CN110170978A - 一种全向机械臂危险勘测机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全向机械臂危险勘测机器人，包括至少三个麦克纳姆轮(10)、多自由度机械臂(20)、探测摄像头系统(30)、环境监测传感器、远程通讯模块(40)和环境监测上位机；多自由度机械臂(20)的底部连接麦克纳姆轮(10)，多自由度机械臂(20)上设置探测摄像系统和环境监测传感器；探测摄像头系统(30)和环境监测传感器分别与远程通讯模块(40)连接；远程通讯模块(40)和环境监测上位机远程通讯。相比于传统的舵机打转控制角度而言，本发明不需要舵机实现转向，可以实现前后、左右、斜行、旋转及其组合等运动方式，灵活方便，适用于狭窄的工作环境中，本发明具有运行效率稿，能量损耗低等优点。

Description

一种全向机械臂危险勘测机器人

技术领域

本发明涉及机械技术领域，尤其涉及一种全向机械臂危险勘测机器人。

背景技术

随着科技的进步，当代社会就是数字化信息充斥着的时代，信息的获取就显得尤为的重要，但是在环境信息的获取上仍然有许多因素干扰信息获取的可靠性，甚至会危害我们的生命。

当我们要勘测一些狭窄，未知地区内部具体情形时，人不便于进入或进入不了，这时环境信息的获取就显得极为困难；当我们在灾害现场(地震，化学品泄漏等)，危险不能完全排除，但又要及时获取现场内部情况信息时，信息的获取就会显得尤为棘手；当我们要长时间监测一块巨大区域的环境情况，而如果区域的环境非常恶劣(不适于人长时间滞留)，那么对人的要求就显得非常高。例如，当我们对化工厂设备进行常规巡检时，设备周围或多或少会挥发有毒气体，长期下来会危害人体健康，因此可以使用该产品代替工作人员进行常规巡检，及时观察到设备故障；当我们在化工厂仓库里，许多化学物品密集堆积，其中包括了易燃易爆物品，一旦发生意外后果不堪设想，使用该产品可以从底部观察产品是否发生泄露、腐蚀、冒烟等情况，一旦出现异常可以遥控机械臂进行及时的必要处理，既能保护人的安全也能将财物损失最小化。

另一个应用场景是，长期以来，由于历史和现实的种种原因，我国的城市地下管线建设与管理滞后于城市建设的总体水平，地下管线事故频发，安全隐患突出，严重影响了整个城市的正常运作秩序并威胁着人民群众的生命财产安全。每年死伤于因管道事故的人数多达上千人，因此造成的直接经济损失多达数十亿元，间接经济损失更是超过数百亿元。

因此，对于管道的监察维护的必要更加明确，全向机械臂危险勘测机器人可以代替工作人员进去狭窄的管道环境中进行实地监察，建立危险环境的实景重现，可以及时、准确的观察到管道的异常情况，并且及时维护隐患情况，以减少事故爆发，保护居民的生命财产安全。并且，通过无线中继的原理，机器人可实现远距离WI-FI图像的稳定传输，对于控制端预测险情以及措施安排提供了第一手的信息，车轮通过遥控器控制灵活运转，无需改变自身方向而可以实现监测车转向。应用场景：城市综合管廊如图6a所示。

地下综合管廊专指用于城市地下集中敷设的电力、有线广播电视、通信、给水、排水、燃气、热力等市政管理的公共隧道，如图6b所示。我国正处在城镇化快速发展时期,但地下基础设施的建设并未能跟上经济发展脚步。有效推进城市地下综合管廊建设,统筹各类市政管线规划、建设和管理,解决反复开挖路面、架空线网密集、管线事故频发等问题,有利于保障城市安全、完善城市功能、美化城市景观、促进城市集约高效和转型发展,有利于提高城市综合承载能力和城镇化发展质量,有利于增加公共产品有效投资、拉动社会资本投入、打造经济发展新动力。

青岛有国内最长的综合管沟，宽度可达到3.7米，在管廊内部甚至能走车，管廊内灯光辉煌，安防、消防等系统一应俱全，有200多个摄像头以及近400个消防报警装置分布在55公里的管廊内，近60万公里的感温线同样分布在管廊内壁上，管廊内一旦出现异常情况，监控室值班人员都会快速做出反映，以最快的速度联系相关单位抢修或处置。

