活的提取手段和无法精确定量提取等问题成为制约危化溶液处理效率提升的瓶颈，由于采用的是固定式溶液提取装置，不能自由移动操作，当装置发生故障或危化溶液组分变化的情况下，固定式溶液提取装置无法胜任抽检工作，严重时造成危化溶液处理暂停，生产线停机，带来巨大的经济损失。

另外，许多场合没有固定式危化溶液提取设备，当提取的危化溶液种类比较多、距离比较远、工作环境比较恶劣时，需要人进入不同的环境甚至是高危环境中手工操作，出现（1）人较长时间处在恶劣环境中作业，易受到伤害；（2）危化溶液取量不准，作业效率较低；（3）多余危化溶液不易处理等问题。这些问题已严重影响危化溶液检测环节的处理效率和人的安全性。

发明内容

为克服现有技术存在的以上问题，本发明提供了一种基于移动机器人的危化溶液提取系统，整体采用控制机构和执行机构分离的思想，利用移动机器人实现高危环境下重复进行危化溶液定量提取的自动化、定量化和标准化操作，从而完全隔离人与高危环境的接触，达到危化溶液充分检测的要求。

本发明由以下技术方案实现：

一种基于移动机器人的危化溶液提取系统，包括总控制台系统、通讯网络、移动机器人；所述移动机器人包括移动小车系统、多关节机械臂系统、夹具系统、视觉超声波检测系统及危化溶液存储系统，且多关节机械臂系统、夹具系统、视觉超声波检测系统、危化溶液存储系统均布置于移动小车系统上；所述总控制台系统基于通讯网络与移动小车系统通信连接，并通过移动小车系统获取移动机器人上各系统状态参数，同时发送取液信息和运动指令给移动小车系统；所述移动小车系统接收并转发总控制台系统发出的取液信息和运动指令，实现移动机器人在危化溶液采集和放置线路上的移动；所述移动小车系统分别与多关节机械臂系统和危化溶液存储系统相连，所述多关节机械臂系统与夹具系统相连，所述视频超声波检测系统通过通讯网络实现与总控制台系统通信连接。

进一步的，所述总控制台系统包括显示器、安装有监控软件的主控计算机、实时通讯服务器、安装有后台数据库的数据服务器、视频服务器以及网络通讯模块；主控计算机通过网络通讯模块与实时通讯服务器、数据服务器及视频服务器实时通讯；视频服务器用于存储视频信息。

进一步的，所述移动小车系统包括机械本体、控制模块、驱动模块、导航模块及通讯模块；所述机械本体用于提供移动机器人运动的物理结构；所述控制模块通过通讯模块和总控制台系统相连，所述控制模块通过驱动模块与机械本体相连；所述导航模块与控制模块相连。

进一步的，所述多关节机械臂系统包括机械本体、伺服驱动模块及控制模块；所述机械本体包括执行单元、机械臂本体及传感部件；所述控制模块包括多关节机械臂PLC控制器和运动控制模块；所述运动控制模块通过伺服驱动模块与执行单元相连；所述多关节机械臂PLC控制器一端与移动小车相连，另一端与传感部件相连。

进一步的，所述夹具系统包括夹具本体、转动装置、定量取液装置以及气动三爪卡盘装置；所述夹具本体分为对称两半，对称面与水平面成45°夹角；所述转动装置位于夹具本体内，用于实现夹具本体对称两半之间的相对转动；所述夹具本体水平方向与气动三爪卡盘装置连接，垂直方向与定量取液装置连接。

进一步的，所述视觉超声波检测系统包括数据采集处理单元、视觉模块及超声波模块；所述视觉模块与超声波模块分别通过数据采集处理单元与总控制台系统通信连接。

进一步的，所述危化溶液存储系统包括存储本体、取液量杯及重量传感器；所述取液量杯位于存储本体中；所述重量传感器置于取液量杯底部。

进一步的，还包括电源系统，所述电源系统包括蓄电池组、无线充电模块以及电源管理模块。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

本发明采用控制与执行部件隔离的模式和防辐射耐腐蚀特殊处理，使之能够在不同环境甚至是高危环境下稳定工作，提高环境适应能力；实现危化溶液的精确提取、多余危化溶液自动处理，减少了中间环节，降低了时间成本、人力成本和管理成本；本发明代替人工进行危化溶液提取操作，其危化溶液提取周期缩短1/3，使危化溶液检测效率得到显著提高；本发明引入了先进的自动化技术和信息技术，提升了装置的智能化水平，利于危化溶液提取操作过程的自动化和标准化，也提高了危化溶液处理单位的信息化水平，使之对危化溶液的处理能力得到较大提升；本发明是面向多品种危化溶液的自动化提取过程的，为今后特殊行业的危化溶液提取与检测管理提供了典范。

