CN115929197A - 一种用于污染场地浅层土壤温度监测的仿生机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于污染场地浅层土壤温度监测的仿生机器人，包括依次设置的钻入机构、转向机构、控制机构和蠕动机构；钻入机构包括螺旋钻头、钻入机构壳体及设置在钻入机构壳体内部的钻头电机；转向机构包括第一转向连接板、第二转向连接板、万向节和转向机构壳体；控制机构包括控制机构壳体及设置在控制机构壳体内部的控制板、直流驱动板和无线通信模块；蠕动机构包括温湿度传感器和蠕动机构壳体。本发明的仿生机器人结构简单，体积小，便于现场布设；利用无线传输获取温度数据，实现了污染场地浅层不同深度土壤温度的实时监测。

Description

一种用于污染场地浅层土壤温度监测的仿生机器人

技术领域

本发明涉及仿生机器人技术，特别涉及一种用于污染场地浅层土壤温度监测的仿生机器人。

背景技术

随着城市化的推进，各地出现大量工业企业场地搬迁遗留污染场地，在污染场地中，挥发性/半挥发性有机物气体在土壤温度大于土壤中挥发性有机物的沸点时，便会迅速从液态或固态转化成气态，而挥发性/半挥发性有机物气体浓度极低便能对人体造成极大的危害，因此需对土壤温度进行实时监测，从而对挥发性/半挥发性有机物进行合理的风险管控。污染场地浅层土壤温度易受周边环境的影响，产生波动，从而使得污染场地中挥发性有机物气体浓度发生变化，甚至超过风险管控值，亟需采取进一步措施，使其浓度达标。因此实时获取污染场地浅层不同深度的土壤温度，结合现场挥发性有机物气体浓度实时监测设备数据，可以对风险管控方案的有效性做出评价，有利于及时调整风险管控方案。

现行污染场地土壤温度监测设备，其使用时间大都需要花费较长的时间，且设备体积大，运输较不方便，使得工作人员不得不在检测场地停留更长时间。但是污染场地存在多种挥发性有机物气体，对人体危害极大，致使人体不适宜在现场滞留，使得现行污染场地土壤温度监测工作人员进退两难。因此有必要研发污染场地浅层土壤温度监测设备，最大限度减少人体进出污染场地的时间，并对污染场地浅层不同深度的土壤温度进行实时监测，结合现场挥发性有机物气体浓度实时监测设备数据，从而评价风险管控方案的有效性，并及时调整风险管控方案。

发明内容

发明目的：针对以上问题，本发明目的是提供一种用于污染场地浅层土壤温度监测的仿生机器人，基于蚯蚓的蠕动机理，通过钻入机构、转向机构、控制机构和蠕动机构，实现直线和曲线蠕动，到达污染场地浅层的不同土壤深度，从而对其土壤温度进行实时监测。

技术方案：本发明的一种用于污染场地浅层土壤温度监测的仿生机器人，包括依次设置的钻入机构、转向机构、控制机构和蠕动机构；

钻入机构包括螺旋钻头、钻入机构壳体及设置在钻入机构壳体内部的钻头电机，钻入机构壳体固定在螺旋钻头端部，螺旋钻头和钻头电机连接；

转向机构包括第一转向连接板、第二转向连接板、万向节和转向机构壳体，第一转向连接板固定在钻入机构壳体的端部，第二转向连接板固定在转向机构壳体的端部，万向节两端分别固定在第一转向连接板和第二转向连接板端面；

控制机构包括控制机构壳体及设置在控制机构壳体内部的控制板、直流驱动板和无线通信模块，无线通信模块与控制板通信连接，控制板和直流驱动板电连接，直流驱动板与钻头电机电连接，控制机构壳体与转向机构壳体通过螺纹连接；

蠕动机构包括温湿度传感器和蠕动机构壳体，温湿度传感器设置在蠕动机构壳体内部，温湿度传感器与无线通信模块电连接，蠕动机构壳体与控制机构壳体通过螺纹连接。

进一步，转向机构还包括设置在转向机构壳体内部的第一转向蜗轮蜗杆电机、第二转向蜗轮蜗杆电机和电机舵，直流驱动板分别连接第一转向蜗轮蜗杆电机和第二转向蜗轮蜗杆电机，第一转向蜗轮蜗杆电机和第二转向蜗轮蜗杆电机分别连接电机舵，电机舵连接多根绳索，多根绳索均匀设置在第一转向连接板和第二转向连接板上，每根绳索外部套有弹簧。