发明内容

目前市场环境探测机器人车轮多采用舵机控制转向的车轮，但对于环境狭小，运转空间有 限的工作条件下，本发明采用在不需要舵机转角的情况下可实现全方位移动的麦克纳姆轮(如 图2a)，滚子与轮子轴线之间为45度，各个轮子都拥有三个自由度，分别绕轮子轴中心运动， 可灵活移动。最终通过无线遥控器来控制探测车行进。

本发明提出了一种全向机械臂危险勘测机器人，包括：至少三个麦克纳姆轮、多自由度机械臂、探测摄像头系统、环境监测传感器、远程通讯模块和环境监测上位机；所述多自由度机械臂的底部连接所述麦克纳姆轮，所述多自由度机械臂上设置所述探测摄像系统和所述环境监测传感器；所述探测摄像头系统和所述环境监测传感器分别与所述远程通讯模块连接；所述远程通讯模块和所述环境监测上位机远程通讯。

本发明提出的所述全向机械臂危险勘测机器人中，所述多自由度机械臂包括：合金机械爪、铝合金支架、金属旋转底座以及控制电路板；所述金属旋转底座的底部与所述麦克纳姆轮连接，所述控制电路板装安装在所述金属旋转底座中；所述铝合金支架安装在所述金属旋转底座的表面并向上可伸缩的延伸；所述合金机械爪安装在所述铝合金支架的末端；所述合金机械爪、所述铝合金支架、所述金属旋转底座和所述控制电路板均与所述控制电路板线路连接。

本发明提出的所述全向机械臂危险勘测机器人中，所述金属旋转底座由圆形支架构成，所述支架中间安放旋转电机，所述旋转电机由所述控制电路板控制。

本发明提出的所述全向机械臂危险勘测机器人中，所述铝合金支架包括：至少两件支架，每两节支架之间连接一舵机，所述舵机由所述控制电路板控制，用于完成一个自由度的旋转。

本发明提出的所述全向机械臂危险勘测机器人中，所述合金机械爪的两个爪体连接到同一个舵机，所述舵机由所述控制电路板控制，用于控制机械臂两个爪体的开合和旋转角度。

本发明提出的所述全向机械臂危险勘测机器人中，所述探测摄像头系统安装在所述金属旋转底座上并与所述合金机械爪同步旋转。

本发明提出的所述全向机械臂危险勘测机器人中，所述探测摄像头系统为由两个广角摄像头构成的双目立体视觉摄像头系统。

本发明提出的所述全向机械臂危险勘测机器人中，所述环境监测传感器包括：一氧化碳传感器模块、天然气传感器、温度传感器。

本发明提出的所述全向机械臂危险勘测机器人中，所述远程通讯模块包括第一收发模块、第二收发模块以及两个收发模块之间的至少一个无线中继模块；所述无线中继模块用于无线通信的中继传输。

本发明提出的所述全向机械臂危险勘测机器人中，还包括一个遥控装置，所述遥控装置通过所述远程通讯模块与所述控制电路板通讯。

多自由度机械臂(图2b)具有工作效率高，重复精度好，功能强大等优点，在生产加工、服务运输等领域广泛应用，但由于固定在操作台上的机械臂的工作空间十分有限，极大地制约了机械臂的拓展功能。反之，固定在机械体上的移动机械臂的结构使传统的机械臂拥有了几乎无限大的工作空间和高度的运动冗余性，使其能在更短的时间内，以更优的位姿完成更大范围内的任务。

机械臂连接部分由六个数字舵机相连，作为自由度的控制元件，可以覆盖所在三维空间的三个自由度，在机器人行进方面采用麦克纳姆轮，可以实现平面的全向前进，从而使得机械臂具有几乎无限大的工作空间和高度的运动冗余性，可以在所在空间进行全方位的操作。

采用双目立体视觉的探测摄像头系统(图2c)可以获得物体深度信息，在操作上仪器放置两个广角摄像头同时采集画面，可以构建类似动物的视觉系统来的恢复场景的信息，相比于单一摄像头的平面信息采集，本发明便于系统更加精确具体地反馈观察环境的真实情况。

如图11所示，P是待测物体上的某一点，OR与OT分别是两个摄像头的光心，点P在两个摄像头感光器上的成像点分别为P和P’(相机的成像平面经过旋转后放在了镜头前方)，f为相机焦距，B为两相机中心距，Z为我们想求得的深度信息，设点P到点P’的距离为dis，则：

dis＝B-(X_R-X_T)

根据相似三角形原理：

深度信息Z可表示为：

本发明的设计亮点：

1、车轮采用麦克纳姆轮，不需要舵机实现转向，可以实现前后、左右、斜行、旋转及其组合等运动方式，灵活方便，适用于运转空间有限，狭窄的工作环境中。相比于传统的舵机打转控制角度来说，提高运行效率，以及节约能量损耗。