本发明综合移动小车系统的移动灵活性和机械臂的操作灵活性，结合两者优势设计可在不同环境中灵活移动、快速操作的危化溶液提取系统，通过无线通讯技术进行实时指令派发和数据交换，达到危化溶液高效提取和灵活处理的目的；

危化溶液提取系统采用外室控制与内室执行部件隔离的模式，其执行部件表面经特殊防辐射耐腐蚀处理，能够在高危环境等特殊环境下稳定工作，减少人接触辐射的剂量，降低人的劳动强度和安全风险；

设计基于四个麦克拉姆独立驱动的危化溶液提取系统中的移动小车，实现移动小车在不同环境中全方位快速移动，无障碍高效完成危化溶液提取和处理的整个过程。其内部采用三层全封闭结构设计，合理布置系统各个关键部件，最大程度利用内部空间，减轻整车质量，提高移动效率；

采用3个回转轴和一个线性轴的结构设计危化溶液提取系统中的四关节机械臂，相比传统多关节机械臂，其机械结构更简单、制造成本低、控制容易实现、性能稳定，同时兼顾大的工作范围、较高的定位精度以及快速移动操作；

采用90度夹角结构设计危化溶液提取系统中的机械臂末端夹具，夹具集成自动抓取和定量取液功能，功能集成度高，能与机械臂无缝连接，可根据操作指令随时快速转换功能部件，减少危化溶液提取过程中夹具换装时间，提高整个过程的效率；

利用真空发生器组件产生的正压和负压来设计危化溶液提取系统中的定量提取装置，装置通过主要由固态电容组件组成的液面位置检测传感器精确检测危化溶液提取量，在PLC控制器的实时控制下快速完成危化溶液定量提取。该装置结构简单，制造和维护成本低，可重复进行危化溶液提取操作。

附图说明

图1为本发明的系统工作原理图。

图2为本发明的系统组成框图。

图3为本发明的移动机器人结构图。

图4为本发明的移动机器人系统控制结构图。

图5为本发明的控制指令及传递过程网状图。

图6为本发明的无线通讯系统网络拓扑图。

图7为本发明的总控制台系统软硬件框架图。

图8为本发明的总控制台软硬件网络架构。

图9为本发明的本发明的总控制台外形结构图。

图10为本发明的移动小车系统模块框图。

图11为本发明的移动小车本体内部结构图。

图12为本发明的多关节机械臂系统模块框图。

图13为本发明的夹具系统结构图。

图14为本发明的视觉超声波检测组成及原理图。

图15为本发明的危化溶液存储系统结构图。

图16为本发明的电源系统模块构成图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

根据危化溶液高放射性、高腐蚀性的特点和自动定量提取的流程，考虑操作安全性以及功能的可靠实现，设计一种基于移动机器人的危化溶液自动定量提取系统，工作原理如图1所示。整体采用控制机构和执行机构分离的思想，移动机器人系统作为执行机构放置在高危环境内部，总控制台作为控制机构放在高危环境外部，不但适合一般溶液随机定量提取要求，还适于放射性高、化学成分不确定、品种类型多、安全要求高的危化溶液随机定量提取要求的场景，具有良好的灵活性。

如图2所示：该系统包括总控制台系统、无线通讯数据传输系统、移动小车系统、多关节机械臂系统、多功能夹具系统、视觉超声波检测系统、危化溶液存储系统及电源系统等。其中，移动小车系统、多关节机械臂系统、多功能夹具系统、危化溶液存储系统以及视觉超声波检测系统构成移动机器人系统。

如图3所示：所述移动机器人包括移动小车系统、多关节机械臂系统、夹具系统、视觉超声波检测系统及危化溶液存储系统，且多关节机械臂系统、夹具系统、视觉超声波检测系统、危化溶液存储系统均布置于移动小车系统上；所述总控制台系统基于通讯网络与移动小车系统通信连接，并通过移动小车系统获取移动机器人上各系统状态参数，同时发送取液信息和运动指令给移动小车系统；所述移动小车系统接收并转发总控制台系统发出的取液信息和运动指令，实现移动机器人在危化溶液采集和放置线路上的移动；所述移动小车系统分别与多关节机械臂系统和危化溶液存储系统相连，所述多关节机械臂系统与夹具系统相连，所述视频超声波检测系统通过通讯网络实现与总控制台系统通信连接。

图4为移动机器人的系统结构控制图，总控制台系统作为指令发送和实时数据处理中心，通过通讯模块实时与移动小车系统、多关节机械臂系统等主系统，视觉超声波检测系统、多功能夹具系统以及危化溶液存储系统等辅助系统联系起来，构成高危环境下移动机器人控制系统。