进一步，蠕动机构还包括仿生蠕动零件、螺旋杆和蠕动电机，直流驱动板与蠕动电机电连接，蠕动电机与仿生蠕动零件连接，仿生蠕动零件套在螺旋杆上，仿生蠕动零件前端固定在蠕动机构壳体上。

进一步，控制机构壳体内部还设置升压模块和第一锂电池，蠕动机构壳体内部还设置第二锂电池，第一锂电池和第二锂电池分别连接升压模块，升压模块分别连接直流驱动板和控制板，第二锂电池连接温湿度传感器。

进一步，螺旋钻头、仿生蠕动零件和螺旋杆采用不锈钢材料；钻入机构壳体、转向连接板、万向节、电机舵、转向机构壳体、控制机构壳体和蠕动机构壳体均采用树脂材料。

有益效果：本发明与现有技术相比，其显著优点是：本发明的仿生机器人结构简单，体积小，便于现场布设；提供一种无线智能化设备，最大限度降低人体接触挥发性有机物气体的时间，从而保障人体健康安全；实现无线控制直线和曲线蠕动，便于到达指定浅层土壤深度；利用无线传输获取温度数据，实现了污染场地浅层不同深度土壤温度的实时监测。

附图说明

图1为仿生机器人的左视三维图；

图2为仿生机器人的俯视三维图；

图3为螺旋钻头结构示意图；

图4为钻头电机结构示意图；

图5为钻入机构壳体结构示意图；

图6为转向连接板结构示意图；

图7为万向节结构示意图；

图8为电机舵结构示意图；

图9为第一转向蜗轮蜗杆电机结构示意图；

图10为第二转向蜗轮蜗杆电机结构示意图；

图11为转向机构壳体结构示意图；

图12为控制机构壳体结构示意图；

图13为上蠕动机构壳体结构示意图；

图14为下蠕动机构壳体结构示意图；

图15为仿生蠕动零件结构示意图；

图16为螺旋杆结构示意图；

图17为控制板端口示意图；

图18为直流驱动板接口示意图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。

如图1-2所示，本实施例所述的一种用于污染场地浅层土壤温度监测的仿生机器人，包括依次设置的钻入机构、转向机构、控制机构和蠕动机构。

钻入机构包括螺旋钻头1、钻入机构壳体3及设置在钻入机构壳体3内部的钻头电机2，钻入机构壳体3固定在螺旋钻头1端部，螺旋钻头1和钻头电机2连接，如图3-4所示，螺旋钻头1上设置孔，和钻头电机2端面上突出的轴通过轴孔过盈配合连接，连接更加紧密。如图5所示，钻入机构壳体3包括上下两部分，上下两部分之间通过卯榫结构连接。

转向机构包括第一转向连接板、第二转向连接板、万向节5和转向机构壳体12，第一转向连接板固定在钻入机构壳体3的端部，第二转向连接板固定在转向机构壳体12的端部，如图6所示转向连接板4中间设有凸起，转向连接板包括第一转向连接板和第二转向连接板，如图7所示万向节5端部中间设有孔，万向节5两端的孔分别固定在第一转向连接板和第二转向连接板端面的凸起，通过顶丝8拧紧固定。如图11所示，转向机构壳体12包括上下两部分，两部分之间通过卯榫结构连接。

如图8-10所示，转向机构还包括设置在转向机构壳体12内部的第一转向蜗轮蜗杆电机10、第二转向蜗轮蜗杆电机11和电机舵9，直流驱动板16分别连接第一转向蜗轮蜗杆电机10和第二转向蜗轮蜗杆电机11，第一转向蜗轮蜗杆电机10和第二转向蜗轮蜗杆电机11分别连接电机舵9，电机舵9连接多根绳索6，多根绳索6均匀设置在第一转向连接板和第二转向连接板上，每根绳索6外部套有弹簧7。

本实施例中以4根绳索为例，4根绳索长度相同，4根绳索一端均匀设置在第一转向连接板上，4根绳索另一端均匀设置在第二转向连接板且透过第二连接板连接电机舵，每根绳索的外部都套有弹簧，通过电机舵控制绳索。

