CN108453734A - 一种应急处理子母机器人 - Google Patents

Abstract

一种应急处理子母机器人，包括软件和硬件二部分；软件包括终端软件模块；硬件包括子机器人、母机器人；子机器人、母机器人装设的信息采集处理与控制机构，直流电机、机器手臂舵机。所述信息采集处理与控制机构，包括单片机系统、三个无线路由器、视频采集模块、温湿度传感器、烟雾传感器、可燃气体传感器、电机驱动模块、直流电机、机器手臂。应急处理子母机器人可完成在人类难以进入的狭小空间、低氧、有毒气体等复杂恶劣的特殊环境下，进行环境实时监测以及应急处理特殊的任务，且快捷、精度高。

Description

一种应急处理子母机器人

技术领域

本发明涉及一种机器人，特别是涉及一种应急处理子母机器人，属于智能化机器人技术领域。

背景技术

机器人技术是当今人们研究的热点问题，它涉及到智能控制、图像识别、信息处理等多种技术，它综合了计算机、电子、机械等多种学科，随着科技的进步及应用需求的不断扩大，机器人技术又引入了更多智能化元素，能替代人完成多种复杂的操作，其研究挑战性更强，因此，智能化的机器人研究受到了极大的关注。然而，机器人的工作范围往往受到工作环境的限制，因此需要利用多种机器人的结构特点和功能，通过协调工作来增强机器人的工作能力从而高效完成任务。为此子母式机器人便成为了一个新的研究方向。

发明内容

本发明的目的，是提供一种应急处理子母机器人，本机器人从配置上包括可组合、可分离的子机器人与母机器人两部分，从功能上包括环境实时监测以及应急处理操作两大功能。本发明能完成在人们难以进入的狭小空间、低氧、有毒气体等复杂恶劣的特殊环境下，进行环境实时监测以及应急处理特殊的任务。

总体控制共分为五部分，即：

模式控制、机械形态控制、机械运动控制、机器手臂控制、终端显示控制。模式控制由实时监控侦查模式和应急处理操作模式两部分组成；机械形态控制由子母机器人一体形态和子母机器人分离形态两部分组成；机械运动控制由起停控制、速度调节、方向控制、传感器控制、摄像头控制、补光灯亮度控制六部分组成；机械手臂控制由手臂方向控制和手臂姿态控制两部分组成；终端显示控制由视频画面输出、声音信息输出、温度数据输出、湿度数据输出、烟雾浓度数据输出、时间数据输出六部分组成。

采用的技术方案是：

一种应急处理子母机器人，包括软件和硬件二部分；软件包括终端软件模块；硬件包括子机器人、母机器人；子机器人、母机器人装设的信息采集处理与控制机构，直流电机、机器手臂舵机。

所述信息采集处理与控制机构，包括单片机系统、无线路由器、视频采集模块、温湿度传感器、烟雾传感器、可燃气体传感器、电机驱动模块。

单片机系统采用STM32系列单片机作为主控芯片。通过设置在子、母机器人和终端软件模块的三个无线路由器（一个服务端、两个客户端）构建局域网与计算机相连，同时传输环境图像信息与数据，当遇到复杂危险的特殊情况时，控制终端软件模块可以根据机器人传回的环境信息指示子母机器人是否进行子、母分离，从而通过“一体共同工作，分离协同工作”的模式利用各种传感器模块、运动控制模块以及机械手控制模块对复杂恶劣的特殊环境进行实时监控与应急远程处理。

单片机系统是整个系统的核心中枢，它对外围进行控制，对数据进行运算处理，是连接各部分的纽带；机器人所采用的单片机系统通过无线路由器接收从控制软件终端发送的指令信号，从而分析并处理指令信号，让单片机的指定引脚进行高低电平赋值，进而控制子母机器人电机转动及机器手臂运动，接收并处理从温湿度、烟雾可燃气体传感器传回的环境信息与数据，最后通过无线路由器将信息与数据传回到控制终端软件上显示；机器人所采用的单片机主处理器芯片为STM32F103ZET6；本芯片包括九个16位并行I/O口，不仅可用作输入，也可用作输出；此单片机芯片的串行口和无线路由器的TTL串行口通过导线连接，用于接收控制信号；多种传感器、电机驱动模块以及舵机构成的机器手臂直接连接在单片机的IO口上。