具体的，总控制台系统通过有线与无线的混合局域网与无线通讯模块连接，无线通讯模块通过以太网接口与移动小车系统的PLC控制器相连。移动小车系统与多关节机械臂系统采用主从控制模式，即移动小车系统的PLC控制器作为主站，多关节机械臂系统的PLC控制器作为从站，两者通过Prifibus DP模块接口连接，用于执行移动和操作行为，且多关节机械臂基座安装在移动小车顶部前端。危化溶液存储系统安装在移动小车顶部后端，其量杯重量传感器和气动密封盖电磁阀通过O/I模块与移动小车PLC控制器集成在一起，用于危化溶液安全存储和搬运。多功能夹具系统安装在机械臂末端，其检测传感器、气动系统电磁阀等通过O/I模块与机械臂控制器集成在一起，用于危化溶液定量提取和夹取。安装在移动小车内部的电源系统为主系统和辅助系统提供移动、操作、检测所需的能量，由无线充电装置、锂离子电池组以及电源管理模块等三部分组成，其中电源管理模块为由MCU微控单元、PMIC电源管理集成电路以及各种传感器组成的电源控制装置。

图5为本发明的控制指令及传递过程网状图，系统控制指令及传递过程描述为，工作时总控制台通过指令输入与发送模块经无线传输装置发送危化溶液提取参数信号、动作指令信号给移动小车系统、视觉超声波检测系统以及电源系统，三大系统及其辅助系统自检无误后开始工作。移动小车按照指令移动，完成规定任务后发送动作指令给多关节机械臂，使机械臂进行相应的危化溶液提取与抓取操作，机械臂动作的同时危化溶液存储系统按照移动小车的控制指令配合机械臂工作。另外，视觉超声波检测系统将现场采集到的视频信息和超声波数据采集信息返回给主控台。电源系统给各个子系统供电，并把电池状态反馈给总控台。

图6为无线通讯系统网络拓扑图，在高危环境内外，构建基于IEEE 802.11b/g/a/h通讯协议的WIFI无线网络，通过WIFI无线网络为数据载体，连接总控制台、移动小车系统、多关节机械臂系统、视觉超声波检测系统等，构成高危环境下的控制数据、视频数据、状态数据等传输的有效通道。

通讯系统主要由无线AP、无线数据收发装置、局域网等组成，其中局域网是基于IEEE802.3通讯协议构建的以太网，总控制台通过有线的方式直接连接局域网；无线AP和无线数据收发装置为可寻址的装置，无线AP通过有线方式直接连接局域网，无线通讯装置一端与移动小车系统、视觉超声波检测系统、电源系统等通过以太网接口连接，另一端通过WIFI网络与AP无线连接，从而实现控制数据、视频数据、状态数据的高速传输。

图7为本发明的总控制台系统软硬件框架图，总控制台由显示器、主控计算机、实时通讯服务器、数据服务器、视频服务器、网络通讯模块等硬件和监控应用系统、后台数据库、服务软件等软件构成。通过有线与无线混合局域网的方式与移动小车系统、多关节机械臂系统、危化溶液存储系统、视觉超声波检测系统等实时通讯，获取其状态参数，同时发送取液信息和运动指令给各个模块，实现移动机器人的远程遥控。

监控应用系统基于Windows平台开发，安装在主控计算机上，具有基础数据维护模块、取液信息输入和指令发送模块、移动机器人工作状态监控模块、视觉超声波监控模块、安全防护报警模块以及实时数据通讯模块等六大模块。

图8为总控制台系统的软硬件网络架构，主控计算机、数据服务器、视频服务器等以总线的形式连接在以太网上，通过网络通讯模块，主控计算机与各个服务器实时通讯，便于监控软件进行数据查询和处理。实时通讯服务器上面安装有通讯服务软件，及时抓取主控计算机下达的指令给各个子系统，同时抓取各个子系统反馈的状态数据和传感数据，并存储在数据服务器和视频服务器上。数据服务器上安装关系型数据库，为监控软件提供数据存储支撑，实时存储各项操作数据、反馈数据、基础维护数据、安全运行状态数据、发送指令历史数据等。视频服务器实时存储视觉超声波系统采集到的视频信息和超声波高度检测信息。

图9为本发明的总控制台的一种外形结构图，采用人机工程学思想设计外观，由两个显示器、一个操作台以及总控台壳体组成，其中两个显示器一个用于可视化监控，一个用于控制指令发送和接收；总控台壳体由不锈钢材料制成，表面敷设1毫米厚铅皮，起防辐射、耐腐蚀作用。

图10为本发明的移动小车系统模块框图，移动小车系统作为整个系统的移动装置，包括机械本体、控制模块、驱动模块、导航模块、通讯模块等五个主要部分。所述移动小车系统包括机械本体、控制模块、驱动模块、导航模块及通讯模块；所述机械本体用于提供移动机器人运动的物理结构；所述控制模块通过通讯模块和总控制台系统相连，所述控制模块通过驱动模块与机械本体相连；所述导航模块与控制模块相连。

