一种用于高危作业的机器人的制作方法

本发明涉及机器人领域，具体是一种用于高危作业的机器人。

背景技术：

鉴于主从遥控操作机器人技术的重大意义和广阔的应用前景，美、日和欧洲各国竞相开发相关的技术。美国NASA针对空间遥控作业研制出具有初步临场感的过程机械手FTS系统和DTF-I系统，并于1993年将其载入航天飞机中。1993年，德国研制的空间遥操作机器ROTEX首次在哥伦比亚航天飞机上进行了太空飞行试验，ROTEX由遥控机器人和手套式人机接口以及具有预见显示能力的立体图像系统构成。在应用较多的海洋开发中，作业级遥控无人水下机器人(ROV)研究较为广泛，1999年底，埃及航空公司的990航班在美国纽约附近海域坠毁，就是由美国海军的“深潜7200(Deep Drone)”型ROV将飞机的黑匣子打捞上来。伴随着通讯技术的迅速发展，基于网络的遥操作机器人技术的研究逐渐发展起来，改变了互联网传输的信息只是人类视觉和听觉可以感知的文字、图像和声音等信息的局面，使互联网成为人类动作行为的载体，从而可实现人类操作功能的延伸。1994年8月，美国加州大学伯克利分校的Goldberg首次将一台SCARA型工业机器人通过服务器连接到网络上，这是世界上第一台基于网络的远程操作机器人，它允许操作者通过网络远程控制该机器人在充满沙子的空间中进行挖掘作业。1995年，澳大利亚的Taylor成功地建立了“Australian Tele robot On the Web”，成为当今最成功的网上机器人。当远程操作者获得授权后，可用计算机通过网络远程控制在澳大利亚实验室中的机器人。更有实用意义的是1998年美国NASA的Backes等人建立的WITS系统，分布在各地的专家都可使用该系统对火星漫游机器人进行远程规划和远程操作。英国则积极利用远程操作技术改造传统的机电系统，并成功地研制了具有力反馈感知功能的远程挖掘机械手。美国和日本则根据远程医疗的需要，先后开发出外科手术辅助远程机器人系统。国内对主从式高危作业机器人的研究还处于进阶发展阶段。我国的“863”计划中，自动化领域智能机器人主题以及航天领域空间机器人专题在1993年就开始将遥操作机器人技术列为关键技 术加以研究，国内有关高校和科研机构也先后开展了远程操作机器人技术的理论和应用研究。“八·五”期间，由两所两校共同承担研制的“智水一II”型AUV搭载有华中理工大学研制的智能两功能水下机械手，并于海洋环境完成自主模拟系挂炸药包，切割缆绳的作业演示。在中船总的领导与组织下，自行研制的以援潜救生为背景的“8A4”型ROV，潜器装有两个功能强大的机械手，带有多种工具，潜水深度可达600米，可进行各种不同的作业。哈尔滨工业大学机器人研究所研制出的主从式遥控微操作机器人力反馈控制系统，当主机械手控制从机械手抓取物体或进行装置时，从机械手可将接触物体时的接触感觉和抓取物体的重力感觉等反馈到主机械手.并通过主机械手上的力触觉反馈系统，使操作者能够获得持续而稳定的接触力感觉，为进一步的微操作机器人实验研究奠定了基础。这是主从式机器人在微操作领域比较成功的范例，但在面临高危操作的复杂环境中，设备的操作性能的研究应较分析性能占有高一点的比重。

在其它领域中，医疗方面，为防止射线对医生的危害，常搭建信号传输距离很短的主从机器人系统，如外国的da Vinci robot，这类机器人系统具有精度高延时小的特点。有效地结合了手术医生的经验和机器人定位精确、运行稳定和操作精度高的特性，可以协助医生完成精细的手术动作，减少手术中因为疲劳产生的误操作和手部的震颤造成的损伤，从而提高手术质量与安全性，缩短治疗时间，减低医疗成本。军事方面。“美伊”战争中，美国派出一批可侦查的高度智能机器人，由于完全由机器人“自作主张”，对一些并非可疑的对象进行袭击，一个月后便被全部撤回。可见机器人自主操作是具有盲目性、程序化的。尤其是在排爆，高危险复杂的环境中研究主从式机器人凭借人思维控制的优势配以和谐便捷的控制结构是十分必要的。

所以，追求模块的精准化，控制的人性化，操作的实时化，交互的远程化，功能的创新化就成为了我们主要的研究方向。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种用人手臂及手部动作来直观、简单的用于高危作业的机器人，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种用于高危作业的机器人，包括机器人车体、机械臂与头盔；

