CN113334404B - 一种溶洞探测机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种溶洞探测机器人，包括机器人主体，均安装于机器人主体上的检测单元组件、摄像头、移动组件、机械手、光源、电源、控制器、信号收发模块和无线传输模块；机器人主体设置有安装部，无线传输模块均与安装部卡合连接；无线传输模块包括外壳、无线传输单元、蓄电池和钻头部；机械手可抓取无线传输模块脱离安装部；信号收发模块、检测单元组件、摄像头、移动组件、机械手、光源和电源均与控制器电连接。在进行勘探的过程中，沿途放置无线通信模块作为信号的中继站，使得控制机器人的上位机的无线信号能够通过逐个无线通信模块逐级向远处传递，使得无线信号覆盖的范围更大，距离更远，能够操作机器人行驶更远的距离，更好地勘探溶洞。

Description

一种溶洞探测机器人

技术领域

本发明涉及勘探机器人领域，更具体地，涉及一种溶洞探测机器人。

背景技术

溶洞是地层矿物质被地下水溶蚀以后形成的地质构造形态。由于地层矿物质各部分含量不同，被侵蚀的程度不同，就逐渐被溶解分割成互不相依、千姿百态、陡峭秀丽的山峰和奇异景观的溶洞。溶洞的形态多种多样，不少溶洞系统延伸很长，可达几十千米。一些溶洞常汇集丰富的地下水而成为地下暗河或暗湖。一些溶洞中常有丰富多样的洞穴沉积物，如石笋、钟乳石、石幔等，构成绚丽多彩的地下世界。因此，它具有丰富的旅游和地下河资源，探测溶洞、开发溶洞具有重要的意义。

而现有的勘探方式为人工勘探或者通过可水下作业的勘探机器人进行勘探，如公开号为“CN109176545A”，公开日为2019年1月11日的中国专利文件公开了一种水下勘探机器人，包括动力装置、控制装置、浮沉装置和勘测箱，所述动力装置前段设置控制装置，所述控制装置前侧设置浮沉装置，所述浮沉装置前侧设置有勘测箱，本发明依靠浮沉装置可在允许下潜的范围内自由调整航行的深度，通过勘测箱内部的水质分析仪，可以在完全不依靠人力的情况下实现对水资源的质量进行检测分析，依靠独特的放脱落机械手，可以对水内固体物质进行抓取，并放置在收集仓内部方便带回进一步研究，同时声呐探测仪可对水下地质分布进行探测。

溶洞由于具有特殊的地质结构，往往错综复杂、尺寸多变且水道暗河众多，在上述的技术方案中，若是采用有线通讯的方式与地面的上位机进行通讯，连接线容易受到溶洞结构的阻碍，而采用无线通讯的方式，在机器人移动至一定的距离后，无线信号逐渐变弱，导致机器人能够勘探的距离受到限制，能够勘探的范围较小。

发明内容

本发明为克服上述现有技术受到信号传输影响导致水下勘探机器人的范围较小的问题，提供一种溶洞探测机器人，延长信号传输的范围，增加勘探机器人能够勘探的范围。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种溶洞探测机器人，包括机器人主体，均安装于所述机器人主体上的检测单元组件、摄像头、移动组件、若干个机械手、光源、电源、控制器、信号收发模块和多个无线传输模块；所述机器人主体设置有安装部，所述无线传输模块均与所述安装部可拆卸连接；所述无线传输模块包括外壳、设置于外壳一端的钻头部和均设置于外壳内的无线传输单元、蓄电池，所述蓄电池为无线传输单元供电；所述机械手可抓取所述无线传输模块脱离所述安装部；所述信号收发模块、所述检测单元组件、所述摄像头、所述移动组件、所述机械手、所述光源和所述电源均与所述控制器电连接。电源可以为可充放电的电池组，并配备电池管理模块，电源为整个机器人提供电力。

在上述的技术方案中，控制器通过信号收发模块接收来自地面上位机的无线信号，从而实现远距离操作移动组件、机械手和光源的启动。而检测单元组件和摄像头的得到的信息可以通过信号收发模块上传至上位机，摄像头得到的信息为图像信息，操作人员通过观看图像信息来查看水下情况。检测单元组件包括不同的传感器，根据实际勘探的需要进行组装搭配，如需要检测水质、水流或空气状况，检测单元组件就包括水质传感器、流速传感器和空气检测仪。移动组件可以为推进器等水下驱动部件，用于驱动机器人本体在水中移动。水下由于处于弱光线和无光线环境，光源和摄像头的配合可以实时拍摄画面并传回上位机，操作人员可以远距离查看机器人所在的环境。

