CN204076266U - 一种救灾机器人及其控制装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种救灾机器人及其控制装置，该救灾机器人控制装置，包括智能规避设备、信息采集与探测设备和远程控制设备，所述智能规避设备、信息采集与探测设备和远程控制设备均与主控制器连接，所述智能规避设备包括超声测距传感器和光电开关，所述信息采集与探测设备包括瓦斯气体检测传感器、温度传感器、热释电传感器和火焰传感器，所述远程控制设备与远程控制台进行无线连接。本实用新型还提供一种救灾机器人。本实用新型提供的救灾机器人控制装置可扩展空间大，利用的设备较多，可以从多个方面实现搜救效果，通过该机器人可以实现设计者做希望的各种动作和任务；从任务的实现过程中可以使设计者的各种能力得到进一步的训练和提高。

Description

一种救灾机器人及其控制装置

技术领域

本实用新型涉及机器人领域，尤其涉及一种救灾机器人及其控制装置。

背景技术

随着科学技术的进步，人们对生活质量的要求越来越高，在逐渐地从物质追求到精神层次过渡。世界上很多研究机构正试图研究能够代替人为操作的各种机器人，但这一构想被迅速应用到了灾难救援，目前为止已有很多救援机器人应用于抗震救灾工作中。特别是在宇宙探测、军事、排爆等高危行业，其应用需求急剧上涨，另外在探险、救灾、排爆等领域人与机器人的合作越来越多，不仅有效避免了伤亡的危险更重要的是机器人能做到人性化，在其中起到了举足轻重的地位。

2008年我国汶川地震，在这期间全世界不知有多少自然灾害发生，这些灾害给人们带来的是巨大的经济损失和惨痛的伤亡。虽然我们无法阻止自然灾害的发生，但是我们可以尽最大的努力减少损失和伤亡，那么对于救灾后的救援就显得尤为重要。

当然，我们知道灾后环境错综复杂，二次灾害会随时发生，这对救援工具的要求是一种挑战。因此救援机器人的参与大大降低了救援危险，救援机器人在信息探测特别是对生命迹象的探测起到了举足轻重的作用。目前，很多国家都在试图研究和改良更加人性化的机器人，发展空间很大。

实用新型内容

为了克服现有技术中存在的不足，本实用新型提供一种救灾机器人及其控制装置，以单片机为主控平台，可扩展空间大，利用的设备较多，可以从多个方面实现搜救效果。

为解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术方案：

一种救灾机器人控制装置，包括智能规避设备、信息采集与探测设备和远程控制设备，所述智能规避设备、信息采集与探测设备和远程控制设备均与主控制器连接，所述智能规避设备包括超声测距传感器和光电开关，所述信息采集与探测设备包括瓦斯气体检测传感器、温度传感器、热释电传感器和火焰传感器，所述远程控制设备与远程控制台进行无线连接。

更进一步的，瓦斯气体检测传感器、温湿度传感器、火焰传感器和超声测距传感器与主控制器集成为一个模块，安装在金属底座上；所述光电开关和热释电传感器设置在机器人的机械臂顶端。

更进一步的，瓦斯气体检测传感器为MH440甲烷传感器，所述火焰传感器为R2868火焰传感器，所述温湿度传感器为AM2301模块。

更进一步的，远程控制设备采用nRF24L01芯片，所述远程控制台由单片机，以及连接在单片机上的外扩电源插针、电源指示灯电路、12864液晶屏、nRF24L01芯片和独立按键电路组成。

更进一步的，主控制器为ATMega16芯片。

一种救灾机器人，包括金属底座和机械臂，所述金属底座两侧设有双履带传动机构，并由四轮驱动带动，所述双履带传动机构包括主履带和在垂直平面内自由转动不同角度的摆臂履带，所述机械臂采用蛇形机械臂，并由两个舵机控制，机械臂的前端设有一个抓手结构的载物台。

更进一步的，双履带传动机构由2个主履带和2个摆臂履带组成，所述主履带由金属底座后边的两个电机作为驱动轮，两电机并不同轴，通过调节转速实现转弯，金属底座靠近摆动臂的位置安装有两个主履带从动轮，并且安装有一个同轴电机控制摆动臂在垂直方向的自由度，电机驱动为L298N驱动模块。

有益效果：本实用新型提供的救灾机器人控制装置可扩展空间大，利用的设备较多，可以从多个方面实现搜救效果，通过该机器人可以实现设计者做希望的各种动作和任务；从任务的实现过程中可以使设计者的各种能力得到进一步的训练和提高；本实用新型提供的救灾机器人采用蛇形机械臂，改进了其控制原理，通过通过单片机实现了机械臂上舵机的灵活运转，舵机使机械臂转动不同的角度方便救援；本实用新型双履带结构及蛇形机械臂前端的载物台，能方便实现运送救援物品（食物、水、通信设备等）。