机器人车体，包括机器人机械臂、履带底盘、太阳能帆板与摄像头装置，机器人机械臂、太阳能帆板均放置在履带底盘上，太阳能帆板的中部位置设有支撑杆，且支撑杆固定在履带底盘上，支撑杆顶端设有摄像头装置；

机器人机械臂包括大轴承、小斜杆、斜杆、横轴、机械手、电钻与舵机装置，舵机装置包括机械臂转动舵机、机械臂肘部舵机、手腕拍动舵机、功能转换舵机、机械手张合舵机与手腕转动舵机，小斜杆安装在大轴承上的转动台上，大轴承内部设有机械臂转动舵机，且机械臂转动舵机连接转动台；小斜杆上通过转动轴连接斜杆，小斜杆与斜杆的连接处还设有机械臂肘部舵机，斜杆的另一端通过转动轴连接横轴，斜杆与横轴的连接处设有手腕转动舵机，横轴的另一端设有机械手、电钻，横轴的另一端设有手腕拍动舵机、功能转换舵机，机械手的下方设有机械手张合舵机；

摄像头装置包括摄像头、第一天线、无线图传、第一舵机、第二舵机、二自由度舵机云台，二自由度舵机云台安装在支撑杆顶端，二自由度舵机云台的下方设有第一舵机，二自由度舵机云台的上方通过第二舵机连接无线图传，摄像头设置在无线图传上，无线图传的另一侧设有第一天线；

机械臂包括右手机械臂与左手机械臂；右手机械臂包括右手套、右肘套与右控制装置；右手套与右肘套通过右控制装置连接；右控制装置由第一惯导模块、电位器、第一单片机控制板与第一电源组成；第一惯导模块、电位器、第一电源均与第一单片机控制板连接；第一惯导模块、电位器安装在右手套上，第一单片机控制板与第一电源安装在右肘套上；第一单片机控制板包括第二天线、第一无线模块、第二惯导模块、第一单片机、供电端子，第二天线、第一无线模块、第二惯导模块、供电端子均与第一单片机连接；左手机械臂包括左手套、左肘套与左控制装置；左控制装置包括第二单片机控制板、倾角传感器和无线串口模块、第二电源、单片机使能开关；第二单片机控制板分别与倾角传感器、无线串口模块、第二电源、单片机使能开关连接；左手套上设有倾角传感器与单片机使能开关；左 肘套上安装第二单片机控制板、倾角传感器、无线串口模块；

右控制装置的控制利用第一惯导模块、第二惯导模块采集到的人的手、手臂不同姿势的角度信息，通过第一无线模块传输到机器人机械臂的舵机装置，使得机器人机械臂能够根据人手臂及手部的姿势，实现主从式同步动作；机械手利用第一单片机的AD功能，电位器用于遥控机械手张合舵机，电位器的转动能采集到其线性变化的数据，第一单片机将这些数据换算成舵机装置各角度的脉冲，使机械手的张合与人手同步；

头盔包括头盔本体、摄像头视频显示屏、电池、第三惯导模块、第三单片机、第二无线模块、第三舵机、工作状态指示灯，头盔本体上设有安装摄像头视频显示屏的面罩，摄像头视频显示屏的两侧设有工作状态指示灯，头盔本体内部设有电池、第三单片机、第二无线模块、第三舵机，头盔本体顶部设有第三惯导模块，用其采集操作者头部的姿态信息，第三单片机均与电池、第二无线模块、第三舵机、第三惯导模块连接；第三单片机将信息无线发送至摄像头装置的第一舵机、第二舵机，达到摄像头装置动作与操作者头部动作同步。

作为本发明进一步的方案：履带底盘上设有直流电机、倾角传感器，当机器人车体任意方向的角度倾斜超过30°便强制关闭太阳能帆板。

作为本发明进一步的方案：无线图传采用NRF24L01。

作为本发明进一步的方案：第一惯导模块与第二惯导模块均采用GY-953。

作为本发明进一步的方案：第一单片机采用IAP15F2K61S2。

作为本发明进一步的方案：第一无线模块采用NRF24L01。

作为本发明进一步的方案：摄像头视频显示屏采用1602液晶屏。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明主要应用了高速单片机STC15控制技术、惯导模块GY-953控制技术、利用现有的无线通信技术以及图像传输技术。控制部分是本作品的核心部分，本作品提出了一种不同于以往的控制方式，抛弃了原有的键盘、摇杆等非直观控制方式，选择了用人手臂及手部动作来直观、简单的控制机器人。