麦克纳姆轮为现有技术。麦克纳姆轮的滚子与轮子轴线之间为45度，各个轮子都拥有三个自由度，分别绕轮子轴中心运动，可灵活移动。

车轮旋转时，这些滚子与地面接触，地面会给车轮与转轴夹产生一个45度角的摩擦力。这个摩擦力可分解为X分量与Y分量，然后通过调整每一个车轮的运动方向或状态，从而改变XY分量力的大小和方向，让车子做各种方式的移动。因此，由四个这种轮加以组合,可以使机构实现全方位移动功能。基于麦克纳姆轮的全方位车辆通常采用如图10a所示最优结构布置形式。

机器人轮胎采用的是麦克纳姆轮，可实现全方位移动。采用麦克纳姆轮的全方位移动机构运动非常灵活,能够实现不改变车轮自身的方向，在二维平面上，从现在位置移动到任意方向目的地上。该特性在一些场合有显著的需求和优越性：如在一些需要定点定时的探索和要求进行细节勘察的场合,利用全方位移动机构的特点，实现对车身所处的位置进行小动作的调整将带来极大便利。另外,在路况复杂或较狭窄的场所工作时,全方位移动机构更是因其可全方位自由移动，能够随意穿梭显得尤为重要。本发明在设计之前先通过Solid Works进行了麦克纳姆轮的全方位机器人的建模，如图4所示，并且进行了可行性分析，确保了方案的实际可行。全方位移动机构运动非常灵活,可在二维平面上从现在位置向任意方向运动而不需要车体改变姿态。在一些特定场合有明显的优越性：如在较狭窄或路况复杂的场所工作时,全方位移动机构因其回转半径为零而可以灵活自由的穿行。另外,在许多需要精确定位探索和高精度勘察的时候,也需要利用全方位移动机构的特点对自己所处的位置进行细微的调整。

由于全方位机器人的进退横移以及转向都依靠四个电机的正反转来实现，该车轮的移动依靠于许多分布在轮轴四周的中心轮，它们的受力情况不同于以往车轮单一作用力，而是成角度地把一部分的车轮转向力分到一个车轮的法向力上。只要改变各自车轮的速度和方向，每一车轮的两个力就能够合成任何希望方向上的一个合力矢量，从而实现这个平台不改变车轮自身的方向，但又能在我们所希望的运动方向上进行自由地移动。相比于传统车轮靠舵机打转，麦克纳姆轮的运转灵活，结构紧凑的优势在狭小环境监测中得到了突出体现。

本发明中4个电机之间的联动如下：

1、前进后退。四个车轮朝同一个方向旋转，而四个车轮的合力便指向前进或后退的方向，如图10b所示。

2、左右横移。四个车轮朝不同方向转动时，四个车轮的合力便指向左右方向，车辆即可进行横移，如图10c所示。

3、斜向行驶。当车辆对角的两个车轮保持旋转，其他两个保持静止时，整车即可朝某一个角度移动，如图10d所示。

4、360度旋转。当车辆两侧轮胎相反转动时，可以实现原地360度旋转的功能，如图10e所示。

全方位移动机构运动非常灵活,可在二维平面上从现在位置向任意方向运动而不需要车体改变姿态。在一些特定场合有明显的优越性：如在较狭窄或路况复杂的场所工作时,全方位移动机构因其回转半径为零而可以灵活自由的穿行。另外,在许多需要精确定位探索和高精度勘察的时候,也需要利用全方位移动机构的特点对自己所处的位置进行细微的调整。

对于电机的控制是整车控制的基础和灵魂，一个安全、灵敏的驱动电路对于其正常行驶来说是不可或缺的，电机驱动部分的H桥电路，如图3所示，可使其连接的负载或输出端两端电压反相，专用于直流电动机的顺反向控制。一个H桥有四个开关器件，当开关S1和S4闭合时，开关S2和S3断开，此时中间桥接的直流电动机两端加上正向电压正转工作。当S1、S4断开，同时闭合S2、S3时，电动机两端电压反相，使电动机反转工作。

在正常工作情况下，一个并联支路侧的开关S1、S2不可能同时闭合，同样另一侧支路的开关S3、S4也是如此。一旦某一侧支路的开关同时闭合，会直接将供电电源的正负两极短路，造成严重的危险。