图11为本发明的移动小车系统本体内部结构图，移动小车机械本体，由小车本体、转向机构以及传感部件组成，其中小车本体呈长方体形状，车体框架采用铝合金型材，进行全封闭防辐射防腐蚀处理，车体外部敷设1~2mm厚的铅皮作为屏蔽材料；小车顶部为主要承载部分，靠前位置有沿圆周均布四个螺纹孔的多关节机械臂安装孔，通过螺栓连接使移动小车与多关节机械臂的基座固定板连在一起；车体顶部靠后位置有危化溶液存储装置安装座，通过螺栓与危化溶液存储装置上的安装座刚性连接；车体左右两边底部分布有两对对称的四个麦克拉姆轮，构成小车的移动部分；车体正右侧布置有信号收发天线，信号收发天线与小车内部的无线通讯装置连接，构成小车的无线通讯模块。

小车内部根据合理利用空间的原则，为三层安装结构，逻辑连接关系参见“移动机器人系统控制结构图”，第一层为上层，主要为多关节机械臂的控制部件、无线通讯装置和视觉超声波处理装置，具体多关节机械臂的控制部件包括1个多关节机械臂控制器、1个运动控制模块、4个机械臂关节的伺服驱动器，无线通讯装置为1套基于无线WIFI的无线通讯装置，视觉超声波处理装置为1套基于CCD相机和超声波的位置检测装置；第二层为中间层，主要为移动小车的控制部件、气动系统，具体移动小车的控制部件包括1个移动小车控制器、1个运动控制模块、4个移动小车轮子的伺服驱动器，气动系统包括1套危化溶液存储装置气动装置，1套多功能夹具装置三爪气动夹具气动装置， 1套多功能夹具装置定量取液装置的气动装置；第三层为底层，为各个装置提供动力的电源装置，具体的有一组锂电池串和1个电源管理装置。小车底部四角方向布置有4个麦克拉姆轮伺服电机和电机减速器、中间位置布置有一套磁感应导航用的导航传感器和地标传感器、一个无线充电接收器。

移动小车转向机构采用基于麦克拉姆轮的四轮独立驱动的方式进行小车运动控制。麦克拉姆轮由两个轮毂和一定数量的小辊子组成，采用两端支撑结构，小辊子轴线与轮毂轴线夹角为±45°，两者材料均采用耐腐蚀防辐射材料。四个麦克拉姆轮中两个左旋结构和两个右旋结构，以两左两右四轮对称布置的方式安装在移动小车车体左右两边；每个麦克拉姆轮与一个直流伺服电机和电机减速器直连，通过对四个轮子不同的速度控制，实现小车不同方向的运动。

控制模块：包括PLC控制器和运动控制模块，移动小车采用PLC控制器加运动控制模块等方式进行运动控制，其中PLC主要负责与总控制台通讯，通过WIFI通讯方式及时接收总控制台发出的控制指令和反馈小车运行状态数据；运动控制模块负责执行PLC接收的信号指令，对移动小车反馈的导航信号、位置信号进行实时处理和计算，输出控制信号给直流伺服驱动器。另外，移动小车整体采用上位机与下位机结合的开放式控制模式，其中上位机为总控制台系统，下位机为移动小车系统的PLC控制器。

驱动模块：移动小车驱动采用直流伺服电机驱动器和直流伺服电机，直流伺服电机驱动器一端与移动小车PLC控制器中的运动控制模块相连，一端与直流伺服电机相连。PLC控制器的运动控制模块发送数字量高速脉冲信号给伺服驱动器，伺服驱动器采用位置控制模式根据控制信号和伺服电机反馈的信号产生脉冲形式的PWM信号，经功率放大后驱动伺服电机，伺服电机根据伺服驱动器发出的脉冲和方向信号进行启动、停止、反转以及变速等动作。

导航模块：该模块由磁传感器和铺设在地面的磁条组成，其中磁传感器分为磁导传感器和磁地标传感器，磁条分为导引磁条和地标磁条。磁感应对高危环境的敏感度不高，故采用磁条导航的方式设计移动小车的导航模块，小车底部靠前位置安装有磁导航传感器和地标传感器，用于检测在地面预定铺设的导引磁条和地标磁条。移动小车运行时，磁导航传感器垂直于磁条上方一定距离，采集磁条的磁场强度，判断磁条相对于磁导航传感器偏离位置，据此移动小车自动调整，确保沿磁条前行。地标传感器不断读取地标磁条，并据此判断运行位置和改变运行状态。地标磁条垂直于导航磁条方向，贴在导航磁条旁边的地面上。