所述的无线路由器采用的是TP-LINK WR703N无线路由器，使用了IEEE 802.11n技术，无线速率为150Mbps，内置智能全向天线，相比较其他同等价位路由器，局域网数据传输更高效快捷，是目前市场上最小、最便宜的能够运行 Linux操作系统的无线路由器，不仅可以刷入Openwrt系统，也可以安装子母机器人所必备的各种驱动用来加载USB高清摄像头等设备，接收到的环境信息数据可以通过串口发送给单片机芯片，路由器的串口和单片机串口通过导线相连。该TL-WR703N无线路由器含有Micro USB接口，可外接Micro USB摄像头，路由器只需安装mjpg-streamer软件即可实现视频的编码与处理，最终将视频信息与环境数据传回到控制终端。

所述的电源驱动模块，整个机器人系统需要四个级别的电压，其中12V为机器人电机提供动力，6V为机械手以及云台舵机提供能量，5V为机器人机器人身上搭载的传感器以及wr703路由器供电，3.3V为STM32F103单片机系统供电；本系统采用了AMS-117、78M05、AS1015电源管理芯片；AMS-1117和78M05分别为3.3V和5V线性稳压器，总电源采用12V的锂电池，经78M05稳压芯片降压至5V，再经AMS-1117芯片降至3.3V，如此得到系统的5V以及3.3V电压；舵机的供电由AS105开关电源芯片提供，AS1015能够提供较大的电流，电池电源经AS1015电源管理系统降至6V电压。

所述的视频采集模块：机器人所采用的视频采集模块是天敏S605，该款摄像头具有500W硬件像素，1600W软件像素，高品质实时无压缩动态视频捕捉（AVI）及实时动态压缩（MPGE），高帧率视频显示（30-60fps）小巧轻量易安装，还带有多功能可折叠支架，可以胜任子母机器人的视频信息采集任务。

所述的温湿度传感器、烟雾传感器、可燃气体传感器：机器人采用所需要的DHT11数字温湿度传感器，作为测量与收集外界环境数据信息的检测元件；它包含一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件；DHT11数字温湿度传是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，能够同时检测温度和湿度，成本低，抗干扰能力强，方便安装，易于焊接；工作时，将温度湿度信号通过传感器进行信息的采集并转化成数字信号再用用单片机芯片进行数据的分析和处理，最后传送回显示终端并显示数据。DHT11能够直接处理被测温湿度值，采用单总线数据格式,DATA 用于单片机与DHT11之间的通讯和同步,同时单片机可以把测量的环境数据通过串口传到显示终端；这种方法十分简单而且十分精确，非常适合子母机器人在探测极端复杂环境下测量、传回数据的情况；机器人所采用的是MQ-2型半导体可燃气体敏感元件烟雾传感器实现烟雾的检测；MQ-2烟雾气敏传感器对丙烷、氢气、煤气液化气等气体的灵敏度高，对一些可燃蒸汽的检测效果也十分理想，具有DO开关信号（TTL）输出与AO模拟信号输出；此传感器具有成本低，稳定性高，使用寿命、灵敏度高、抗干扰能力强等优点，非常适合在极端恶劣的环境下配合子母机器人工作。

所述的电机驱动模块，驱动模块电路采用IR2184搭建的8路半桥构成驱动电路，每路半桥可以输出一路电机控制信号，母机器人为四驱动力，每个电机需要两路驱动信号，母机器人共需要8路驱动信号，子机器人为为双电机驱动，需要4路半桥驱动信号；每个电机的两路半桥驱动共用使能端口EN，通过74HC244D连接单片机PWM输出，每路半桥的输入引脚INT为电机的方向控制引脚；机器人移动的原理在于单片机芯片处理从控制终端发送的指令信息并对自身的引脚电平发生改变，通过电机驱动芯片将单片机引脚的脉冲信号转化为角位移，从而控制调速与定位，完成对子母机器人移动。