附图说明

图1为本实用新型提供的一种救灾机器人控制装置原理结构图。

图2为本实用新型双履带结构示意图。

图3为本实用新型超声波测距电路图。

图4为甲烷传感器电路图。

图5为生命探测模块电路图。

图6为AM2301温湿度检测模块电路图。

图7为R2868火焰传感器电路图。

图8为无线通信模块电路图。

图9为L298N电机驱动电路图。

图10为远程控制台电路图。

图11为ATmega16最小系统电路图。

图12为本实用新型提供的救灾机器人控制装置总电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作更进一步的说明。

如图1所示，本实用新型提供的一种救灾机器人控制装置，包括主控制器、智能规避设备、信息采集与探测设备和远程控制设备。

（1）智能规避设备

智能规避设备采用超声测距传感器和光电开关检测障碍物，本实用新型提供的机器人机械结构设计方便小车行走传动越障，其金属底座采用质量刚性较好的合金组成，采用双履带传动机构，并由四轮驱动带动，如图2所示，双履带传动机构由2个主履带和2个摆臂履带组成，其中摆臂履带可以在垂直平面内自由转动不同角度。主履带主要由金属底座后边的2个电机作为驱动轮，两电机并不同轴，可以通过调节转速来实现转弯。前边靠近摆动臂的位置安装一个同轴电机，主要来控制摆动臂在垂直方向的自由度，而此处的主履带只安装2个从动轮，与后边的驱动轮构成一个独立的传动系统。

本实用新型提供的救灾机器人机械臂采用蛇形机械臂，并由两个舵机控制，机械臂的前端设有一个抓手结构的载物台以方便实现运送救援物品。本实用新型电机驱动使用的是L298N模块，内部包含4通道逻辑驱动电路，可以接受TTL逻辑电平信号，可以驱动本设计使用的电机。其中其引脚IN1、IN2、ENA通过逻辑控制功能实现控制电机的正转、反转、启动、停止，如图9所示。

本实用新型光电开关设置在机械臂顶端，与主控制器相连接，光电开关检测到障碍物时，此时可以调整救援机器人的前进方向，顺利避开障碍；超声测距传感器设置在金属底座上，其与主控制器的电路连接结构如图3所示，超声测距传感器通过声波发生器发出超声波，等超声波接收器接收到后，记录这一时间便可以计算出距离。具体的时间计算是，当超声波发生器发出后开始计时，到接收到超声波后为止；再根据超声波在空气中的传播速度计算出救援机器人到障碍物的距离。  

（2）信息采集与探测设备

信息采集与探测设备包括瓦斯气体检测传感器、温度传感器、热释电传感器和火焰传感器。

瓦斯气体检测传感器采用MH440甲烷传感器，MH-440V/D 红外气体传感器是通用型、智能型、微型传感器，该传感器利用非色散红外（NDIR）原理对空气中存在的CH4进行探测，具有很好的选择性，无氧气依赖性，性能稳定、寿命长。内置温度传感器，可进行温度补偿。该传感器是将成熟的红外吸收气体检测技术与微型机械加工、精良电路设计紧密结合，制作出的小巧型红外气体传感器，其电路结构如图4所示。

热释电传感器为本实用新型的生命探测仪，设置在机械臂顶端，与主控制器相连接。热释电红外传感器的探测元通过菲涅尔透镜聚焦到人体辐射的红外线时，传感器的电路中的就会产生电压信号，该信号要经过带通滤波器处理，此滤波器是有电容和电阻组成的逻辑电路。滤波器的上限截止频率和下线截止范围在16Hz-0.16Hz之间。由于热释电传感器感测到的电压信号通常比较微弱，而由于菲涅尔透镜的作用又使输出信号电压呈脉冲形式，被感测到的受困者一般是静止不动的或者其移动十分微小，为此我们要对感应的输出电压进行放大。在本设计中使用了具有高性能的传感信号集成电路模块，在电路设计中使用了少量外围元器件并合理的将热释电红外传感器设计在其中，其静态电流极小，电路图如图5所示。

本实用新型采用AM2301模块进行温湿度传感器对现场温湿度进行实时监测，如图6所示，采用R2868火焰传感器进行火焰监测，如图7所示。本实用新型瓦斯气体检测传感器、温湿度传感器、火焰传感器和超声测距传感器与主控制器集成为一个模块，安装在金属底座上。

（3）远程控制设备

本实用新型采用nRF24L01芯片，该芯片超低功耗（发送10.5mA-5dBm、接收 18mA-10dBm）。nRF24L01支持多点间通信，它采用Soc方法设计，最高传输速率超过1Mbit/s, 需要极少的外围电路，且没有复杂的通信协议，工作电压范围宽（1.9V到3.6V），基于nRF24L01的工作原理，自行设计了无线收发电路，完全可以达到设计的要求。更为重要的是nRF24L01性价比极高，受到很多业界的好评。该芯片的工作电压由VDD经三处电容我们可以设为C1-C3处理后提供；当晶振设为16MHz时，其通信速率为1Mbps；不可或缺的还有天线部分，主要用来进行信息的转换。在本模块中用来将电磁波信号转换为电平信号输入芯片nRF24L01的ANT1、ANT2管脚，反之也可以将电平信号转换为电磁信号。其原理图如图8所示。