2、探测镜头采用双目立体视觉技术，模拟人的眼睛，使用两个广角摄像头同时采集画面，相比于单一摄像头进行的平面采集，具有高效、高精度、返回实景的深度信息等特点，采集到的画面可以实时传送回使用者端便于对环境进行全方位的观察和了解。

画面是通过WI-FI无线中继传送回使用者端。由于供电电源、耗能等问题，我们所选用的无线模块只具备与一般家用路由相当的覆盖范围和穿墙能力，无法直接进行远距离的数据传输，同时，又考虑到现在工厂、公司等地方wifi覆盖已经相当普及，为解决这一问题，我们借助了无线路由的无线中继功能，利用无线AP在网络连接中起到中继的作用，实现信号的中继和放大，从而延伸无线网络的覆盖范围。

所谓无线中继，可以通俗地理解为在一片广阔或有阻挡的区域内，为了实现网络的全覆盖，我们在适当的位置安装多个路由器，但只有一个是直接接入网络，而其它的只需要接上电源，关闭路由器的路由功能，只充当无线网络信号的中继器作用，进而将无线信号传输范围扩大，具体实现如图7所示。

在我们的无线分布系统(WDS)中，四目立体呈像传感器是作为数据源，将视频流传输给无线路由器，路由器再作为中继器将数据原原本本的转发出去，如此一来，无线覆盖范围就扩大了许多，如果还是没能满足我们的使用需求，还可以再添加一个或多个路由器作为中继器，或者直接接入已有的无线网络，实现无死角覆盖。

3、将全方位移动平台和机械臂的结合以后，移动机械臂的结构使机器人具有更大的工作空间和更高的灵活性，可以通过遥控控制，有效地对机械臂末端执行器定位，并进行操作。全方位移动机械臂相对于一般的移动机械臂，具有了全方位移动能力，可在较狭窄或拥挤的工作场所中自如地操作和能更好地控制机械臂的操作姿态与操作精度。

机械臂具有六个数字舵机相连，作为自由度的控制元件，所有舵机连接到控制电路板；装载麦克纳姆轮的四个车轮电机同样由处理器连接到控制电路板，这两个部分因此可以由处理器统一进行控制。处理器连接遥控信号接受模块，接受操作者的遥控信号。

本发明作为一种地下管路安全维护探测工具，主要应用于监察地下管道是否发生腐蚀、泄露、破裂等一系类异常状况，降低有害物质或有毒气体泄露或爆炸的发生，尽量避免危害居民和工作人员生命财产安全。

通过权威数据库统计，近十年我国管道覆盖率如图6c。

随着我国城市化进程加深，管道铺设范围的扩张是个必然趋势，代替工作人员对于已经建好的管道进行维护监察的需求也将越来越大，因此本发明的市场广阔，需求量将会很大。

通过数据库统计，近十年我国管道较大及以上事故爆发数如图6d。

由图中数据可看出近十年来每年管道事故的发生次数居高不下，其中较大及以上的管道事故是指有造成人员伤亡的化工事故，因此我们应该尽快采取措施尽量保护管道巡检人员和城市居民的生命财产安全。

通过数据库统计，管道事故的原因类型以及比重如图6e：

全向机械臂危险勘测机器人可以代替人检查管道因为腐蚀穿孔以及焊缝开裂引起的管道事故，减少有毒气体挥发对人体的损害，避免易爆易燃物质造成的人员伤亡。

移动机械臂具有多自由度的工作空间和高度的运动冗余性，同时配备操作功能，使其能在更短的时间内，以更优的位姿完成更大范围内的紧急排查任务；双目视觉系统可以进行实地景观的三维重建，场景深度信息还原符合化工作业精确严密的要求；麦克拉姆轮可以节约操作空间，运转灵活，对于运转空间狭小，操作场所有限的地方十分合适。管道事故造成的人员伤亡依旧惨重，使用全向机械臂危险勘测机器人代替人类巡逻检查，保护人类安全，是未来智能化、自动化的主流趋势。

针对上述情况，全向机械臂危险勘测机器人利用双目立体视觉系统有效实时的深度还原图像，观察危险环境的当前状况，将机器的视角完美的呈现在操作者眼前。针对狭小以及危险的空间，机器人可以在不改变车轮自身方向下灵活移动，可以实现前移、横移、斜移、原地打转的效果，车身上加载的机械臂，可以通过控制端遥控进行实时控制，有效地对机械臂末端执行器定位，并进行必要的危险排除操作。在具有Wi-Fi热点的环境里，勘测车获取的环境图像还可以通过Wi-Fi传输，用移动端App接收，将使环境信息迅捷、准确地反馈到控制端，获取危险源以及环境的实时变化来决定下一步对险情的人为干预方案。