控制机构包括控制机构壳体13及设置在控制机构壳体13内部的控制板15、直流驱动板16和无线通信模块27，无线通信模块27与控制板15电连接，控制板15和直流驱动板16电连接，直流驱动板16与钻头电机2电连接，控制机构壳体13与转向机构壳体12通过螺纹连接，如图11-12所示。

本实施例中直流驱动板采用型号为L9110s的直流驱动板16，如图18所示包括6个接口，其中f和i接口将钻头电机2及蠕动电机与直流驱动板16并联连接；k和j接口将第一转向蜗轮蜗杆电机10和与直流驱动板16并联连接；g和h接口将第二转向蜗轮蜗杆电机11与直流驱动板16并联连接。

本实施例中的控制板15采用型号为Seeedino XIAO控制板，能无线接收控制指令，并指示仿生机器人完成相应指令，如图17所示，包括5个端口，其中端口a为VCC端口，端口b为GND端口，端口a和b用于连接NRF24L01无线通信模块、DHT11温湿度传感器和控制板，提供电源；端口c为TX端口，端口d为RX端，端口c和d用于连接NRF24L01无线通信模块和控制板，发送和接收无线信号；端口e为集成输入/输出端口板，用于控制板与钻头电机2及蠕动电机、第一转向蜗轮蜗杆电机10和第二转向蜗轮蜗杆电机11的连接。

控制机构壳体13内部还设置升压模块17和第一锂电池14，蠕动机构壳体内部还设置第二锂电池20，第一锂电池14和第二锂电池20分别连接升压模块17，升压模块17分别连接直流驱动板16和控制板15，第二锂电池20连接温湿度传感器21。本实施例中第一锂电池14采用18650型锂电池，通过升压模块17升压到5v，给控制板15供电。第二锂电池20采用方形锂电池，通过升压模块17升压到12v给直流驱动板16供电，并与控制板15共地。第二锂电池20直接给温湿度传感器21供电。

蠕动机构包括温湿度传感器21和蠕动机构壳体，温湿度传感器21设置在蠕动机构壳体内部，温湿度传感器21与无线通信模块27电连接，蠕动机构壳体与控制机构壳体13通过螺纹连接。

本实施例中温湿度传感器采用DHT11温湿度传感器，其测温范围为-40-85℃，测量精度高，尺寸小，仅为3×3×1mm，供电电压为2.2-5.5V，能无线实时传输土壤温度数据，第二锂电池直接给DHT11温湿度传感器供电，DHT11温湿度传感器通过无线通信模块无线实时传输土壤温度给上机位。无线通信模块采用NRF24L01无线通信模块，NRF24L01无线通信模块与DHT11温湿度传感器的VCC与GND并联分别连接在控制板的端口a与端口b；NRF24L01无线通信模块的TX、RX接口分别连接控制板的端口c，端口d。

蠕动机构还包括仿生蠕动零件24、螺旋杆25和蠕动电机，直流驱动板15与蠕动电机电连接，蠕动电机与仿生蠕动零件24连接，如图13-14所示，蠕动机构壳体包括上蠕动机构壳体18和下蠕动机构壳体19，仿生蠕动零件24前端通过大销钉22固定在下蠕动机构壳体19上。如图15-16所示，仿生蠕动零件24包括多个小蠕动零件，各小蠕动零件之间通过小销钉23连接，仿生蠕动零件24套在螺旋杆25上。蠕动机构上还包括开关26，为备选项，方便手动控制整个仿生机器人的电源启动，开关26与控制板15电连接。

螺旋钻头1、仿生蠕动零件24和螺旋杆25采用不锈钢材料；钻入机构壳体3、转向连接板4、万向节5、电机舵9、转向机构壳体12、控制机构壳体13和蠕动机构壳体均采用树脂材料。整个仿生机器人总长30cm，直径4cm以内，

