专利名称：具有自定位功能的展缩关节式磁场强度探测机器人的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种机器人技术领域的装置，具体地说，是一种具有自定位功能的展缩关节式磁场强度探测机器人。
背景技术：
在军事演习及一些非常时期，钻入地下未引爆的炸弹或地雷往往藏于地下数米，造成对人身安全和财产的巨大潜在危害，对这些爆炸物的搜寻和精确定位，是非常必要的。从目前的国际发展趋势来看，使用磁场强度探测机器人进行搜索是解决这一难题的最佳手段。磁场强度探测传感阵列是目前对非爆弹进行探测的主要手段。然而，磁场强度传感阵列本身对外部的电磁干扰也非常敏感，要求其使用中要远离电磁干扰源，现已经被国际公认的安全绝磁区域为六米，在此要求下，安装了磁场强度探测阵列的机器人难免体积庞大，常用的结构固定式移动机器人难以满足探测时六米的隔离，运输时小巧方便的要求，如果仅保证工作时机器人内部的电磁元件与传感器探头阵列的磁隔离要求，势必不利于运输与维护。
经对现有技术的文献检索发现，钱钧等人在《机器人》，2006，28(6)pp571-581)上发表的“一种安全工作于城区环境的消防侦察机器人”，该文中提出的关节链轮结构侦察机器人在城区环境中取得了良好的使用效果。该设计采用差动轮式移动结构，在同侧的两个车轮之间用链条传动，在车身的前、后各有两个摆杆，摆杆可以绕各自的车轮中心轴旋转，以改变摆杆与车身的夹角，摆杆上的链条和链轮随车轮一起转动。这种具有关节链轮的轮式移动结构，可以上、下楼梯、爬斜坡和跨越台阶，并具有快速、平稳的移动性能。但这种结构无法满足六米的磁隔离要求。因此，研制具有自定位功能，同时又体积小巧的磁场强度探测机器人需求非常迫切。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种具有自定位功能的展缩关节式磁场强度探测机器人，使其在满足工作时磁隔离要求的同时，减小了体积和重量，便于运输和维护。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括多个轮模块-关节组合套件、主运载平台、磁场强度传感阵列、标记点涂布机械手臂、无线通讯模块、机载观察及定位设备。标记点涂布机械手臂、无线通讯模块和机载观察及定位设备分别安装在相应的轮模块-关节组合套件上，主运载平台位于机器人中央，磁场强度传感阵列安装在主运载平台上。
所述轮模块-关节组合套件包括轮模块、末端连杆、末端平台、关节臂、关节铰链，连接关系为编码器的轮模块、末端连杆、末端平台、关节臂分别通过关节铰链首尾串联，关节臂可沿关节铰链的轴线水平转动。
所述主运载平台为正多边形结构，该多边形的顶点分别与多个轮模块-关节组合套件中的关节臂通过铰链连接。主运载平台用于放置探测磁场强度的传感器阵列。
所述磁场强度传感阵列为长方体结构，上面均匀分布了多个传感器探头，磁场强度传感阵列水平安放在主运载平台上。磁场强度传感器用于检测探测部位的磁场强度，是对未引爆炸弹等危险物进行探测的工具，将探测到的每一点的磁场强度值回传给磁场成像处理程序，便能够发现埋藏在地下的炸弹位置。
所述标记点涂布机械手臂为四自由度机械臂，用于设置涂布参考点和标记位置，安放在一个轮模块-关节组合套件中的末端平台上。
所述无线通讯模块用于实现对机器人的远程控制，独立安放在其中一个轮模块-关节组合套件中的末端平台上。机器人通过无线通讯模块接收后方操作人员的控制指令并将自身信息传递给后方操作人员。
所述机载观察及定位设备包括全景摄像头、定向摄像头、激光测距仪；这三台设备集成安装在另一个轮模块-关节组合套件的末端平台上，按由外到内的排列依次为定向摄像头、激光测距仪、全景摄像头。机载观察和定位设备用于观测机器人运动路径上的路面情况，其中定向摄像头采集固定方向的环境图像，激光测距仪用于检测机器人与外界物体之间的距离，全景摄像头用于观察机器人周围360度的全景环境信息。采集的这些视觉图像通过无线通讯模块传输到后方的操作人员监视平台，从而使位于后方的操作人员能够随时了解机器人运动方向及其周围的环境。
通过机器人自身携带的机载观察及定位设备和标记物涂布机械臂，使其具有自定位的功能；整机结构为伸展关节式，在工作时展开，保证了6米磁隔离要求，运输和存放时各关节合拢，减小了体积和重量。