产品核心价值：基于“安全准确”概念，针对危险环境状况监测装置。产品减少了诸多因素对环境信息的获取的不利影响，使信息的获取更加便利，安全，高效且及时。

产品附加价值：外加功能，除了传输图像，还可以监测温度，气压，湿度等特定环境属性。

本发明创新研发过程中：

1、车轮采用麦克纳姆轮，不需要舵机实现转向，可以实现前后、左右、斜行、旋转及其组合等运动方式，灵活方便，适用于运转空间有限，狭窄的工作环境中。相比于传统的舵机打转控制角度来说，提高运行效率，以及节约能量损耗。

2、探测镜头采用双目立体视觉技术，模拟人的眼睛，使用两个广角摄像头同时采集画面，相比于单一摄像头进行的平面采集，具有高效、高精度、返回实景的深度信息等特点，在具有 Wi-Fi热点的环境里，采集到的画面可以通过Wi-Fi传输，用移动端App接收实时传送回使用者端便于对环境进行全方位的观察和了解。

3、将全方位移动平台和机械臂的结合以后，移动机械臂的结构使机器人具有更大的工作空间和更高的灵活性，可以通过遥控控制，有效地对机械臂末端执行器定位，并进行操作。全方位移动机械臂相对于一般的移动机械臂，具有了全方位移动能力，可在较狭窄或拥挤的工作场所中自如地操作和能更好地控制机械臂的操作姿态与操作精度。

4、机器人携带的环境监测传感器，可以将使环境信息迅捷、准确地反馈到控制端的上位机，获取危险源以及环境的实时变化来决定下一步对险情的人为干预方案。上位机实现了车载传感器数据的实时显示及方便用户远距离对现场进行监控。我们借助LabVIEW软件开发了一个简单的实时参数显示及报警系统。该上位机有三个波形图表，分别用于显示MQ-4(天然气检测传感器)，MQ-9(一氧化碳检测传感器)及温度传感器的数据波动情况，而左侧控制选项处可以进行报警阀值的设定，历史记录显示与查询等，当出现危险状况时，总报警指示灯会亮同时相应项目也会亮灯报警。

附图说明

图1a-1b是本发明全向机械臂危险勘测机器人的结构示意图。

图2a是本发明中麦克纳姆轮的结构示意图。

图2b是本发明机械臂的结构示意图。

图2c是本发明立体视觉系统的结构示意图。

图3是本发明中H桥电路。

图4是本发明麦克纳姆轮全方位车辆建模示意图。

图5a是本发明电机驱动原理图。

图5b是本发明电机驱动PCB电路板。

图6a城市综合管廊示意图。

图6b地下综合管廊与城市示意图。

图6c是管道覆盖率示意图。

图6d是事故爆发数示意图。

图6e是管道事故的原因类型以及比重图。

图7是WI-FI无线中继的实现示意图。

图8是MQ-4天然气传感器示意图。

图9是报警系统界面示意图。

图10a是麦克纳姆轮的全方位车辆最优结构布置形式的示意图。。

图10b是前进车轮受力的示意图。

图10c是右横移车轮受力的示意图。

图10d是左后横移车轮受力的示意图。

图10e是顺时针转动车轮受力的示意图。

图11是双目立体视觉的原理图。

具体实施方式

结合以下具体实施例和附图，对发明作进一步的详细说明。实施本发明的过程、条件、实验方法等，除以下专门提及的内容之外，均为本领域的普遍知识和公知常识，本发明没有特别限制内容。

如图1a到图11所示，一种全向机械臂危险勘测机器人，包括：至少三个麦克纳姆轮10、多自由度机械臂20、探测摄像头系统30、环境监测传感器、远程通讯模块40和环境监测上位机；所述多自由度机械臂20的底部连接所述麦克纳姆轮10，所述多自由度机械臂20上设置所述探测摄像系统和所述环境监测传感器；所述探测摄像头系统30和所述环境监测传感器分别与所述远程通讯模块40连接；所述远程通讯模块40和所述环境监测上位机远程通讯。

更为具体的，所述多自由度机械臂20包括：合金机械爪21、铝合金支架22、金属旋转底座23以及控制电路板；所述金属旋转底座23的底部与所述麦克纳姆轮10连接，所述控制电路板装安装在所述金属旋转底座23中；所述铝合金支架22安装在所述金属旋转底座23的表面并向上可伸缩的延伸；所述合金机械爪21安装在所述铝合金支架22的末端；所述合金机械爪21、所述铝合金支架22、所述金属旋转底座23和所述控制电路板均与所述控制电路板线路连接。

