CN109176453A - 一种球形勘探机器人及基于该机器人的勘探系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种球形勘探机器人及基于该机器人的勘探系统，其中，所述球形勘探机器人包括外球壳、内球壳、第一支撑模块、信息采集模块、重心驱动模块和第二支撑模块，其中，第一支撑模块支撑连接外球壳和内球壳，信息采集模块采集机器人所处环境的环境信息，第二支撑模块支撑重心驱动模块和内球壳，且可沿内表面滑动，重心驱动模块按照控制指令沿内球壳内表面运动，从而改变机器人重心，带动机器人运动。所述勘探系统包括总控机和若干球形勘探机器人，总控机和球形勘探机器人之间、以及球形勘探机器人之间通过无线连接，形成一个无线自组织网络。本发明适用于信号微弱、环境恶劣的情境下的勘探，可减少人员安全隐患。

Description

一种球形勘探机器人及基于该机器人的勘探系统

技术领域

本发明涉及机器人技术，尤其涉及一种球形勘探机器人及基于该机器人的勘探系统。

背景技术

电力电缆由于具备受天气和外部环境影响小、可提高系统功率因数、维护工作方便、有利于城市规划和环保等优点，逐渐取代架空线路成为城市配电网络的主导。由于电缆通道环境密闭，通风不畅，炎热、潮湿或者积水的情况下易积聚甲烷、一氧化碳、硫化氢等可燃、有毒、有害气体，易引起电缆通道火灾甚至爆炸事件。电缆外护套破损、接地系统损坏时，易造成放电现象，以致电缆绝缘层由于温度过高逐渐焦化、燃烧，引起电缆着火事故。电缆通道着火时，因空间狭窄密闭，安全风险高，人员不便进入，而且通道内信号微弱，即使采集完信号也难以传输至地面上，因而亟需一种可实现无人员下井作业的电缆通道火情勘查技术。

发明内容

发明目的：本发明针对现有技术存在的问题，提供一种球形勘探机器人及基于该机器人的勘探系统，本发明的球形勘探机器人可以实现恶劣环境下的无人勘探，且结构简单，控制方便，本发明的勘探系统采用多个球形勘探机器人组成自组织网络传输数据信息，从而适用于电缆通道等信号微弱的环境中。

技术方案：本发明所述的包括外球壳、内球壳、第一支撑模块、信息采集模块、重心驱动模块和第二支撑模块，其中，所述内球壳位于外球壳内部，所述第一支撑模块和所述信息采集模块位于外球壳和内球壳之间，所述第一支撑模块支撑连接外球壳和内球壳，所述第二支撑模块上端与内球壳内表面接触，且可沿内球壳内表面滑动，下端与所述重心驱动模块的上端连接，所述重心驱动模块下端与内球壳内表面接触，所述重心驱动模块用于接收信息采集模块采集的环境信息和其他机器人发送的数据信息，并采用无线自组织网络路由协议将接收的信息向其他机器人或总控机进行传输，以及接收总控机发送的控制指令，并按照控制指令沿内球壳内表面运动。

其中，所述重心驱动模块包括配重块、控制单元、若干电机单元和若干滚轮单元，所述配重块或所述控制单元与所述第二支撑模块下端固定，所述配重块位于重心驱动模块的中心线上，所述控制单元与所述电机单元电连接，所述滚轮单元与所述内球壳内表面接触，一个电机单元连接一个滚轮单元，用于驱动对应的滚轮单元进行滚动。其中，配重块用于增加述重心驱动模块的重量，使得机器人重心位于重心驱动模块，电机单元驱动滚轮单元沿内球壳内表面进行滚动，使得机器人重心偏离，机器人在重力作用下进行运动，类似不倒翁。

其中，所述控制单元具体包括无线传输子单元、工作模态控制子单元和电机控制子单元，其中，无线传输子单元用于接收自身信息采集模块发送的环境信息和其他机器人发送的数据信息，并按照需求向其他机器人或总控机进行传输，还用于接收总控机发送的控制指令并传输至工作模态控制子单元；工作模态控制子单元用于根据接收的控制命令，确定机器人工作模态，并按照确定的工作模态向电机控制子单元发出相应指令；电机控制子单元用于根据工作模态控制子单元的指令，控制电机单元作出相应动作，从而驱动滚轮单元沿内球壳内表面滚动。

其中，所述信息采集模块包括气体传感器、温度传感器、感烟传感器和图像采集器，所述气体传感器、温度传感器和感烟传感器固定于外球壳内表面或内球壳外表面上，所述图像采集器固定于外球壳内表面上，外球壳与图像采集器的固定处设有通孔，以使图像采集器透过通孔采集到外界图像。各个传感器分别采集对应的信息，从而得到全面的环境信息。