本发明的磁场强度探测机器人在工作时机器人按设定步长对探测区域进行逐行扫描，通过磁场强度传感阵列形成磁场分布图像，从而判断出炸弹等危险物埋藏的精确位置，再采用标记物涂布机械手对该位置进行标记，从而将埋藏炸弹的隐藏点变为标记点，为其后的工兵排爆工作做好准备。在机器人执行区域扫描的过程中，位于后方的操作监控人员通过机载观察设备观察机器人周围的环境情况，机器人与后方操作监控人员的信息传递由无线通讯模块完成。
本发明采用可水平展开的关节式轮模块结构，机器人的控制部分均集成在车轮端，磁场强度探测传感器安放在机器人的主运载平台上，主运载平台及展开式关节臂由磁导率极小的铝合金材料制成，关节完全展开时臂长大于6米，该结构的优点在于运输及存放时关节处于收缩状态，可最大限度减小体积；进行探测工作时关节展开，可满足对探测装备的磁隔离要求。另外，利用这种关节冗余结构，通过多个轮模块的协调转动，可实现避开弹坑的旋转过程中，磁场强度探测阵列绝对位姿不变。
为了达到更加理想的减小载体体积效果，关节臂可采用多级关节展开方式，例如，若采用3级关节方式，则每节的长度仅为2米即可，三级关节可在使用时由人工展开，展成直线后人工锁紧，关节的末端仍为轮模块，则能够实现体积更加紧凑的效果。
采用本发明可独立完成检验工作，其本身自带观测及定位系统，体积小巧，填补了使用机器人对危险环境下磁敏感物质探测侦察的空白。同时，本发明避免了现有侦察机器人关节链轮式移动结构的复杂机构，以最小的体积实现了自定位和磁隔离的双重需求。尤其是在国防方面，这种结构小巧、不依赖于GPS的探测机器人可实现对意外情况的快速反应，适用于突发事件的处理需要。
图1为本发明的三维立体结构示意图。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明本实施例是在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，本实施例是以三套模块-关节组合套件为例，包括第一轮模块-关节组合套件1、第二轮模块-关节组合套件10、第三轮模块-关节组合套件15、主运载平台16、磁场强度传感阵列17、标记点涂布机械手臂14、无线通讯模块5、机载定位设备。
其中，三个轮模块-关节组合套件的结构相同，在此以第一轮模块-关节组合套件1为例说明其构成。第一轮模块-关节组合套件由内置电机及减速器、编码器的轮模块2、末端连杆3、末端转轴4、末端平台6、末端铰链7、第二水平回转式可伸展关节臂8、第一水平回转式可展缩关节臂9、第二关节铰链19、第一关节铰链18组成。轮模块2、末端连杆3、末端平台6、第二水平回转式可展缩关节臂8、第一水平回转式可展缩关节臂9之间依次通过末端转轴4及末端铰链7、第二关节铰链19、第一关节铰链18串联连接，既可相对运动以实现展缩，又可锁死以实现固连。
主运载平台16为等边三角形结构，三个顶点分别与三个轮模块-关节组合套件中的第一水平回转式可展缩关节臂通过第一关节铰链连接(依此方式，主运载平台16与第一轮模块-关节组合套件1的连接即为第一水平回转式可展缩关节臂9通过第一关节铰链18连接)。
磁场强度传感阵列17为长方体结构，水平安放在主运载平台16上。
标记点涂布机械手臂14为四自由度机械臂，用于设置涂布参考点和标记位置，安放在第二轮模块-关节组合套件15中的末端平台上。
机载定位设备(由定向摄像头11、激光测距仪12、全景摄像头13组成)安放在第二轮模块-关节组合套件10中的末端平台上。
无线通讯模块5安放在第一轮模块-关节组合套件1中的末端平台6上。
采用铝合金型材制作第一水平回转式可展缩关节臂9和第二水平回转式可展缩关节臂8，可保证无电磁干扰的同时机器人本体又具有足够的刚度和强度。将机器人整机的驱动及控制系统等集中放置在轮模块附近，满足距离隔离要求，从而实现对磁场传感器不产生干扰。从而实现对移动机器人的设计目的。
如出现一个轮模块遇到弹坑的情况，可保证不需要主运载平台转动角度即可避开弹坑，通过控制具有冗余结构的两个末端关节角(见图1中的末端连杆3与末端平台6之间的夹角和末端平台6与第二水平回转式可展缩关节臂8之间的夹角)，利用三个轮模块的协调转动，可保证在避开弹坑的旋转过程中，磁场强度探测阵列17不发生转动，从而使其绝对位姿不变。