当机器人移动距离较远，无线信号强度开始下降后，通过机械手将无线传输模块从安装部处取下，其中机械手为多轴机械手结构，其末端设置有可抓取物件机械爪。机械爪抓取无线传输模块后，将钻头部的一端与溶洞的岩石处贴合，然后通过机械爪带动整个无线传输模块转动，钻头部通过转动后破开岩石并与岩石连接，使得无线传输模块固定在溶洞的岩石上，无线传输模块可以作为无线信号的中继站。机器人在勘探过程中，陆续将无线传输模块装在岩石上，上位机的无线信号经过固定在岩石上的无线传输模块传播，延长了无线信号的覆盖范围，使得机器人的移动距离更远，可勘探范围更大。机器人在回程的时候，通过机械手将无线传输模块回收。

优选的，所述无线传输模块还包括顶柱，所述无线传输单元和所述蓄电池均设置在所述外壳内；所述钻头部由至少三个呈圆周等距布置的分部构成，所述分部围闭成的一个腔体；所述顶柱与所述外壳滑动连接，所述顶柱穿过所述腔体；所述顶柱沿着所述外壳滑动并推动所述分部向外扩张。机械手夹持无线传输模块后在通过旋转的方式凿入岩体，此时顶柱不完全凸出。当钻头部完全凿进岩体后，机械手推进使顶柱使得顶柱向外运动，令分部向外扩张，增加钻头部与岩体的摩檫力，无线传输模块能够更加稳固的固定在岩体上。回收无线传输模块时，机械手拔出顶柱，分部与岩体的接触发生松动，令无线传输模块易于脱离岩体。

优选的，所述安装部包括盒体，所述盒体内设置有多个安装腔，所述安装腔的内壁设置有卡槽；所述外壳设置有与所述卡槽卡合的卡块。卡槽包括竖直部分和水平部分，水平部分位于竖直部分的末端，机械手抓取外壳装入安装腔的时候，卡块沿着竖直部分向下运动，然后运动至竖直部分的末端后，机械手带动外壳转动，使得卡块进入卡槽的水平部分，从而令外壳卡合在安装腔内。

优选的，所述移动组件包括螺旋桨推进器和设置于所述机器人主体底部的车轮。螺旋桨推进器包括螺旋桨和驱动螺旋桨旋转的电机，在水中行驶的时候，螺旋桨被电机带动旋转从而产生在水中行进的推进力。车轮在机器人主体设置有多个，使得机器人可以在贴着水底平面行走。

优选的，还包括与所述电源电连接的充电电路，所述充电电路通过换能器与所述螺旋桨推进器的螺旋桨连接。换能器可以将机械能转换为电能，当机器人的电量不足的时候，可以通过控制器切换电源的线路，令电源处于充电状态，利用水流带动螺旋桨旋转的机械能转换为电能，通过充电电路给电源充电。在充电状态下，机械手伸出并抓取在水底或岩体上，机器人可以保持在原位置不移动，直至完成充电。

优选的，所述车轮设置有与所述控制器电连接的姿态传感器。姿态传感器可以是光电编码器、陀螺仪和加速度传感器等，通过姿态传感器记录机器人的位移、导航角和倾角等，从移动机器人起点开始描述和记录它的路径，当机器人返航的时候，就按这个路劲沿路返回。

优选的，所述检测单元组件包括水质传感器、流速传感器、激光雷达、空气检测器和多个超声波传感器；所述水质传感器和所述流速传感器的壳体与所述安装腔卡合连接。通过激光雷达检测机器人周围的障碍物，操作者能够及时避开障碍，水质传感器、流速传感器和空气检测器实时测量溶洞内情况，提供溶洞勘探的实测数据。机械手可以抓取水质传感器或流速传感器后伸向远处，检测远处水流的水质和流速。水质传感器或流速传感器的壳体与无线通信模块的外壳的结构相似，均设置有能够与安装腔的卡槽进行卡合的卡块。超声波传感器分布与机器人本体的两侧和前端，能够及时识别机器人两侧及前端的与障碍物的距离。