通讯模块：由无线通讯装置和信号收发天线组成，其中无线通讯装置为无线数据收发装置，安装在移动小车内部第一层，信号收发天线安装在移动小车外部右侧。无线通讯模块一端采用无线局域网标准协议IEEE 802.11b/g/a/h，与总控制台实时无线连接，及时获取总控台发出的取液指令和运动指令，同时将移动小车以及关联系统的状态及时报告给总控台。无线通讯模块另一端与移动小车PLC控制器通过以太网口相连，及时将总控台发出的取液指令和运动指令传递给移动小车PLC，同时将移动小车PLC收到的反馈信号传递给总控制台。

图12为本发明的多关节机械臂系统模块框图，所述多关节机械臂系统是根据高危环境危化溶液定量提取特点设计的一个集机械、控制、电气于一体的开链连杆式和直角坐标式混合型关节机器人，工作范围最远达到2米，通过螺栓安装在移动小车顶部，与移动小车协作完成危化溶液提起、危化溶液转运、危化溶液放置等工作。主要包括机械本体、伺服驱动以及运动控制部分。

机械本体由执行单元、机械臂本体、传感部件组成。执行单元由伺服电机、减速器、轴承及轴承座等部件组成。传感部件为检测各个轴伺服电机的角度、转速、电流、电压等参数的传感器。机械臂本体由基座、底座、大臂、小臂以及末端伸缩轴构成，共有四个自由度，其中基座与底座、底座与大臂、大臂与小臂之间为转动副，小臂与末端伸缩轴之间为移动副，且小臂与末端伸缩轴之间夹角保持为90°。

机械臂基座采用矩形截面的中空铝制铸件，内部安装底座的直流伺服驱动电机、减速器、轴承以及轴承座等零部件，基座底部为一带有沿圆周均布四个螺纹孔的固定板，此固定板与移动小车上的多关节臂安装孔通过螺栓刚性连接在一起。底座采用圆形截面的中空铝制铸件，内部安装有大臂的直流伺服驱动电机、减速器、轴承以及轴承座等零部件。大臂采用圆形截面的中空薄壁铝制铸件，内部安装有小臂的直流伺服驱动电机、减速器、轴承以及轴承座等零部件。小臂采用圆形截面的实心铝制铸件，末尾安装有末端伸缩轴的执行部件，即伺服电机、同步带、螺母滚珠丝杠等零部件。末端伸缩轴由伺服电机、同步带、螺母滚珠丝杠和末端执行器组成，在滚珠丝杠运动副里面采用螺母驱动的方式，使丝杠螺母在直流伺服电机经同步带驱动下产生旋转运动，从而带动丝杠进行垂直方向的直线运动。

机械本体各个轴及伺服电机表面均敷设铅皮，放置在移动小车外部；控制部分和伺服驱动部分放置在移动小车内部，减轻辐射和腐蚀的影响。

图13为本发明的多功能夹具结构图，所述多功能夹具装置，是一个集定量取液和夹取搬运功能于一体的电、气控制装置，通过螺栓刚性安装在多关节机械臂末端，外观和内部结构如下图所示。

多功能夹具装置包括一个夹具本体、一个转动装置、一个气动三爪卡盘装置以及一个定量取液装置。

多功能夹具装置由机械臂PLC控制器控制，动作过程描述为多关节机械臂PLC控制器接收到移动小车PLC控制器发送的取液指令或抓取指令，若为取液指令，则多关节机械臂控制器控制转动装置将定量取液装置转到竖直向下的位置，再控制定量取液装置的气动电磁阀打开，则危化溶液逐渐进入定量取液装置。与此同时，定量取液装置中的气体流量信息、压力信息、危化溶液高度信息通过相应传感器快速反馈到多关节机械臂控制器，达到设定量后停止动作。若为抓取指令，则多关节机械臂控制器控制转动装置将三爪卡盘装置转到竖直向下的位置，再控制三爪卡盘气动电磁阀打开，实现三爪卡盘的张开和收紧，达到抓取的目的，与此同时，三爪卡盘装置中的卡夹取压力信息通过相应传感器快速反馈到多关节机械臂控制器，与气动电磁阀配合，实现抓取力的精确控制。

所述夹具本体正面呈正八边形，分为对称两半，对称面与水平面成45°夹角。夹具本体上部通过法兰连接在多关节机械臂第四轴末端，下部在水平方向上安装一个自定心三爪卡盘装置，在垂直方向上安装一个定量取液装置。

所述转动装置由旋转气缸、气缸活塞、气缸固定件、消声器、位置传感器等组成，旋转气缸通过气缸固定件安装在夹具本体上半部内，气缸活塞与夹具本体下半部固定相连，工作时由旋转气缸提供动力，通过气缸180°转动实现夹具本体两半之间相对转动，从而实现三爪卡盘装置与定量取液装置的工具转换。位置传感器用来检测气缸活塞是否转动了180°位置，并将到位信息传递给多关节机械臂PLC控制器。