所述的机械手臂，机器人所采用的机械手臂配备LDX-335MG耐烧舵机（爪子）、LD-1501MG低噪音舵机、LD-20MG大扭力舵机，拥有六自由度，承重能力较大，刚性好，平稳性高；控制机械手臂运动时，单片机通过控制与机械手臂舵机相连的IO端口输出脉宽信号给定参考位置，舵机内部电路通过反馈控制调节舵盘角位来控制舵机的转动角度，精确到三维空间上某一点进行作业，从而实现机器手臂的方向控制及姿态控制。

终端软件模块：

所述终端软件模块，包含控制界面和显示界面软件两部分：两部分相互联系，通过控制界面控制机器人将环境信息采集回来显示在显示界面上。

所述的控制界面:控制界面主要由一些按钮控件组成，主要包括模式选择框、子母机器人的控制按钮等；模式选择框可选择实时监控侦查模式、应急处理操作模式；母机器人的控制按钮包括连接局域网按钮、录像拍照按钮、运动控制按钮、开灯按钮、机器手控制按钮、摄像头控制按钮等；子机器人的控制按钮包括启动按钮、录像拍照按钮、运动控制按钮、开灯按钮、机器手控制按钮、摄像头控制按钮等；母机器人通过蓝牙模块控制子机器人，实现了子、母机器人之间的通信；各个控件通过添加事件处理程序，在每个控件背后都编写了程序指令从而实现不同的功能。

所述的显示界面:显示界面主要由一些显示框构成，主要包括子视频显示框、母视频显示框、温湿度显示框、烟雾浓度显示框等；显示框上的信息主要由子母机器人传回来的视频图像和机器人上传感器采集回来的环境信息构成；视频显示的实现主要通过上位机发送指令到无线路由器，然后通过路由器的转换，把指令传给单片机，从而机器人执行我们的指令，同时上位机向路由发送一个视频请求，路由端的视频处理程序会把获取的USB摄像头视频传回上位机，上位机进行解码，并显示；温湿度、烟雾浓度显示主要是通过相应模块检测到当前环境信息，然后将环境信息通过路由器传输到上位机解码，最终达到显示的目的。

本发明的优点：

本发明是基于WLAN的，具有实时监控及应急处理功能的子母机器人。可完成在人们难以进入的狭小空间、低氧、有毒气体等复杂恶劣的特殊环境下，进行环境实时监测以及应急处理特殊的任务。

附图说明

图1是应急处理子母机器人硬件设计框图

图2是应急处理子母机器人软件终端设计框图。

具体实施方式

一种应急处理子母机器人，包括软件和硬件二部分；软件包括终端软件模块；硬件包括子机器人、母机器人；子机器人、母机器人上装设的信息采集处理与控制机构，直流电机1、机器手臂舵机2。

所述信息采集处理与控制机构，包括单片机3、无线路由器4、视频采集模块5、温湿度传感器6、烟雾传感器7、可燃气体传感器8、电机驱动模块9。

机器人所采用的单片机的主处理器芯片为STM32F103ZET6。本芯片包括九个16位并行I/O口，不仅可用作输入，也可用作输出。

该单片机3的路由器串行口通过导线与无线路由器4的TTL串行口连接，并进行双向通讯，用于接收和发出控制信号。

温湿度传感器6、烟雾传感器7、可燃气体传感器8，分别通过导线与单片机对应的I/O接口连接，将采集到的外部环境中的温湿度、烟雾、可燃气体信息输送给单片机3。视频采集模块的信息输出端通过导线与单片机的对应I/O接口连接。

单片机3的一路指令信号输出端与电机驱动模块9的信号输入端连接，电机驱动模块9的信号输出端通过导线与驱动机器人的直流电机1连接。单片机3的另一路指令信号输出端与机器人的机械手臂的舵机2连接。子机器人和母机器人之间通过蓝牙连接，进行双向通讯。

单片机系统采用STM32系列单片机作为主控芯片。通过三个无线路由器（一个服务端、两个客户端）构建局域网与计算机相连，同时传输环境图像信息与数据，当遇到复杂危险的特殊情况时，控制终端软件模块可以根据机器人传回的环境信息指示子母机器人是否进行子、母分离，从而通过“一体共同工作，分离协同工作”的模式利用各种传感器模块、运动控制模块以及机械手控制模块对复杂恶劣的特殊环境进行实时监控与应急远程处理。