本实施例采用水平结构两级可展缩关节臂形式(见图1中第一水平回转式可展缩关节臂9和第二水平回转式可展缩关节臂8)，使得该机器人在非工作状态时的体积减小，便于入库存放和运输，在保证6米的磁隔离的同时，系统的体积小巧。
从本实施例可看出，本发明的磁场强度探测机器人自身携带定位传感系统和标记物涂布机械臂，具有自定位的功能；整机结构为可展缩关节式，在工作时展开，保证了磁场强度探测阵列的磁隔离要求，运输和存放时各关节合拢，减小了体积和重量。通过三个轮模块的协调转动，可实现避开弹坑的旋转过程中，磁场强度探测阵列的绝对位姿不变。
权利要求
1.一种具有自定位功能的展缩关节式磁场强度探测机器人，包括多个轮模块-关节组合套件、主运载平台、磁场强度传感阵列、标记点涂布机械手臂、无线通讯模块、机载观察及定位设备，其特征在于，标记点涂布机械手臂、无线通讯模块和机载观察及定位设备分别设置在不同的轮模块-关节组合套件上，主运载平台位于机器人中央，磁场强度传感阵列设置在主运载平台上。
2.根据权利要求1所述的具有自定位功能的展缩关节式磁场强度探测机器人，其特征是，所述轮模块-关节组合套件包括轮模块、末端连杆、末端平台、关节臂、关节铰链，编码器的轮模块、末端连杆、末端平台、关节臂分别通过关节铰链首尾串联，关节臂能沿关节铰链的轴线水平转动。
3.根据权利要求2所述的具有自定位功能的展缩关节式磁场强度探测机器人，其特征是，所述关节臂，关节完全展开时臂长大于6米。
4.根据权利要求2或3所述的具有自定位功能的展缩关节式磁场强度探测机器人，其特征是，所述关节臂，为多级关节臂串联，具有关节冗余自由度。
5.根据权利要求1所述的具有自定位功能的展缩关节式磁场强度探测机器人，其特征是，所述主运载平台为正多边形结构，该多边形的顶点分别与多个轮模块-关节组合套件中的关节臂通过铰链连接。
6.根据权利要求1所述的具有自定位功能的展缩关节式磁场强度探测机器人，其特征是，所述磁场强度传感阵列为长方体结构，上面均匀分布了多个传感器探头，磁场强度传感阵列水平安放在主运载平台上。
7.根据权利要求1所述的具有自定位功能的展缩关节式磁场强度探测机器人，其特征是，所述标记点涂布机械手臂为四自由度机械臂，用于设置涂布参考点和标记位置，安放在一个轮模块-关节组合套件中的末端平台上。
8.根据权利要求1所述的具有自定位功能的展缩关节式磁场强度探测机器人，其特征是，所述机载观察及定位设备包括全景摄像头、定向摄像头、激光测距仪；这三台设备集成设置在其中一个轮模块-关节组合套件的末端平台上，按由外到内的排列依次为定向摄像头、激光测距仪、全景摄像头，用于观测机器人运动路径上的路面情况，其中定向摄像头采集固定方向的环境图像，激光测距仪用于检测机器人与外界物体之间的距离，全景摄像头用于观察机器人周围360度的全景环境信息，采集的这些视觉图像通过无线通讯模块传输到后方的操作人员监视平台，从而使位于后方的操作人员能够随时了解机器人运动方向及其周围的环境。
9.根据权利要求1所述的具有自定位功能的展缩关节式磁场强度探测机器人，其特征是，所述无线通讯模块，用于实现对机器人的远程控制，独立安放在其中一个轮模块-关节组合套件中的末端平台上，机器人通过无线通讯模块接收后方操作人员的控制指令并将自身信息传递给后方操作人员。
全文摘要
一种具有自定位功能的展缩关节式磁场强度探测机器人，属于机器人技术领域。本发明包括多个轮模块－关节组合套件、主运载平台、磁场强度传感阵列、标记点涂布机械手臂、无线通讯模块、机载观察及定位设备，标记点涂布机械手臂、无线通讯模块和机载观察及定位设备分别设置在不同的轮模块－关节组合套件上，主运载平台位于机器人中央，磁场强度传感阵列设置在主运载平台上。轮模块－关节组合套件的轮模块、末端平台、水平回转式可展缩关节臂之间通过末端转轴及关节铰链串联连接，既可相对运动实现展缩，又可锁死实现固连；机载定位设备包括全景摄像头、定向摄像头、激光测距仪。本发明可实现自定位，体积小巧，便于使用和维护。
文档编号B25J9/00GK101015915SQ20071003789
公开日2007年8月15日 申请日期2007年3月8日 优先权日2007年3月8日
发明者顿向明, 袁建军, 张伟军, 顿向勇, 辛涛, 高勇 申请人:上海交通大学