机器人车体的机器人机械臂，利用惯导模块采集到的人手臂不同姿势的角度信息，通过无线模块传输到舵机装置，使得机械臂能够根据人手臂及手部的姿势，实现主从式同步动作。履带底盘的移动利用倾角传感器采取手势操控，便于穿戴和灵活控制。机器人行走机构采用履带结构，能跨越10cm高的障碍，转弯半径小于1m。

机器人的机械手部分利用单片机的AD功能，电位器的转动能采集到线性变化的数据，手指关节的动作比较简单，只有手值拍动这一个动作，采用电位器固定在手指处采集转动数据，在不影响精确性的情况下这是最经济、简单的方法。

机器人车体具有一只四自由度机械手，作业的最大高度达到30cm。机械臂最低可水平伸出距地面0.2m，可抓取可疑物品；机械臂纵向旋转180°，机械腕横向旋转360°，以适应不同位置、不同角度放置物体的抓取。抓取器最大开度达15cm。突出特点是具有遥控移动探测及抓取、销毁爆炸物多种作业功能，可根据使用要求装切割器、水炮枪、X光机等多种作业工具和装置。

机器人车体装有具有摄像云台的摄像头装置，用于观察环境和控制作业，通过佩戴一个具有内置液晶显示器的头盔，操作者可观察机器人移动和作业状况。头盔顶部安装惯导模块采集操作者头部姿态信息，利用无线模块发送至机器人，使机器人摄像头16与操作者头部动作同步。这样，一个虚拟现实系统不仅提供给操作者远方工作现场的3D视图，还能够实时地操作远程系统，帮助操作者完成各种复杂的任务，保障使用者的安全。照明系统采用了硅晶体照明灯，具有体积小、重量轻、功耗低、亮度高、更为可靠的特点。

为了提高续航能力，在作业机器人中增加太阳能帆板为电池充电。在光强达到可充电值时，太阳能帆板自动打开进行充电。这样的设计拓宽了机械手的使用范围，增强了机械手的操控性，使此机械手可以适用于比较危险、复杂的工业生产领域(如搬运对人体有害的化学物品)，军事领域(如战场巡逻)或者防爆(如拆除炸弹)等领域。

附图说明

图1是机器人车体的结构示意图；

图2是无线图传的电路图；

图3是右控制装置的电路图；

图中：1-机器人机械臂、2-履带底盘、3-太阳能帆板、4-摄像头装置、5-大轴承、6-小斜杆、7-斜杆、8-横轴、9-机械手、10-电钻、11-机械臂肘部舵机、12-手腕转动舵机、13-手腕拍动舵机、14-功能转换舵机、15-机械手张合舵机、16-摄像头、17-第一天线、18-无线图传、19-第一舵机、20-第二舵机、21-二自由度舵机云台。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

请参阅图1，本发明实施例中，一种用于高危作业的机器人，包括机器人车体、机械臂与头盔。

一、机器人车体

机器人车体，包括机器人机械臂1、履带底盘2、太阳能帆板3与摄像头装置4，机器人机械臂1、太阳能帆板3均放置在履带底盘2上，太阳能帆板3的中部位置设有支撑杆，且支撑杆固定在履带底盘2上，支撑杆顶端设有摄像头装置4。

机器人机械臂1包括大轴承5、小斜杆6、斜杆7、横轴8、机械手9、电钻10与舵机装置，舵机装置包括机械臂转动舵机、机械臂肘部舵机11、手腕拍动舵机13、功能转换舵机14、机械手张合舵机15与手腕转动舵机12，小斜杆6安装在大轴承5上的转动台上，大轴承5内部设有机械臂转动舵机，且机械臂转动舵机连接转动台，控制转动台的旋转。小斜杆6上通过转动轴连接斜杆7，小斜杆6与斜杆7的连接处还设有机械臂肘部舵机11，斜杆7的另一端通过转动轴连接横轴8，斜杆7与横轴8的连接处设有手腕转动舵机12，横轴8的另一端设有机械手9、电钻10，横轴8的另一端设有手腕拍动舵机13、功能转换舵机14，可以随时进行电钻功能与机械手功能的替换，且机械手9与电钻10相对设置， 机械手9的下方设有机械手张合舵机15。

履带底盘2上设有直流电机，机器人车体由四个直流电机驱动，采用差速转向。履带底盘2的结构易于翻越障碍，同时具有减震功能。为了提高机器人本体的续航能力，为机器人车体增加了太阳能帆板3。在光强值足够达到电池充电要求时，自动打开太阳能帆板3。同时考虑到路况崎岖复杂时太阳能帆板3会受到磕碰，在履带底盘2上增加了倾角传感器，当机器人车体任意方向的角度倾斜超过30度便强制关闭太阳能帆板3。