电源模块10为整个机器人系统供电，分别输出12V、6V、5V、3.3V电压。12V为机器人电机提供动力，6V为机械手以及云台舵机提供能量，5V为机器人机器人身上搭载的传感器以及wr703路由器供电，3.3V为STM32F103单片机系统供电。

电源模块10本包括AMS-1117、78M05、AS1015电源管理芯片。AMS-1117和78M05分别输出3.3V和5V线性稳压。总电源采用12V的锂电池，经78M05稳压芯片降压至5V，再经AMS-1117芯片降至3.3V。舵机的供电由AS105开关电源芯片提供6V电压。

所述子机器人和母机器人通过蓝牙连接，进行双向通讯。

机器人所采用的单片机主处理器芯片为STM32F103ZET6。本芯片包括九个16位并行I/O口，不仅可用作输入，也可用作输出。所述的无线路由器采用的是TP-LINK WR703N无线路由器。无线速率为150Mbps，内置智能全向天线，不仅可以刷入Openwrt系统，也可以安装子母机器人所必备的各种驱动用来加载USB高清摄像头等设备，接收到的环境信息数据可以通过串口发送给单片机芯片。该TL-WR703N无线路由器含有Micro USB接口，可外接Micro USB摄像头，路由器只需安装mjpg-streamer软件即可实现视频的编码与处理，最终将视频信息与环境数据传回到控制终端。

视频采集模块选用天敏S605、温湿度传感器选用所DHT11数字温湿度传感器、烟雾传感器采用的是MQ-2型半导体可燃气体敏感元件烟雾传感器实现烟雾的检测。电机驱动模块其电路IR2184能搭建的8路半桥构成驱动电路，每路半桥可以输出一路电机控制信号。

所述的机械手臂舵机包括LDX-335MG耐烧舵机、LD-1501MG低噪音舵机、LD-20MG大扭力舵机，拥有六自由度。

所述终端软件模块，包括控制界面和显示界面两部分。通过控制界面控制机器人将环境信息采集回来显示在显示界面上。

所述控制界面主要由多个按钮控件组成，包括模式选择框、子母机器人的控制按钮等。模式选择框可选择实时监控侦查模式、应急处理操作模式。母机器人的控制按钮包括连接局域网按钮、录像拍照按钮、运动控制按钮、开灯按钮、机器手控制按钮、摄像头控制按钮等；子机器人的控制按钮包括启动按钮、录像拍照按钮、运动控制按钮、开灯按钮、机器手控制按钮、摄像头控制按钮等。母机器人通过蓝牙模块控制子机器人，实现了子、母机器人之间的通信。各个控件通过添加事件处理程序，在每个控件背后都编写了程序指令从而实现不同的功能。

所述的显示界面主要由多个显示框构成，主要包括子视频显示框、母视频显示框、温湿度显示框、烟雾浓度显示框等。显示框上的信息主要由子母机器人传回来的视频图像和机器人上传感器采集回来的环境信息构成。视频显示的实现主要通过上位机发送指令到无线路由器，然后通过路由器的转换，把指令传给单片机，从而机器人执行我们的指令，同时上位机向路由发送一个视频请求，路由端的视频处理程序会把获取的USB摄像头视频传回上位机，上位机进行解码，并显示。温湿度、烟雾浓度显示主要是通过相应模块检测到当前环境信息，然后将环境信息通过路由器传输到上位机解码，最终达到显示的目的。

Claims (4)

1.一种应急处理子母机器人，包括软件和硬件二部分；软件包括终端软件模块；硬件包括子机器人、母机器人；子机器人、母机器人上装设的信息采集处理与控制机构、直流电机（1）、机器手臂舵机（2），其特征在于：

所述信息采集处理与控制机构，包括单片机（3）、无线路由器（4）、视频采集模块（5）、温湿度传感器（6）、烟雾传感器（7）、可燃气体传感器（8）、电机驱动模块（9）；