更为具体的，所述金属旋转底座23由圆形支架构成，所述支架中间安放旋转电机，所述旋转电机由所述控制电路板控制。

更为具体的，所述铝合金支架22包括：至少两件支架，每两节支架之间连接一舵机，所述舵机由所述控制电路板控制，用于完成一个自由度的旋转。

更为具体的，所述合金机械爪21的两个爪体连接到同一个舵机，所述舵机由所述控制电路板控制，用于控制机械臂两个爪体的开合和旋转角度。

更为具体的，所述探测摄像头系统30安装在所述金属旋转底座23上并与所述合金机械爪21同步旋转。

更为具体的，所述探测摄像头系统30为由两个广角摄像头构成的双目立体视觉摄像头系统。

更为具体的，所述环境监测传感器包括：一氧化碳传感器模块、天然气传感器、温度传感器。

更为具体的，所述远程通讯模块40包括第一收发模块41、第二收发模块42以及两个收发模块之间的至少一个无线中继模块43；所述无线中继模块43用于无线通信的中继传输。

更为具体的，还包括一个遥控装置，所述遥控装置通过所述远程通讯模块40与所述控制电路板通讯。

产品设计细节

英飞凌公司生产的LR7843是一种N沟道MOSFET，其导通电阻仅为3.3mΩ，不足BTN7971 的四分之一。用四片LR7843组成H桥电路来驱动电机时，直流电动机转速降落不明显，驱动电路效率较高，能够最大限度地发挥电机性能。

HIP4086是三相桥式N通道MOS管驱动器集成电路，特别针对于脉宽调制电动机控制，它可以独立驱动4个N沟道MOSFET在全桥的配置状态，并具有0.1—4.5μs的用户可编程死区时间，防止同臂导通。微处理器将PWM波信号输入驱动芯片HIP4082，通过改变占空比来控制 MOSFET在单个周期内的开闭时间，从而控制平衡车电机的转速快慢。将微处理器的PWM波信号在HIP4086反转输入信号脚进行输入，正转输入信号接地置零，即可以控制电机实现反转。最终电机驱动电路图，如图5a所示。本发明采用Altium Designer自行设计了电机驱动PCB电路板，如图5b所示，进行公司印刷以后，测试实际可行，效果良好。

全向机械臂危险勘测机器人的行进应该能够受到操作者的实时控制比较妥当。在路况不确定的一些场景中，模式识别技术并未发展到能够自适应的高度，因此容易造成场景的误判。此时的探测车轻则迷失方向，不能按预定道路行进；重则直接驶入危险地带，造成车辆损毁。于是，本设计采用了遥控器，通过无线模块连接Arduino芯片，对探测车的电机进行控制。这样便实现了操作者实时控制探测车的行进以及探测的功能。

通过无线遥控器连接Cortex-M4系列芯片，其高精度高速的AD，可以有效的采集传感器模拟参数；每个IO都可以设置为中断触发源，为智能车硬件设计提供更大的灵活性；FTM模块可以提供PWM通道，用于控制电机；K60的PIT模块实现周期性中断，提供时间基准，或者与LPTMR 模块的脉冲累加功能实现速度测量；K60使用ARM Cortex-M4的核，具有1.25DMIPS/MHz的运算能力，另外还有单时钟周期乘法累加(MAC)单元，优化的单指令多数据(SIMD)指令、饱和运算指令等，使更加复杂的处理算法的实现成为可能。对探测车的电机进行控制。这样便实现了良好的用户实时体验以及控制探测车的行进探测的功能。本设计采用遥控器对探测车进行控制。

摄像头采用立体视觉系统，由两个个广角摄像头，获得的图像进行分析、观察，建立空间全景图，能使我们可以获得显著的深度感，进而深度还原场景信息。与单个镜头采集到的单一平面场景相比，该视觉系统还原的3D真实场景会带给用户更明确的现场信息。全向机械臂危险勘测机器人自行设计了图像显示App，进行实时环境图像的显示。

机械臂的主控芯片为STM32，该系列芯片是意法半导体(ST)公司出品，其内核是Cortex-M3，采用LQFP64、LQFP100和LFBGA100三种封装，不同的封装保持引脚排列一致性，结合STM32 平台的设计理念，开发人员通过选择产品可重新优化功能、存储器、性能和引脚数量，以最小的硬件变化来满足个性化的应用需求。机械臂舵机控制软件，舵机中爪子部分采用的是耐烧舵机TBSN-K15，其余五个臂部舵机全部采用TBS2701。舵机打转的原理是通过PWM的占空比来控制的，一般周期20ms，高电平0.5～2ms。0.5ms高电平的话转90°，1ms高电平转180°，1.5ms 高电平转270°，2ms高电平转360°。