摄像头装置4包括摄像头16、第一天线17、无线图传18、第一舵机19、第二舵机20、二自由度舵机云台21，二自由度舵机云台21安装在支撑杆顶端，二自由度舵机云台21的下方设有第一舵机19，二自由度舵机云台21的上方通过第二舵机20连接无线图传18，摄像头16设置在无线图传18上，无线图传18的另一侧设有第一天线17。无线图传18将摄像头16采集的图像无线传输至头盔的显示屏上。二自由度舵机云台21使摄像头16灵活转动，全方位呈现机器人操作现场画面。无线图传18采用NRF24L01，其输出功率频道选择和协议的设置可以通过SPI接口进行设置。几乎可以连接到各种单片机芯片，并完成无线数据传送工作。具体的连接关系如图2所示。

机器人两侧的太阳能帆板3可根据光的强度开合进行充电。当遇到斜坡等不平路面等复杂路况导致机器人车体倾斜时，机器人车体可自动关合太阳能帆板3以保证机器人车体的稳定。

二、机械臂

机械臂包括右手机械臂与左手机械臂。右手机械臂用于控制机器人机械臂1的动作，左手机械臂用于控制履带底盘2的动作。

1.右手机械臂包括右手套、右肘套与右控制装置。右手套与右肘套通过右控制装置连接。

右控制装置由第一惯导模块、电位器、第一单片机控制板与第一电源组成。第一惯导模块、电位器、第一电源均与第一单片机控制板连接。第一惯导模块、电位器安装在右手套上，第一单片机控制板与第一电源安装在右肘套上。第一单片机控制板包括第二天线、 第一无线模块、第二惯导模块、第一单片机、供电端子。具体的电路连接关系如图3所示。

第一惯导模块与第二惯导模块均采用GY-953。

第一单片机采用IAP15F2K61S2。第一无线模块采用NRF24L01。

其中电位器用于遥控机械手张合舵机15：右控制装置的控制利用第一惯导模块、第二惯导模块采集到的人的手、手臂不同姿势的角度信息，通过第一无线模块传输到机器人机械臂1的舵机装置，使得机器人机械臂1能够根据人手臂及手部的姿势，实现主从式同步动作。机械手9部分利用第一单片机的AD功能，电位器的转动能采集到其线性变化的数据，第一单片机将这些数据换算成舵机装置各角度的脉冲，另机械手9的张合与人手同步。

在机器人机械臂1的前端有一个机械手9和电钻10，二者在一个功能转换舵机14控制下可自由切换，用来抓取炸弹和破拆障碍物。(a)通过执行转换器进行抓手与电钻功能的切换。(b)电钻10高速旋转，进行障碍破除。(c)电钻10穿透障碍物。(d)行驶路线上障碍破除完成，机器人可顺利通过。

由于人的小臂和手腕，手腕和手掌均在直线上保持相对静止，手腕拍动的角度是以手臂拍动角度为参考的。所以，为机械臂手腕的拍动增加了一个运动补偿：在小臂佩带一个第二惯导模块，手腕上佩带的第一惯导模块以小臂为参考，两个惯导模块在手腕进行拍动时角度进行角度相减。

其中右手套的手掌处的控制器由3D打印成型，巧妙地将各个功能控制键植入其中。

2.左手机械臂包括左手套、左肘套与左控制装置。左控制装置由第二单片机控制板、倾角传感器和无线串口模块组成。左控制装置还包括第二电源、单片机使能开关。第二单片机控制板分别与倾角传感器、无线串口模块、第二电源、单片机使能开关连接。

左手套上设有倾角传感器与单片机使能开关。左肘套上安装第二单片机控制板、倾角传感器、无线串口模块。

左控制装置的控制利用倾角传感器采集人手的倾斜角度，当某一方向的倾斜角度大于设定值时，机器人便会向该方向移动。达到手势操作的目的，如(a)手腕下倾，机器人向前移动；(b)手腕上倾，机器人向后移动；(c)手腕左旋，机器人向左转弯；(d) 手腕右旋，机器人向右转弯。

三、头盔

头盔包括头盔本体、摄像头视频显示屏、电池、第三惯导模块、第三单片机、第二无线模块、第三舵机、工作状态指示灯，头盔本体上设有安装摄像头视频显示屏的面罩，摄像头视频显示屏的两侧设有工作状态指示灯，头盔本体内部设有电池、第三单片机、第二无线模块、第三舵机。头盔本体顶部设有第三惯导模块。摄像头视频显示屏采用1602液晶屏。