优选的，所述机器人本体设置有驱动所述摄像头运动的驱动组件；所述驱动组件包括电动伸缩杆、设置于电动伸缩杆上的转盘和设置于所述转盘上的转动座，所述转动座上安装有电机，所述摄像头通过安装板与所述电机连接；其中一个超声波传感器与安装板卡合；所述驱动组件与所述控制器电连接。电动伸缩杆可以调节摄像头的高度，转盘能够带动转动座和在其上的摄像头绕着竖直转轴转动，而转动座上的电机能够带动摄像头绕着水平转轴转动，使得摄像头能够拍下更大范围的图像，可以根据自己想观察的方向控制驱动组件带动摄像头转动。同时还能够通过超声波传感器朝向不同的方位从而探测不同方向的障碍物。而机器手也可以抓取超声波传感器然后向远处伸展，提前探测前方的远处的情况。

优选的，还包括设置有气囊的外围罩体，所述外围罩体与所述机器人本体的侧面连接。外围罩体通过气囊的缓冲作用可以保护机器人本体，避免机器人本体受到岩体的碰伤。

优选的，所述机器人本体通过伸缩杆与所述外围罩体连接；所述伸缩杆一端与所述机器人本体铰接，另一端与所述外围罩体铰接；所述伸缩杆与所述控制器电连接。通过控制伸缩杆的长度来改变外围罩体与机器人本体的距离，可以为相对高度或相对宽度，从而能够进行机器人进行一定的浮力调节。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：在机器人进行勘探的过程中，沿途放置无线通信模块作为信号的中继站，使得控制机器人的上位机的无线信号能够通过逐个无线通信模块逐级向远处传递，使得无线信号覆盖的范围更大，距离更远，能够操作机器人行驶更远的距离，更好地勘探溶洞。

附图说明

图1是本发明一种溶洞探测机器人的结构示意图；

图2是本发明的无线传输模块的结构示意图；

图3是本发明的安装部的结构示意图；

图4是本发明的驱动组件、摄像头和超声波传感器的结构示意图。

图5是本发明一种溶洞探测机器人的实施例3的结构示意图。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”“长”“短”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

本发明实施例的附图中为了方便阅读理解，机壳结构中的前板、后板和顶板均为示出。

下面通过具体实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的具体描述：

实施例1

如图1-3所示为一种溶洞探测机器人的实施例，包括机器人主体1，均安装于机器人主体1上的检测单元组件、摄像头2、移动组件、两个机械手3、光源4、电源、控制器、信号收发模块5和多个无线传输模块6；机器人主体1设置有安装部7，无线传输模块6均与安装部7卡合连接；无线传输模块6包括无线传输单元、蓄电池和钻头部601；机械手3可抓取无线传输模块6脱离安装部7；信号收发模块5、检测单元组件、摄像头2、移动组件、机械手3、光源4和电源均与控制器电连接。电源可以为可充放电的电池组，并配备电池管理模块，电源为整个机器人提供电力。可以控制机械手3抓取或与岩体接触，推动机器人本体1移动或转向。

具体的，无线传输模块6还包括外壳602和顶柱603，无线传输单元和蓄电池均设置在外壳602内；钻头部601由至少三个呈圆周等距布置的分部6011构成，分部6011围闭成的一个腔体；顶柱603与外壳602滑动连接，顶柱603穿过腔体；顶柱603沿着外壳602滑动并推动分部6011向外扩张。机械手3夹持无线传输模块6后在通过旋转的方式凿入岩体，此时顶柱603不完全凸出。当钻头部601完全凿进岩体后，机械手3推进使顶柱603使得顶柱向外运动，令分部6011向外扩张，增加钻头部601与岩体的摩檫力，无线传输模块6能够更加稳固的固定在岩体上。回收无线传输模块6时，机械手3拔出顶柱603，分部6011与岩体的接触发生松动，令无线传输模块6易于脱离岩体。

其中，安装部7包括盒体701，盒体701内设置有多个安装腔702，安装腔702的内壁设置有卡槽703；外壳602设置有与卡槽703卡合的卡块6021。卡槽703包括竖直部分和水平部分，水平部分位于竖直部分的末端，机械手3抓取外壳602装入安装腔702的时候，卡块6021沿着竖直部分向下运动，然后运动至竖直部分的末端后，机械手3带动外壳602转动，使得卡块6021进入卡槽703的水平部分，从而令外壳602卡合在安装腔702内。