脉冲宽度调制模式可以产生一个由TIMx_ARR寄存器确定频率、由TIMx_CCRx寄存器确定占空比的信号。在TIMx_CCMRx寄存器中的OCxM位写入’110’(PWM模式1)或’111’(PWM模式 2)，能够独立地设置每个OCx输出通道产生一路PWM。必须设置TIMx_CCMRx寄存器OCxPE位以使能相应的预装载寄存器，最后还要设置

TIMx_CR1寄存器的ARPE位，(在向上计数或中心对称模式中)使能自动重装载的预装载寄存器。

机械臂遥控信号传输，数字摇杆手柄使用SPI串行通信与上位机进行通讯(在通讯过程中的角色为：下位机)，而AVR单片机集成了SPI串行总线。这可以很方便地使用单片机的硬件资源实现单片机与数据摇杆手柄之间的通讯，而非使用软件模拟来实现单片机读取数字摇杆手柄。这不仅提高了程序运行的效率、运行的稳定，并且也使得程序更简短。

当主机想读取手柄的数据时，将会拉低ATT电平，并发出一个开始命令0x01。手柄将会回复它的ID：0x41(数字)、0x73(模拟红灯)等等。在手柄发送ID的同时，主机将发送0x42 命令请求数据，随后将命令线空闲并等待手柄发送“准备好了”0x5A的命令。以上是主机读取手柄键码数据的初始化阶段，接着手柄就会发送它所有的数据字节(数字手柄只有两个字节)。在最后字节发送后将ATT电平拉高，手柄无须ACK应答。

WI-FI无线中继：由于供电电源、耗能等问题，我们所选用的无线模块只具备与一般家用路由相当的覆盖范围和穿墙能力，无法直接进行远距离的数据传输，同时，又考虑到现在工厂、公司等地方wifi覆盖已经相当普及，为解决这一问题，我们借助了无线路由的无线中继功能，利用无线AP在网络连接中起到中继的作用，实现信号的中继和放大，从而延伸无线网络的覆盖范围。

所谓无线中继，可以通俗地理解为在一片广阔或有阻挡的区域内，为了实现网络的全覆盖，我们在适当的位置安装多个路由器，但只有一个是直接接入网络，而其它的只需要接上电源，关闭路由器的路由功能，只充当无线网络信号的中继器作用，进而将无线信号传输范围扩大，具体实现如图7所示。

在我们的无线分布系统(WDS)中，四目立体呈像传感器是作为数据源，将视频流传输给无线路由器，路由器再作为中继器将数据原原本本的转发出去，如此一来，无线覆盖范围就扩大了许多，如果还是没能满足我们的使用需求，还可以再添加一个或多个路由器作为中继器，或者直接接入已有的无线网络，实现无死角覆盖。

环境监测传感器

MQ-3酒精乙醇传感器是一种酒精气体检测电路模块，适用于监测家庭或工厂的酒精气体，测试范围在10至1000ppm，对乙醇蒸汽检测有较好的灵敏度。如图8所示，传感器由5V供电，模拟量输出0～5V电压，浓度越高电压越高，具有信号输出指示，双路信号输出(模拟量输出及TTL电平输出)，具有长期的使用寿命和可靠的稳定性以及快速的响应恢复特性，适合危险环境的工业勘探以及数据记录。

LabVIEW软件上位机：LabVIEW是一种程序开发环境，由美国国家仪器(NI)公司研制开发，类似于C和BASIC开发环境，但是LabVIEW与其他计算机语言的显著区别是：其他计算机语言都是采用基于文本的语言产生代码，而LabVIEW使用的是图形化编辑语言G编写程序，产生的程序是框图的形式。

为了实现车载传感器数据的实时显示及方便用户远距离对现场进行监控，我们有必要为用户提供一套实时参数显示及监控系统。为此，我们借助LabVIEW软件开发了一个简单的实时参数显示及报警系统，系统界面如图9所示。该上位机有三个波形图表，分别用于显示MQ-4(天然气检测传感器)，MQ-9(一氧化碳检测传感器)及温度传感器的数据波动情况，而左侧控制选项处可以进行报警阀值的设定，历史记录显示与查询等，当出现危险状况时，总报警指示灯会亮同时相应项目也会亮灯报警。