本发明所述的勘探系统包括总控机和若干上述的球形勘探机器人，其中，总控机和球形勘探机器人之间、以及球形勘探机器人之间通过无线连接，从而形成一个无线自组织网络。所述总控机包括信号传输模块、信号处理模块、图像显示模块和控制模块，其中，信号传输模块用于向机器人发送控制指令，以及接收机器人传输的数据信息；信号处理模块用于将接收的数据信息进行处理分析，并传输至图像显示模块和控制模块；图像显示模块用于显示信号处理模块传输的数据信息；控制模块用于根据用户操作生成控制指令，并传输至信号传输模块。

有益效果：本发明与现有技术相比，其显著优点是：

1、本发明提供的球形勘探机器人各部件均安装在球壳内部，密闭外壳可以为内部运动结构提供保护，使得机器人自身的安全性和可靠性更高，更适用于电缆通道火情勘查、着火房屋勘探、下水道等等恶劣环境中；本发明通过采用重心驱动模块使得机器人重心偏离，从而带动机器人滚动，由于球体滚动的阻力相对较小，所以本发明具有运动效率高、能量损耗小的特点，而且机器人整体结构简单，成本低廉，控制方便，可以有效地节省开支，适合较大规模地使用。

2、本发明可由操作人员在地面上采用总控机控制个体球形机器人的运动，无需人员进入危险环境中勘查，减少了人员安全隐患，球形机器人到达指定位置后，采集周围环境信息，并通过自组网逐跳发送采集的环境信息至总控机，完成勘探工作，由于通过无线逐跳传输信息，因此本发明在信号微弱的环境中也适用。

附图说明

图1是本发明提供的球形勘探机器人的一个实施例的结构示意图；

图2是图1中控制单元的模块示意图；

图3是本发明提供的球形勘探机器人的另一实施例的结构示意图；

图4是本发明提供的勘探系统中总控机的模块示意图。

具体实施方式

实施例1

本实施例公开了一种球形勘探机器人，如图1所示，包括外球壳1、内球壳2、第一支撑模块3、信息采集模块4、重心驱动模块5和第二支撑模块6。其中，内球壳2位于外球壳1内部，两者球心重合，外球壳2采用防火防水防腐蚀材料制成。第一支撑模块3位于外球壳1和内球壳2之间，第一支撑模块3具体包括两根刚性支撑杆，两根刚性支撑杆的延长线都经过球心，且延长线重合，使得机器人外球壳和内球壳之间的重量分布均匀，从而使得运动时更容易控制方向。信息采集模块4位于外球壳1和内球壳2之间，用于采集机器人所处环境的环境信息，具体包括气体传感器401、温度传感器402、感烟传感器403和图像采集器404，气体传感器401、温度传感器402和感烟传感器403可固定于外球壳1内表面上，也可固定于内球壳2外表面上，图像采集器404固定于外球壳1内表面上，外球壳1与图像采集器404的固定处设有通孔，以使图像采集器404透过通孔采集到外界图像。第二支撑模块6具体为一根刚性支撑杆，其一端与重心驱动模块5连接，另一端与内球壳2内表面接触，且可沿内球壳2内表面滑动。重心驱动模块5一端与第二支撑模块6固定连接，另一端与内球壳2内表面接触。重心驱动模块5包括一个配重块501、一个控制单元502、2个电机单元503和2个滚轮单元504，控制单元502与电机单元503电连接，具体为板状，下面固定有电机单元503和配重块501，配重块501位于2个电机单元503的中心线上，一个电机单元502连接一个滚轮单元504，滚轮单元504与内球壳2内表面接触，信息采集模块4与控制单元502可以采用无线方式连接，也可以采用有线方式连接，优选采用无线方式。重心驱动模块5的中心线和第二支撑模块6的中心线重合，且该中心线经过球心。重心驱动模块5和第二支撑模块6固定为一个整体，在电机单元503驱动滚轮单元504滚动时，第二支撑模块6会沿着内球壳2内表面滑动，机器人重心偏离，带动机器人滚动。