所述气动三爪卡盘装置，为圆柱形气动自定心三爪装置，由本体、3个卡爪、3个压力传感器、一套气动装置组成。

三爪卡盘装置本体呈圆柱形，内部有气路、气动连接口及卡爪导向槽；3个卡爪均布在圆柱形本体卡爪导向槽上，采用不锈钢材料，上镶有防滑耐酸碱柔性材料，便于取液杯的夹取操作。压力传感器安装在卡爪内侧，由防滑耐酸碱柔性材料保护，用于监测抓取盛放危化溶液的量杯时的抓取力，并将压力信息传递给多关节机械臂的PLC控制器。

三爪卡盘气动装置包括一个3位5通数字式电磁阀、两个双向速度控制阀、一个压力控制阀以及管线。气路连接关系为，首先一条气路通过管线与压力控制阀相连，再与电磁阀相连，分成两条气路，接着两条气路管线与两个双向速度控制阀相连，最后两条管线与本体上的气动连接口相连。其中数字式电磁阀与多关节机械臂的PLC控制器相连，通过多关节机械臂的PLC控制器控制数字式电磁阀，进而控制整条气路的通断，实现卡爪同时收紧和张开的功能。气动装置安装在移动小车内部第二层。

三爪卡盘通过工字形法兰螺纹连接在八边形夹具本体一边上，非工作状态时三爪卡盘轴线与地面平行，工作状态时三爪卡盘轴线与地面垂直。

所述定量取液装置，包括一个取液容器本体、一套检测传感装置、一套气动装置。

取液容器本体是一个圆柱状耐腐蚀玻璃钢容器，本体左侧上部有一个气动系统连接口，本体右侧为液面位置检测传感装置，本体内部被移动活塞分为上、下容器室。上容器室为气体室，里面安装两个弹簧固定端子和一个压缩弹簧，可保证气体室稳定有效工作。下容器室为液体室，用于盛放提取的危化溶液。本体中间为移动活塞，活塞两头放置密封圈，密封圈可有效保证气体室与液体室的隔断。

检测传感装置是一套液面位置检测传感器，呈长条状，粘贴在取液容器本体右侧，用来检测液体抽取过程中液面的高度信息，经数据处理和转换后传递给多关节机械臂的PLC控制器。液面位置检测传感器是由粘接剂、固态电容组件、数据转换电路等组成的液面检测装置，固态电容组件由N组固态铝电解电容经一定组合而成，可根据液位的高度变化发生电容大小变化，再经数据转换电路将电容大小变化转换成数字量，从而实现液位的实时监测。固态电容组件通过粘接剂粘贴在取液容器本体右侧，外面敷设一层耐腐蚀防辐射的铅皮材料。

气动装置包括一个3位3通数字式电磁阀、一个真空发生器组件、一个双向速度控制阀、一个流量传感器、一个气压传感器以及管线，其中3位3通数字式电磁阀有两个出气口，真空发生器组件有一个进气口，一个出气口。气动装置的连接方式为电磁阀其中一个出气口与真空发生器组件的进气口相连，另一个出气口与真空发生器组件的出气口相连，同时真空发生器组件的出气口与速度控制阀相连，中间连接一个监控气路中气体流速的流量传感器，速度控制阀取液容器本体相连，中间连接一个监控气路压力的气压传感器。气动装置有一个气源进气口和一个出气口，气源进气口连接外部气源，出气口与定量取液装置中的取液容器本体相连，气动装置中的数字式电磁阀的控制端与多关节机械臂的PLC控制器相连，实现多关节机械臂的PLC控制气动装置气路的通断。气动装置的工作方式为气源经电磁阀流过真空发生器组件时产生正压或负压，使取液容器本体气体室内的压力大于或小于液体室内的压力，活塞在压力差作用下向下或向上移动，实现液体的精确提取和排出。气动装置安装在移动小车内部第二层。

定量取液装置通过工字形法兰螺纹连接在八边形夹具本体一边上，工作状态时其中心轴线与地面保持垂直。

图14为本发明的视觉超声波检测工作原理图，视觉超声波检测系统，是一套无线远程监控系统，是移动机器人系统的“眼睛”，来用监视移动路径上的障碍、计算移动机器人的空间位置。该系统主要由总控制台、无线通讯模块以及数据采集处理模块组成，其中数据采集处理模块由处理单元、视觉模块及超声波模块组成。

视觉超声波检测系统融合视觉和超声波技术，使视觉模块与超声波模块配合工作，计算空间位置坐标。其原理为用工业CCD相机获取高危环境下的二维图像信息，经图像处理转换成平面XY坐标信息，再由超声波传感器获取高度方向上的信息，即Z坐标信息，两者经逻辑单元处理后可获得空间位置坐标，移动小车系统根据空间坐标信息进行精确定位。