第三惯导模块：采集操控者头部姿态信息。

第二无线模块：将第三惯导模块的姿态信息传输给操控者右控制装置，再由其中继至机器人车体接收端。

第三单片机：发送PWM脉冲至第三舵机，控制第三舵机转动使面罩升降。点亮工作状态指示灯，显示工作状态。

工作状态指示灯：当面罩降下，操控者开始工作时工作状态指示灯亮以示工作。面罩升起工作状态指示灯灭。

摄像头视频显示屏：接收机器人的无线车体图传发送的摄像头画面并利用VR(虚拟现实)技术3D显示。

显示头盔顶部装有第三惯导模块，用其采集操作者头部的姿态信息，第三单片机将信息无线发送至摄像头装置4的第一舵机19、第二舵机20，达到摄像头装置动作与操作者头部动作同步的效果。

显示头盔的摄像头视频显示屏的成像是利用了VR(虚拟现实)技术，将摄像头16采集到的信息转化为可成像的虚拟三维操作界面，提供使用者关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟，让使用者如同身历其境一般，可以及时、没有限制地观察三度空间内的事物，更加直观的完成控制机器人完成高危作业的任务。其中由于虚拟现实是的所呈现出的图像是是一个三维的图像，照片无法捕捉到，这里就将只给出摄像头16采集到未经头盔VR技术处理的图像。

本发明核心控制芯片采用了IAP15f2k61s2-SKDIP28(STC15系列)单片机和STC15F104E-DIP8单片机。

STC15系列单片机是STC生产的单时钟/机器周期(1T)的单片机，是高速/高可靠/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，用第八代加密技术，加密性超强，指令代码完全指令代码完全兼容传统8051，但速度快8-12倍。内部集成高精度R/C时钟(0.03％)，±1％温飘(-40℃～+85℃)，常温下温飘±0.6％(-20℃～+65℃)，5MHz～35MHz宽范围可设置，可彻底省掉外部昂贵的晶振和外部复位电路(内部已集成高可靠复位电路，ISP编程时8级复位门槛电压可选)。3路CCP/PWM/PCA，8路高速10位A/D转换(30万次/秒)，内置2K字节大容量SRAM，2组高速异步串行通信端口(UART1/UART2，可在5组管脚之间进行切换，分时复用可作5组串口使用)，1组高速同步串行通信端口SPI，针对多串行口通信针对多串行口通信多串行口通信/电机控制/强干扰场合。

惯导模块的选用

惯导模块(AHRS)采用三轴陀螺仪、三轴加速度计与三轴磁力计进行惯性测量单元的组建。使用者带上装有此模块的手臂组件，将手臂运动的信息转换成可被其他模块识别的姿态数据。考虑到精度和干扰以及运动补偿，采用了两块GY953模块，相关参数如下：

模块尺寸：15.5mm*15.5mm

通信方式：1.串口(9600，115200)，2.SPI通信(4线)

供电电源：3v-5v 15ma

输出更新频率：100HZ，

分辨率：0.1度

直接输出：

1.欧拉角(YAW ROLL PITCH)；

2.九轴传感器原始数据(加速度，陀螺仪，磁力计)；

3.四元素输出。

本发明的控制模块的主要控制芯片为GY953，实质是电子罗盘带倾斜补偿模块。

GY953是一款低成本AHRS模块。工作电压3-5v功耗小，体积小。其工作原理是通过陀螺仪与加速度传，磁场感器经过数据融合算法最后得到直接的角度数据。此模块，有两种方式读取数据，即串口(TTL电平)或者SPI(4线)通信方式。该产品精度高，稳定性高。能够在任意位置得到准确的角度，

数据计算方法：

欧拉角计算方法：角度＝高8位<<8|低8位(结果为实际角度乘以100)

例：一帧数据

<0x5A -0x5A -0x45-0x06 -0x00-0x64-0x03-0XE8-0x27-0x10-0x85>

表示欧拉角：Roll＝1.00度，Pitch＝10.00度，Yaw＝100.00度

陀螺仪磁场加速度原始数据计算方法：原始数据＝高8位<<8|低8位

例：一帧数据

<0x5A -0x5A -0x15-0x06 -0x00-0x64-0x03-0xE8-0x27-0x10-0x55>

表示加速度原始数据：

X＝0x0064，Y＝0x03E8，Z＝0x2710

四元素计算方法：数据＝高8位<<8|低8位(结果为实际乘以10000)

例：一帧数据

<0x5A -0x5A -0x15-0x08 -0x00-0x64-0x03-0xE8-0x03-0xE8-0x03-0xE8-0xF6>

表示四元素数据：

q0＝0.01，q1＝0.1，q2＝0.1，q3＝0.1。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。