如图2所示，控制单元502具体包括无线传输子单元5021、工作模态控制子单元5022和电机控制子单元5023，无线传输子单元5021具体为基于zigbee芯片的无线传感模块，用于接收自身信息采集模块4发送的环境信息和其他机器人发送的数据信息，该数据信息可能是总控机的控制命令或其他球形机器人采集的环境信息，并按照无线自组网路由协议向其他机器人或总控机进行传输，还用于接收总控机发送的控制指令并传输至工作模态控制子单元，该指令可能是总控机直接发送的，也可能是通过机器人多跳传输来的；工作模态控制子单元5022用于根据接收的控制命令，确定机器人工作模态，并按照确定的工作模态向电机控制子单元发出相应指令，工作模态具体包括：第一个电机单元正转、第二个电机单元停转；第一个电机单元正转、第二个电机单元正转；第一个电机单元正转、第二个电机单元反转；第一个电机单元停转、第二个电机单元正转；第一个电机单元停转、第二个电机单元停转；第一个电机单元停转、第二个电机单元反转；第一个电机单元反转、第二个电机单元正转；第一个电机单元反转、第二个电机单元停转；第一个电机单元反转、第二个电机单元反转。电机控制子单元5023具体为电路板焊接的CMOS模拟开关芯片。用于根据工作模态控制子单元的指令，控制对应的电机单元502作出相应动作。

实施例2

本实施例提供了一种球形勘探机器人，与实施例1不同之处在于：本实施例的第一支撑模块3具体包括4根刚性支撑杆，4根刚性支撑杆均匀放置在外球壳和内球壳之间，且每根刚性支撑杆的延长线都经过球心，使得机器人外球壳和内球壳之间的重量分布均匀，从而使得运动时更容易控制方向。

实施例3

本实施例提供了一种球形勘探机器人，与实施例1不同之处在于：本实施例的第一支撑模块3具体包括8根刚性支撑杆，8根刚性支撑杆均匀放置在外球壳和内球壳之间，且每根刚性支撑杆的延长线都经过球心，使得机器人外球壳和内球壳之间的重量分布均匀，从而使得运动时更容易控制方向。

实施例4

本实施例提供了一种球形勘探机器人，如图3所示，与实施例1不同之处在于：重心驱动模块5包括一个配重块501、一个控制单元502、1个电机单元503和1个滚轮单元504，配重块501、控制单元502、电机单元503和滚轮单元504从上到下依次固定，且四个单元的中心线重合，重量对称分布。控制单元502具体为板状，与电机单元503电连接，电机单元502驱动滚轮单元504，滚轮单元504与内球壳2内表面接触。重心驱动模块5的中心线和第二支撑模块6的中心线重合，且该中心线经过球心。重心驱动模块5和第二支撑模块6固定为一个整体，在电机单元503驱动滚轮单元504滚动时，第二支撑模块6会沿着内球壳2内表面滑动，机器人中心偏离，带动机器人滚动。因为只有一个电机单元和一个滚轮单元，因此，工作模态只有电机单元正转、反转和停止三种情况。

实施例5

本实施例提供了一种球形勘探机器人，与实施例1不同之处在于：重心驱动模块5包括一个配重块501、一个控制单元502、3个电机单元503和3个滚轮单元504，控制单元502与电机单元503电连接，具体为板状，下面固定有电机单元503和配重块501，配重块501位于3个电机单元503所形成的正三角形的中心点上，一个电机单元502连接一个滚轮单元504，滚轮单元504与内球壳2内表面接触。重心驱动模块5的中心线和第二支撑模块6的中心线重合，且该中心线经过球心。重心驱动模块5和第二支撑模块6固定为一个整体，在电机单元503驱动滚轮单元504滚动时，第二支撑模块6会沿着内球壳2内表面滑动，机器人中心偏离，带动机器人滚动。因为有3个电机单元和3个滚轮单元，因此，按照每个电机单元可以单独正转、反转和停止3种工作方式，那么工作模态有3*3*3＝27种。

实施例6

本实施例提供了一种基于球形勘探机器人的勘探系统，包括总控机7和若干实施例1到5中任意一种的球形勘探机器人，如图4所示，总控机7包括信号传输模块701、信号处理模块702、图像显示模块703和控制模块704，其中，信号传输模块701具体为基于ZIGBEE芯片的无线传感模块，如EM260，用于向机器人发送控制指令，以及接收机器人传输的数据信息，数据信息包括位置信息和勘探的环境信息，通过总控机7的ZIGBEE芯片和机器人的ZIGBEE芯片，使得总控机7和多个机器人形成一个自组织网络，在传输数据时，可以通过多跳实现较长距离的数据传输，适用于信号微弱的环境中；信号处理模块702用于将接收的数据信息进行处理分析，并传输至图像显示模块和控制模块，具体可以是具有数据分析功能的zigebee芯片或单片机芯片，例如cc2530、MCU芯片；图像显示模块703用于显示信号处理模块传输的数据信息；控制模块704用于根据用户操作生成控制指令，并传输至信号传输模块，可以为基于ZIGBEE芯片的无线传感模块，如EM260。