其中，移动组件包括螺旋桨推进器8和设置于机器人主体1底部的车轮9。螺旋桨推进器8包括螺旋桨和驱动螺旋桨旋转的电机，在水中行驶的时候，螺旋桨被电机带动旋转从而产生在水中行进的推进力。车轮9在机器人主体1设置有多个，使得机器人可以在贴着水底平面行走。

具体的，机器人还包括与电源电连接的充电电路，充电电路通过换能器与螺旋桨推进器8的螺旋桨连接。换能器可以将机械能转换为电能，当机器人的电量不足的时候，可以通过控制器切换电源的线路，令电源处于充电状态，利用水流带动螺旋桨旋转的机械能转换为电能，通过充电电路给电源充电。在充电状态下，机械手3伸出并抓取在水底或岩体上，机器人可以保持在原位置不移动，直至完成充电。

具体的，车轮9设置有与控制器电连接的姿态传感器。姿态传感器可以是光电编码器、陀螺仪和加速度传感器等，通过姿态传感器记录机器人的位移、导航角和倾角等，从移动机器人起点开始描述和记录它的路径，当机器人返航的时候，就按这个路劲沿路返回。

其中，检测单元组件包括水质传感器10、流速传感器11、激光雷达12和空气检测器13和多个超声波传感器15；水质传感器10和流速传感器11的壳体与安装腔702卡合连接。通过激光雷达12和超声波传感器15检测机器人周围的障碍物，操作者能够及时避开障碍，水质传感器10、流速传感器11和空气检测器13实时测量溶洞内情况，提供溶洞勘探的实测数据。机械手3可以抓取水质传感器10或流速传感器11后伸向远处，检测远处水流的水质和流速。水质传感器10或流速传感器11的壳体与无线通信模块的外壳602的结构相似，均设置有能够与安装腔702的卡槽703进行卡合的卡块。空气检测器13露出的部分覆盖有防水的选择透过性膜。

本实施例的工作原理或工作过程：控制器通过信号收发模块5接收来自地面上位机的无线信号，从而实现远距离操作移动组件、机械手3和光源4的启动。而检测单元组件和摄像头2的得到的信息可以通过信号收发模块5上传至上位机。当机器人移动距离较远，无线信号强度开始下降后，通过机械手3将无线传输模块6从安装部7处取下，其中机械手3为多轴机械手3结构，其末端设置有可抓取物件机械爪。机械爪抓取无线传输模块6后，将钻头部601的一端与溶洞的岩石处贴合，然后通过机械爪带动整个无线传输模块6转动，钻头部601通过转动后破开岩石并与岩石连接，使得无线传输模块6固定在溶洞的岩石上，无线传输模块6可以作为无线信号的中继站。机器人在勘探过程中，陆续将无线传输模块6装在岩石上，上位机的无线信号经过固定在岩石上的无线传输模块6传播，延长了无线信号的覆盖范围，使得机器人的移动距离更远，可勘探范围更大。机器人在回程的时候，通过机械手3将无线传输模块6回收。通过光源4和摄像头2，操作人员可以远距离查看机器人所在的环境。

本实施例的有益效果：在机器人进行勘探的过程中，沿途放置无线通信模块作为信号的中继站，使得控制机器人的上位机的无线信号能够通过逐个无线通信模块逐级向远处传递，使得无线信号覆盖的范围更大，距离更远，能够操作机器人行驶更远的距离，更好地勘探溶洞。

实施例2

一种溶洞探测机器人的实施例2，与实施例1的区别在于，如图4所示，机器人本体设置有驱动摄像头2运动的驱动组件14；驱动组件14包括电动伸缩杆1401、设置于电动伸缩杆1401上的转盘1402和设置于转盘1402上的转动座1403，转动座1403上安装有电机1404，摄像头2通过安装板1405与电机1404连接；其中一个超声波传感器15与安装板1405卡合；驱动组件14与控制器电连接。电动伸缩杆1401可以调节摄像头2的高度，转盘1402能够带动转动座1403和在其上的摄像头2绕着竖直转轴转动，而转动座1403上的电机能够带动摄像头2绕着水平转轴转动，使得摄像头2能够拍下更大范围的图像，可以根据自己想观察的方向控制驱动组件14带动摄像头2转动。同时还能够通过超声波传感器15朝向不同的方位从而探测不同方向的障碍物。而机器手也可以抓取超声波传感器15然后向远处伸展，提前探测前方的远处的情况。