本实施例中的仿生机器人使用的污染场地土壤一般为砂土、粉土和软土这类较软土，浅层土壤深度一般为50cm，方便仿生机器人前进。当需要仿生机器人前进时，上位机发送前进指令至无线通信模块27，无线通信模块27将前进指令发送至控制板15，控制板15通过直流驱动板16驱动钻头电机2与蠕动电机正向旋转，螺旋钻头1与仿生蠕动零件24与土壤相互作用，产生向前推力，到达指定位置，利用温湿度传感器21测量土壤的温湿度，将测量结果通过无线通信模块27传输至上位机；当需要仿生机器人后退时，上位机发送后退指令至无线通信模块27，无线通信模块27将后退指令发送至控制板15，钻头电机2与蠕动电机反向旋转，螺旋钻头1与仿生蠕动零件24与土壤相互作用，产生反向推力，仿生机器人退出土壤；当需要仿生机器人转向时，上位机通过无线通信模块27给控制板15下达转向指令，控制板15通过直流驱动板16驱动第一转向蜗轮蜗杆电机10控制上下转向，第二转向蜗轮蜗杆电机11控制左右转向，根据需求的转向角度，两个转向蜗轮蜗杆电机收到不同转向指令，相应的协同进行正反转，同时带动电机舵9正反转，电机舵9正反转的同时向相应方向拉动不同的绳索6，从而使万向节5以及弹簧7发生弯曲转向，就能实现各个角度转向，转向指令结束后，两个转向蜗轮蜗杆电机反向转动，拉动绳索6，同时在弹簧7恢复力的作用下仿生机器人位姿归正，实现仿生机器人转向蠕动。

上位机可以为装有相关的控制软件的笔记本电脑或者平板电脑，通过上机位给仿生机器人下达指令，到达土壤指定深度后，无线传输实时的土壤温度信息。

Claims (5)

1.一种用于污染场地浅层土壤温度监测的仿生机器人，其特征在于，包括依次设置的钻入机构、转向机构、控制机构和蠕动机构；

钻入机构包括螺旋钻头(1)、钻入机构壳体(3)及设置在钻入机构壳体(3)内部的钻头电机(2)，钻入机构壳体(3)固定在螺旋钻头(1)端部，螺旋钻头(1)和钻头电机(2)连接；

转向机构包括第一转向连接板、第二转向连接板、万向节(5)和转向机构壳体(12)，第一转向连接板固定在钻入机构壳体(3)的端部，第二转向连接板固定在转向机构壳体(12)的端部，万向节(5)两端分别固定在第一转向连接板和第二转向连接板端面；

控制机构包括控制机构壳体(13)及设置在控制机构壳体(13)内部的控制板(15)、直流驱动板(16)和无线通信模块(27)，无线通信模块(27)与控制板(15)电连接，控制板(15)和直流驱动板(16)电连接，直流驱动板(16)与钻头电机(2)电连接，控制机构壳体(13)与转向机构壳体(12)通过螺纹连接；

蠕动机构包括温湿度传感器(21)和蠕动机构壳体，温湿度传感器(21)设置在蠕动机构壳体内部，温湿度传感器(21)与无线通信模块(27)电连接，蠕动机构壳体与控制机构壳体(13)通过螺纹连接。

2.根据权利要求1所述的仿生机器人，其特征在于，转向机构还包括设置在转向机构壳体(12)内部的第一转向蜗轮蜗杆电机(10)、第二转向蜗轮蜗杆电机(11)和电机舵(9)，直流驱动板(16)分别连接第一转向蜗轮蜗杆电机(10)和第二转向蜗轮蜗杆电机(11)，第一转向蜗轮蜗杆电机(10)和第二转向蜗轮蜗杆电机(11)分别连接电机舵(9)，电机舵(9)连接多根绳索(6)，多根绳索(6)均匀设置在第一转向连接板和第二转向连接板上，每根绳索(6)外部套有弹簧(7)。

3.根据权利要求1所述的仿生机器人，其特征在于，蠕动机构还包括仿生蠕动零件(24)、螺旋杆(25)和蠕动电机，直流驱动板(16)与蠕动电机电连接，蠕动电机与仿生蠕动零件(24)连接，仿生蠕动零件(24)套在螺旋杆(25)上，仿生蠕动零件(24)前端固定在蠕动机构壳体上。

4.根据权利要求1所述的仿生机器人，其特征在于，控制机构壳体(13)内部还设置升压模块(17)和第一锂电池(14)，蠕动机构壳体内部还设置第二锂电池(20)，第一锂电池(14)和第二锂电池(20)分别连接升压模块(17)，升压模块(17)分别连接直流驱动板(16)和控制板(15)，第二锂电池(20)连接温湿度传感器(21)。

5.根据权利要求1所述的仿生机器人，其特征在于，螺旋钻头(1)、仿生蠕动零件(24)和螺旋杆(25)采用不锈钢材料；钻入机构壳体(3)、转向连接板、万向节(5)、电机舵(9)、转向机构壳体(12)、控制机构壳体(13)和蠕动机构壳体均采用树脂材料。

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