总控制台监控应用系统有视觉超声波监控模块，通过无线WIFI与无线通讯模块与数据采集模块相连，数据采集模块中的处理单元采用嵌入式ARM处理器，实时获取工业CCD相机采集到的视频信息和超声波位移传感器采集到的高度信息，并通过以太网接口和无线通讯模块，将数据反馈给总控制台，总控制台将数据放在视频服务器，便于监控模块进行环境可视化监控和图像空间坐标计算。

数据采集处理装置包括两块直角安装板、一张图像采集卡、2个工业CCD传感器、一个超声波位移传感器、一个超声波模数转换装置、一个嵌入式ARM处理器以及一个无线通讯装置，其中CCD传感器通过图像采集卡与嵌入式ARM处理器相连，超声波传感器通过模数转换装置与嵌入式ARM处理器相连，然后嵌入式ARM处理器与无线通讯装置相连。直角安装板其中一块安装在机械臂末端与夹具装置之间，其前方安装一个工业CCD传感器和一个超声波位移传感器，两者配合进行平面位置和危化溶液液面的高度位置的数据采集。另一块直角安装板安装在夹具装置右侧，其上安装一个工业CCD传感器，用于实时监视危化溶液定量提取过程及装置中液面高度。

图像采集卡、超声波模数转换装置、嵌入式ARM处理器、无线通讯装置安装在移动小车内部，其中无线通讯装置通过无线WIFI 采用802.11b/g/a/h标准协议与总控制台视频超声波检测模块实时无线连接，将图像信息和超声波数字信息及时传递出去。

图15为本发明的危化溶液存储系统结构图。所述危化溶液存储装置，主要用来安全存储和可靠转运移动机器人定量提取到的危化溶液，具体包括一个方形存储本体、3个取液量杯、3个重量传感器、一套气动装置。

存储本体为耐腐蚀耐辐射的不锈钢材质，主要由容腔本体、活动气缸、连杆机构、密封顶盖、密封软垫组成。容腔本体呈长方体，中间有三个空腔，可容纳3个钢化玻璃材质的取液量杯。容腔本体上端面对称中心靠后位置间隔一定距离布置两个一大一小的长方体凸起，小长方体凸起用于连接，大长方体凸起用于限制密封顶盖空间范围，使其与容腔本体上端面保持平行。容腔本体上方是方形的气动密封盖，气动密封盖底部放置3个比取液量杯口径略大的密封软垫，正常密封后可防止危化溶液运输过程中溅落出来。气动密封盖尾部固定连杆机构，连杆中间位置与小长方体凸起通过铰链1形成转动副，连杆尾部与一个活动气缸的活塞通过铰链2形成转动副连接。容腔本体两侧底部有四个安装座，与移动小车上的存储装置安装座用螺栓刚性连接。

活动气缸由气动活塞和气缸缸体组成，气动活塞呈圆柱状，与连杆机构末端通过铰链2形成转动副；气缸缸体呈圆柱状，右侧有两个气动连接口，用于连接气动装置；气缸缸体底部与容腔本体后端面通过铰链3形成转动副，使活动气缸可以绕铰链3自由转动。

取液量杯采用透明的钢化玻璃材质，与存储本体上的容腔配套，用来存储不同种类的液体。重量传感器采用圆板型电阻应变式重量传感器，通过螺纹连接固定在取液量杯容腔底部，与进入容腔的取液量杯形成面接触。其测量数值经A/D转换后通过数据线连接到移动小车PLC控制器，以便时刻监测取液量杯中危化溶液的动态重量。

存储装置中的气动装置包括一个3位5通数字式电磁阀、两个双向速度控制阀、一个压力控制阀以及管线。气路连接关系为，首先一条气路通过管线与压力控制阀相连，再与电磁阀相连，分成两条气路，接着两条气路管线与两个双向速度控制阀相连，最后两条管线与气缸的气动连接口相连。其中数字式电磁阀由移动小车PLC控制器控制，在多关节机械臂系统进行取液、放液等相关动作时，移动小车PLC控制器发送相应控制信号给气动装置电磁阀控制端，驱动密封顶盖配合机械臂执行打开和关闭操作。该气动装置安装在移动小车内部第二层。

存储装置与移动小车控制器的连接示意图如下图所示，移动小车控制器与存储装置中的电磁阀连接，控制气路通断，实现密封顶盖的打开和关闭；重量传感器通过AD转换器与移动小车PLC控制器相连，实时获取取液过程中危化溶液的重量信息，通过反馈实现危化溶液精确量化控制。

图16为本发明的电源系统模块构成图。所述电源系统，用来为移动机器人系统提供移动和操作的电力能源，由蓄电池、无线充电装置以及电源管理系统组成，其中蓄电池为高密度锂电池串，直接为移动小车、多关节机械臂等提供直流电源；无线充电装置采用磁耦合谐振的能量传输方式，对移动机器人的供电电池进行非接触无线充电，由发射模块、接收模块等两部分组成；电源管理系统是一个电池串管理系统，由数据采集模块、控制保护模块、存储模块、均衡模块等组成，用来进行电池单体状态监控、电池单体均衡、电池充电管理以及电池安全保护等。