本实施例的其余特征和工作原理与实施例1一致。

实施例3

一种溶洞探测机器人的实施例3，与实施例1或实施例2的区别在于，如图5所示，还包括设置有气囊16的外围罩体17，外围罩体17与机器人本体的侧面连接。外围罩体17通过气囊16的缓冲作用可以保护机器人本体，避免机器人本体受到岩体的碰伤。

具体的，机器人本体通过伸缩杆18与外围罩体17连接；伸缩杆18一端与机器人本体铰接，另一端与外围罩体17铰接；伸缩杆18与控制器电连接。通过控制伸缩杆18的长度来改变外围罩体17与机器人本体的距离，可以为相对高度或相对宽度，从而能够进行机器人进行一定的浮力调节。

在本实施例中，光源4设置于外围罩体17上且靠近摄像头2。

本实施例的其余特征和工作原理与实施例1或实施例2一致。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种溶洞探测机器人，包括机器人主体(1)，均安装于所述机器人主体(1)上的检测单元组件、摄像头(2)、移动组件、若干个机械手(3)、光源(4)和电源，其特征在于，还包括控制器、信号收发模块(5)和多个无线传输模块(6)；所述机器人主体(1)设置有安装部(7)，所述无线传输模块(6)均与所述安装部(7)可拆卸连接；所述无线传输模块(6)包括外壳(602)、设置于外壳一侧的钻头部(601)和均设置于外壳(602)内的无线传输单元和蓄电池，所述蓄电池为所述无线传输单元供电；所述机械手(3)可抓取所述无线传输模块(6)脱离所述安装部(7)；所述信号收发模块(5)、所述检测单元组件、所述摄像头(2)、所述移动组件、所述机械手(3)、所述光源(4)和所述电源均与所述控制器电连接；所述无线传输模块(6)还包括顶柱(603)；所述钻头部(601)由至少三个呈圆周等距布置的分部(6011)构成，所述分部(6011)围闭成的一个腔体；所述顶柱(603)与所述外壳(602)滑动连接，所述顶柱(603)穿过所述腔体；所述顶柱(603)沿着所述外壳(602)滑动并推动所述分部(6011)向外扩张。

2.根据权利要求1所述的一种溶洞探测机器人，其特征在于，所述安装部(7)包括盒体(701)，所述盒体(701)内设置有多个安装腔(702)，所述安装腔(702)的内壁设置有卡槽(703)；所述外壳(602)设置有与所述卡槽(703)卡合的卡块(6021)。

3.根据权利要求2所述的一种溶洞探测机器人，其特征在于，所述移动组件包括螺旋桨推进器(8)和设置于所述机器人主体(1)底部的车轮(9)。

4.根据权利要求3所述的一种溶洞探测机器人，其特征在于，还包括与所述电源电连接的充电电路，所述充电电路通过换能器与所述螺旋桨推进器(8)的螺旋桨连接。

5.根据权利要求3所述的一种溶洞探测机器人，其特征在于，所述车轮(9)设置有与所述控制器电连接的姿态传感器。

6.根据权利要求2所述的一种溶洞探测机器人，其特征在于，所述检测单元组件包括水质传感器(10)、流速传感器(11)、激光雷达(12)、空气检测器(13)和多个超声波传感器(15)；所述水质传感器(10)和所述流速传感器(11)的壳体与所述安装腔(702)卡合连接。

7.根据权利要求6所述的一种溶洞探测机器人，其特征在于，所述机器人本体设置有驱动所述摄像头(2)运动的驱动组件(14)；所述驱动组件(14)包括电动伸缩杆(1401)、设置于电动伸缩杆(1401)上的转盘(1402)和设置于所述转盘(1402)上的转动座(1403)，所述转动座(1403)上安装有电机(1404)，所述摄像头(2)通过安装板(1405)与所述电机(1404)连接；其中一个所述超声波传感器(15)与所述安装板卡合；所述驱动组件(14)与所述控制器电连接。

8.根据权利要求2-7任一所述的一种溶洞探测机器人，其特征在于，还包括设置有气囊(16)的外围罩体(17)，所述外围罩体(17)与所述机器人本体的侧面连接。

9.根据权利要求8所述的一种溶洞探测机器人，其特征在于，所述机器人本体通过伸缩杆(18)与所述外围罩体(17)连接；所述伸缩杆(18)一端与所述机器人本体铰接，另一端与所述外围罩体(17)铰接；所述伸缩杆(18)与所述控制器电连接。

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