本实施例的勘探系统工作过程如下所示：

1)总控机向机器人群组发射运动控制指令和环境信息采集类型；

2)机器人进入所需勘探环境中，当机器人运行范围接近脱离总控机控制范围时，机器人开始自组网，临近机器人之间相互传递数据，通过多跳最终传输到目的机器人；

3)采集信息的机器人采集所需环境信息，向附近机器人进行数据交换；

4)附近机器人通过多跳最终反馈数据至总控机，总控机处通过采集的环境信息判定环境情况。

以上所揭露的仅为本发明的较佳实施例而已，不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (7)

1.一种球形勘探机器人，其特征在于：包括外球壳(1)、内球壳(2)、第一支撑模块(3)、信息采集模块(4)、重心驱动模块(5)和第二支撑模块(6)，其中，所述内球壳(2)位于外球壳(1)内部，所述第一支撑模块(3)和所述信息采集模块(4)位于外球壳(1)和内球壳(2)之间，所述第一支撑模块(3)支撑连接外球壳(1)和内球壳(2)，所述第二支撑模块(6)上端与内球壳(2)内表面接触，且可沿内球壳(2)内表面滑动，下端与所述重心驱动模块(5)的上端连接，所述重心驱动模块(5)下端与内球壳(2)内表面接触，所述重心驱动模块(5)用于接收信息采集模块(4)采集的环境信息和其他机器人发送的数据信息，并采用无线自组织网络路由协议将接收的信息向其他机器人或总控机进行传输，以及接收总控机发送的控制指令，并按照控制指令沿内球壳内表面运动。

2.根据权利要求1所述的球形勘探机器人，其特征在于：所述重心驱动模块(5)包括配重块(501)、控制单元(502)、若干电机单元(503)和若干滚轮单元(504)，所述配重块(501)或所述控制单元(502)与所述第二支撑模块(6)下端固定，所述配重块(501)位于重心驱动模块(5)的中心线上，所述控制单元(502)与所述电机单元(503)电连接，所述滚轮单元(504)与所述内球壳(2)内表面接触，一个电机单元(503)连接一个滚轮单元(504)，用于驱动对应的滚轮单元(504)进行滚动。

3.根据权利要求2所述的球形勘探机器人，其特征在于：所述控制单元(502)具体包括：

无线传输子单元(5021)，用于接收信息采集模块(4)发送的环境信息和其他机器人发送的数据信息，并采用无线自组织网络路由协议将接收的信息向其他机器人或总控机进行传输，还用于接收总控机发送的控制指令并传输至工作模态控制子单元；

工作模态控制子单元(5022)，用于根据接收的控制命令，确定机器人工作模态，并按照确定的工作模态向电机控制子单元发出相应指令；

电机控制子单元(5023)，用于根据工作模态控制子单元的指令，控制电机单元(502)作出相应动作。

4.根据权利要求1所述的球形勘探机器人，其特征在于：所述信息采集模块(4)包括气体传感器(401)、温度传感器(402)、感烟传感器(403)和图像采集器(404)，所述气体传感器(401)、温度传感器(402)和感烟传感器(403)固定于外球壳(1)内表面或内球壳(2)外表面上，所述图像采集器(404)固定于外球壳(1)内表面上，外球壳(1)于图像采集器(404)的固定处设有通孔，以使图像采集器(404)透过通孔采集到外界图像。

5.根据权利要求1所述的球形勘探机器人，其特征在于：所述第一支撑模块(3)包括多根刚性支撑杆，刚性支撑杆的一端固定在内球壳(2)外表面，另一端固定在外球壳(1)内表面，所述第二支撑模块(6)具体为一根刚性支撑杆。

6.一种基于权利要求1所述的球形勘探机器人的勘探系统，其特征在于：包括总控机(7)和若干权利要求1所述的球形勘探机器人，其中，总控机(7)和球形勘探机器人之间、以及球形勘探机器人之间通过无线连接，形成一个无线自组织网络。

7.根据权利要求6所述的勘探系统，其特征在于：所述总控机(7)包括：

信号传输模块(701)，用于向机器人发送控制指令，以及接收机器人传输的数据信息；

信号处理模块(702)，用于将接收的数据信息进行处理分析，并传输至图像显示模块(703)和控制模块(704)；

图像显示模块(703)，用于显示信号处理模块(702)传输的数据信息；

控制模块(704)，用于根据用户操作生成控制指令，并传输至信号传输模块(701)。