移动小车无线充电装置由电源发射模块和电源接收模块组成，电源发射模块由无线发送装置和发送电源管理模块组成，其中无线发送装置由高频激励源、谐振发射电路以及中继电路组成，整个装置安装于安全区域地面上，构成电源发射端；电源接收模块由无线接收装置和接收电源管理模块组成，其中无线接收装置由整流稳压电路、谐振接收电路和电源管理模块组成，安装于移动小车底部，构成电源接收端。

移动机器人电源管理系统实时监测所携带电池剩余电量，并通过无线WIFI实时上报总控制台，如果在非工作状态时剩余电量低于一定阈值，则总控台分配任务时会提示移动机器人系统电量不足，需要充电；如果在执行工作中电量低于一定阈值，则移动机械人向总控台发出低电量告警，中断当前的取液或移动操作，保存当前任务状态，等待总控台下达充电指令。移动机器人充电时，先沿导航磁带自动移动到充电发射装置安装位置，此时电源输入端将交流市电经无线充电装置转换成24V直流电，并存储在锂电池组里。完成充电后，移动机器人恢复之前的任务状态，继续进行相应操作。

对于具体实施方式的理解的描述仅仅是为帮助理解本发明，而不是用来限制本发明的。本领域技术人员均可以利用本发明的思想进行一些改动和变化，只要其技术手段没有脱离本发明的思想和要点，仍然在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于移动机器人的危化溶液提取系统，其特征在于：包括总控制台系统、通讯网络、移动机器人；所述移动机器人包括移动小车系统、多关节机械臂系统、夹具系统、视觉超声波检测系统及危化溶液存储系统，且多关节机械臂系统、夹具系统、视觉超声波检测系统、危化溶液存储系统均布置于移动小车系统上；所述总控制台系统基于通讯网络与移动小车系统通信连接，并通过移动小车系统获取移动机器人上各系统状态参数，同时发送取液信息和运动指令给移动小车系统；所述移动小车系统接收并转发总控制台系统发出的取液信息和运动指令，实现移动机器人在危化溶液采集和放置线路上的移动；所述移动小车系统分别与多关节机械臂系统和危化溶液存储系统相连，所述多关节机械臂系统与夹具系统相连，所述视频超声波检测系统通过通讯网络实现与总控制台系统通信连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于移动机器人的危化溶液提取系统，其特征在于：所述总控制台系统包括显示器、安装有监控软件的主控计算机、实时通讯服务器、安装有后台数据库的数据服务器、视频服务器以及网络通讯模块；主控计算机通过网络通讯模块与实时通讯服务器、数据服务器及视频服务器实时通讯；视频服务器用于存储视频信息。

3.根据权利要求1所述的一种基于移动机器人的危化溶液提取系统，其特征在于：所述移动小车系统包括机械本体、控制模块、驱动模块、导航模块及通讯模块；所述机械本体用于提供移动机器人运动的物理结构；所述控制模块通过通讯模块和总控制台系统相连，所述控制模块通过驱动模块与机械本体相连；所述导航模块与控制模块相连。

4.根据权利要求1所述的一种基于移动机器人的危化溶液提取系统，其特征在于：所述多关节机械臂系统包括机械本体、伺服驱动模块及控制模块；所述机械本体包括执行单元、机械臂本体及传感部件；所述控制模块包括多关节机械臂PLC控制器和运动控制模块；所述运动控制模块通过伺服驱动模块与执行单元相连；所述多关节机械臂PLC控制器一端与移动小车相连，另一端与传感部件相连。

5.根据权利要求1所述的一种基于移动机器人的危化溶液提取系统，其特征在于：所述夹具系统包括夹具本体、转动装置、定量取液装置以及气动三爪卡盘装置；所述夹具本体分为对称两半，对称面与水平面成45°夹角；所述转动装置位于夹具本体内，用于实现夹具本体对称两半之间的相对转动；所述夹具本体水平方向与气动三爪卡盘装置连接，垂直方向与定量取液装置连接。

6.根据权利要求1所述的一种基于移动机器人的危化溶液提取系统，其特征在于：所述视觉超声波检测系统包括数据采集处理单元、视觉模块及超声波模块；所述视觉模块与超声波模块分别通过数据采集处理单元与总控制台系统通信连接。

7.根据权利要求1所述的一种基于移动机器人的危化溶液提取系统，其特征在于：所述危化溶液存储系统包括存储本体、取液量杯及重量传感器；所述取液量杯位于存储本体中；所述重量传感器置于取液量杯底部。

8.根据权利要求1所述的一种基于移动机器人的危化溶液提取系统，其特征在于：还包括电源系统，所述电源系统包括蓄电池组、无线充电模块以及电源管理模块。