该单片机（3）的路由器串行口分别通过导线与无线路由器（4）的TTL串行口连接，并进行双向通讯，用于接收和发出控制信号；

所述温湿度传感器（6）、烟雾传感器（7）、可燃气体传感器（8），分别通过导线与单片机对应的I/O接口连接，将采集到的外部环境中的温湿度、烟雾、可燃气体信息输送给单片机（3）；视频采集模块（5）的信息输出端通过导线与单片机的对应I/O接口连接；单片机（3）的一路指令信号输出端与电机驱动模块（9）的信号输入端连接；单片机（3）的另一路指令信号输出端与机器人的机械手臂的舵机（2）连接；子机器人和母机器人之间通过蓝牙模块连接，进行双向通讯；电机驱动模块（9）的信号输出端通过导线与驱动机器人的直流电机（1）连接；

所述电源模块（10）为整个机器人系统供电，分别输出12V、6V、5V、3.3V电压；12V为机器人电机提供动力，6V为机械手以及云台舵机提供能量，5V为机器人机器人身上搭载的传感器以及wr703路由器供电，3.3V为STM32F103单片机系统供电；所述子机器人和母机器人通过蓝牙模块连接，进行双向通讯；

所述单片机（3）通过无线路由器构建局域网与计算机相连，同时传输环境图像信息与数据，当遇到复杂危险的特殊情况时，控制终端软件模块可以根据机器人传回的环境信息指示子母机器人是否进行子、母分离，从而通过一体共同工作，分离协同工作的模式，实现对复杂恶劣的特殊环境进行实时监控与应急远程处理。

2.根据权利要求1所述的一种应急处理子母机器人，其特征在于：

所述终端软件模块，包括控制界面和显示界面两部分,通过控制界面将采集回来的环境信息显示在显示界面上；

所述控制界面主要由多个按钮控件组成，包括模式选择框、子母机器人的控制按钮，模式选择框选择实时监控侦查模式、应急处理操作模式；母机器人的控制按钮包括连接局域网按钮、录像拍照按钮、运动控制按钮、开灯按钮、机器手控制按钮、摄像头控制按钮；子机器人的控制按钮包括启动按钮、录像拍照按钮、运动控制按钮、开灯按钮、机器手控制按钮、摄像头控制按钮；母机器人通过蓝牙模块控制子机器人，实现了子、母机器人之间的通信；各个控件通过添加事件处理程序，在每个控件背后都编写了程序指令从而实现不同的功能；

所述的显示界面主要由多个显示框构成，包括子视频显示框、母视频显示框、温湿度显示框、烟雾浓度显示框；显示框上的信息主要由子母机器人传回来的视频图像和机器人上传感器采集回来的环境信息构成；视频显示的实现主要通过上位机发送指令到无线路由器，然后通过路由器的转换，把指令传给单片机，从而机器人执行我们的指令，同时上位机向路由发送一个视频请求，路由端的视频处理程序会把获取的USB摄像头视频传回上位机，上位机进行解码，并显示；温湿度、烟雾浓度显示主要是将检测到当前温湿度、烟雾浓度环境信息，然后将环境信息通过路由器传输到上位机解码，最终达到显示的目的。

3.根据权利要求1或2所述的一种应急处理子母机器人，其特征在于：

所述电源模块（10）包括AMS-1117、78M05、AS1015电源管理芯片；AMS-1117和78M05分别输出3.3V和5V线性稳压；AMS-1117芯片输出3.3V；AS105开关电源芯片提供6V电压。

4.根据权利要求1或2所述的一种应急处理子母机器人，其特征在于：

所述单片机的主处理器芯片为STM32F103ZET6，该芯片包括九个16位并行I/O口，不仅可用作输入，也可用作输出；所述的无线路由器采用TP-LINK WR703N无线路由器、视频采集模块选用天敏S605、温湿度传感器选用所DHT11数字温湿度传感器、烟雾传感器采用MQ-2型半导体可燃气体敏感元件烟雾传感器、电机驱动模块采用IR2184，能搭建的8路半桥构成驱动电路，每路半桥可以输出一路电机控制信号；所述的机械手臂舵机包括LDX-335MG耐烧舵机、LD-1501MG低噪音舵机、LD-20MG大扭力舵机，拥有六自由度；所述机械手臂舵机包括LDX-335MG耐烧舵机、LD-1501MG低噪音舵机和LD-20MG大扭力舵机，拥有六自由度。