实施例功能测试

1.1遥控信号稳定性测试

测试当用户遥控勘测车到一定距离，如几百米范围以后，小车是否能接受信号。测试结果如以下表1所示。

表1遥控信号稳定性测试结果

遥控与小车的距离	遥控信号是否覆盖
		100米	是
300米	是
		500米	是
800米	是
		900米	是
1000米	不稳定
		1500米	否

1.2 WiFi传输距离测试

测试单个路由器中继下手机端接收图像信号强弱情况如以下表2所示。

表2手机端接收图像信号稳定性测试结果

手机端与小车的距离	图像是否稳定
		20米	稳定
50米	稳定
		80米	稳定
100米	稳定
		150米	不稳定

1.3勘测车环境适应测试

测试当勘测车在不同的环境下，是否依旧可以稳定工作，遇到恶劣环境是否可以规避一系列的潜在问题，并提出可能的解决方案，解决方案如以下表3所示。

表3潜在问题解决方案表

预设环境	图像是否清晰呈现
		高温(60度)	是
低温(0度)	是
		雾气	略微模糊
黑暗	补光灯情况下清晰

1.4产品设备总表

表4显示的是本实施例中所需硬件的详细属性表。

表4设备总表

本发明的保护内容不局限于以上实施例。在不背离发明构思的精神和范围下，本领域技术人员能够想到的变化和优点都被包括在本发明中，并且以所附的权利要求书为保护范围。

Claims (10)

1.一种全向机械臂危险勘测机器人，其特征在于，包括：至少三个麦克纳姆轮(10)、多自由度机械臂(20)、探测摄像头系统(30)、环境监测传感器、远程通讯模块(40)和环境监测上位机；所述多自由度机械臂(20)的底部连接所述麦克纳姆轮(10)，所述多自由度机械臂(20)上设置所述探测摄像系统和所述环境监测传感器；所述探测摄像头系统(30)和所述环境监测传感器分别与所述远程通讯模块(40)连接；所述远程通讯模块(40)和所述环境监测上位机远程通讯。

2.根据权利要求1所述的全向机械臂危险勘测机器人，其特征在于，所述多自由度机械臂(20)包括：合金机械爪(21)、铝合金支架(22)、金属旋转底座(23)以及控制电路板；所述金属旋转底座(23)的底部与所述麦克纳姆轮(10)连接，所述控制电路板装安装在所述金属旋转底座(23)中；所述铝合金支架(22)安装在所述金属旋转底座(23)的表面并向上可伸缩的延伸；所述合金机械爪(21)安装在所述铝合金支架(22)的末端；所述合金机械爪(21)、所述铝合金支架(22)、所述金属旋转底座(23)和所述控制电路板均与所述控制电路板线路连接。

3.根据权利要求2所述的全向机械臂危险勘测机器人，其特征在于，所述金属旋转底座(23)由圆形支架构成，所述支架中间安放旋转电机，所述旋转电机由所述控制电路板控制。

4.根据权利要求2所述的全向机械臂危险勘测机器人，其特征在于，所述铝合金支架(22)包括：至少两件支架，每两节支架之间连接一舵机，所述舵机由所述控制电路板控制，用于完成一个自由度的旋转。

5.根据权利要求2所述的全向机械臂危险勘测机器人，其特征在于，所述合金机械爪(21)的两个爪体连接到同一个舵机，所述舵机由所述控制电路板控制，用于控制机械臂两个爪体的开合和旋转角度。

6.根据权利要求2所述的全向机械臂危险勘测机器人，其特征在于，所述探测摄像头系统(30)安装在所述金属旋转底座(23)上并与所述合金机械爪(21)同步旋转。

7.根据权利要求1或6所述的全向机械臂危险勘测机器人，其特征在于，所述探测摄像头系统(30)为由两个广角摄像头构成的双目立体视觉摄像头系统。

8.根据权利要求1所述的全向机械臂危险勘测机器人，其特征在于，所述环境监测传感器包括：一氧化碳传感器模块、天然气传感器、温度传感器。

9.根据权利要求1所述的全向机械臂危险勘测机器人，其特征在于，所述远程通讯模块(40)包括第一收发模块(41)、第二收发模块(42)以及两个收发模块之间的至少一个无线中继模块(43)；所述无线中继模块(43)用于无线通信的中继传输。

10.根据权利要求2所述的全向机械臂危险勘测机器人，其特征在于，还包括一个遥控装置，所述遥控装置通过所述远程通讯模块(40)与所述控制电路板通讯。