（4）远程控制台

如图10所示，远程控制台的设计主要是由无线接收模块、液晶显示屏、控制器按键等组成。实现接收救援机器人传回的信息，并在液晶屏上显示出来，其信息主要包括：环境温度、是否有火焰、是否有幸存者、有害气体浓度等。另外在液晶屏模块上置有按键可控制救援机器人的启动、转弯、停止。本模块的主控制器为51单片机最小系统，还包括了ISP接口、外扩电源插针模块、电源指示灯电路、12864液晶屏接口、nRF24L01接口、独立按键电路。

（5）主控制器

本实用新型主控制器采用ATMega16芯片，该芯片支持JTAG仿真，是基于增强的AVR RISC结构的低功耗8 位CMOS微控制器，其最小系统包括复位电路、ISP接口、JTAG接口、PA～PD四个端口全部引出。AVR单片机自身带有PWM功能和AD转换功能，具有内嵌16k FLASH，处理速度高，而且可以直接输出两路PWM、中断处理能力强，运算速度快，驱动能力强，性价比高，符合低功耗标准，ATmega16最小系统电路图如图11所示。

本实用新型提供的一种救灾机器人控制装置总电路图如图12所示。以AVR单片机作为主控制器实现了自动躲避障碍物寻找通道并通过传感器，无线发射模块等进行探测现场火焰、温度、感应是否有幸存者等现场信息；以AT89S52单片机为主的远程控制模块进行信息的传递。在此基础上本救援机器人还相应的扩展了机械手结构、履带传动等，使救援人员快速合理的制定救援方案。

实现以下功能：

1、自动躲避障碍物：类似于人在复杂环境中探索前进自动躲避障碍物并顺利通过；

2、自动寻找通道：在探索前进的过程中寻找通道；

3、生命探测模块：该机器人能够通过热释电传感器（或扩展为更准确的红外热成像，光纤探头，摄像头等）搜寻到人并能报警通知搜救人员；

4、实时监测现场温湿度及时无线传送给搜救人员；

5、实时监测现场是否有瓦斯气体（一氧化碳、甲烷）泄露，现场有瓦斯气体泄露及时无线传给搜救人员；

6、无线传输现场数据给搜救人员并可以实现远程控制；

7、机械臂辅助前进越障并携带通讯设备和少量食物。

通过该机器人可以实现设计者做希望的各种动作和任务；从任务的实现过程中可以使设计者的各种能力得到进一步的训练和提高。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (8)

1.一种救灾机器人控制装置，其特征在于：包括智能规避设备、信息采集与探测设备和远程控制设备，所述智能规避设备、信息采集与探测设备和远程控制设备均与主控制器连接，所述智能规避设备包括超声测距传感器和光电开关，所述信息采集与探测设备包括瓦斯气体检测传感器、温度传感器、热释电传感器和火焰传感器，所述远程控制设备与远程控制台进行无线连接。

2.根据权利要求1所述的一种救灾机器人控制装置，其特征在于：所述瓦斯气体检测传感器、温湿度传感器、火焰传感器和超声测距传感器与主控制器集成为一个模块，安装在金属底座上；所述光电开关和热释电传感器设置在机器人的机械臂顶端。

3.根据权利要求1所述的一种救灾机器人控制装置，其特征在于：所述瓦斯气体检测传感器为MH440甲烷传感器，所述火焰传感器为R2868火焰传感器，所述温湿度传感器为AM2301模块。

4.根据权利要求1所述的一种救灾机器人控制装置，其特征在于：所述远程控制设备采用nRF24L01芯片，所述远程控制台由单片机，以及连接在单片机上的外扩电源插针、电源指示灯电路、12864液晶屏、nRF24L01芯片和独立按键电路组成。

5.根据权利要求1所述的一种救灾机器人控制装置，其特征在于：所述主控制器为ATMega16芯片。

6.一种采用权利要求1所述控制装置的救灾机器人，包括金属底座和机械臂，其特征在于：所述金属底座两侧设有双履带传动机构，并由四轮驱动带动，所述双履带传动机构包括主履带和在垂直平面内自由转动不同角度的摆臂履带，所述机械臂采用蛇形机械臂，并由两个舵机控制，机械臂的前端设有一个抓手结构的载物台。

7.根据权利要求6所述的一种救灾机器人控制装置，其特征在于：所述双履带传动机构由2个主履带和2个摆臂履带组成，所述主履带由金属底座后边的两个电机作为驱动轮，两电机并不同轴，通过调节转速实现转弯，金属底座靠近摆动臂的位置安装有两个主履带从动轮，并且安装有一个同轴电机控制摆动臂在垂直方向的自由度。

8.根据权利要求7所述的一种救灾机器人控制装置，其特征在于：所述电机驱动为L298N驱动模块。