一种适于狭长隧道自主避障的机器人的制作方法

本发明涉及机器人领域，特别是一种适于狭长隧道自主避障的机器人。

背景技术：

近年来随着隧道工程的增多，隧道内往往存在狭长、不定向而且多重墙壁障碍；这种环境下机器人比较难于控制。机器人在隧道内巡检时，需要将实时图像传输至控制站，同时控制站需要对机器人下达控制指令；数据和信号的传输往往采用有线电缆进行，这样就给机器人的行驶带来了困难；在早期技术条件下，机器人和控制站之间的通信主要分有线通信、无线电通信、光通信等，针对隧道环境由于缺乏高效的远距离通信方式，有线通信一度被用于隧道机器人，但由于拖拽电缆的环境适应性差，容易引起各种事故，可行性不高；光通信是一种高速、安全、非接触式的通信方式，但受限于光的直线传播，只适合直长隧道内通信，应用也受到限制；无线电在隧道环境内比开放场所衰减更快，通信有效范围受到极大限制，而且受到功率和辐射环境的限制，高增益天线、定向天线不太适用，所以无线通信也受限。

因此，需要一种适于狭长隧道自主避障的机器人。

技术实现要素：

本发明的目的是提出一种适于狭长隧道自主避障的机器人；该机器人提升了机器人在狭长隧道环境下的灵活控制和自主避障能力。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

本发明提供的适于狭长隧道自主避障的机器人，包括移动底盘和云台；所述移动底盘包括车体、摆臂电机、行走电机、行走履带和前摆臂；所述云台包括联动折叠臂和摄像头；

所述车体两侧分别设置行走履带；所述车体上设置联动折叠臂；所述联动折叠臂上端设置摄像头；所述车体前端两侧分别设置前摆臂；

所述车体一侧的行走履带和摆臂履带通过位于同侧的行走电机驱动；所述摆臂电机设置于车体前端；所述摆臂电机通过摆臂传动轴与分别设置于车体前端两侧的履带主动轮连接；所述车体两侧的履带主动轮与摆臂主动轮分别采用同轴连接；所述车体两侧的摆臂主动轮通过履带分别与车体前端两侧的前摆臂连接。

进一步，所述车体前端两侧的前摆臂分别通过同一个双输出蜗轮蜗杆减速电机来实现驱动。

进一步，所述行走电机和摆臂电机分别加装密封式隔水防护罩。

进一步，所述联动折叠臂包括旋转底座、第一折叠臂、第二折叠臂、第三折叠臂、升降电机、摄像头平衡电机、第一同步带和第二同步带；

所述旋转底座设置于车体上；所述旋转底座上设置升降电机；所述升降电机的转动轴与第一折叠臂连接；

所述第一折叠臂与第二折叠臂连接处设置第一同步带轮；所述同步带轮通过第一同步带与升降电机的转动轴连接；

所述第二折叠臂的另一端与第三折叠臂连接处设置第二同步带轮；所述第二同步带轮通过第二同步带与第一同步带轮连接；

所述第三折叠臂的另一端设置摄像头平衡电机；所述摄像头平衡电机的转动轴与摄像头平衡关节连接；所述摄像头平衡关节与摄像头连接。

进一步，还包括通信单元、处理器和控制器；所述摆臂电机、行走电机、升降电机、摄像头平衡电机分别通过电机驱动器与控制器连接；所述控制器与处理连接；所述通信单元与处理器连接。

进一步，所述车体上还设置有温度传感器、电流传感器和气体传感器；所述温度传感器与处理器连接，用于获取车体所处环境的温度信号；所述电流传感器与处理器连接，用于获取工作电流信号；所述气体传感器与处理器连接，用于获取车体所处环境的气体信号。

进一步，所述控制器与电机驱动器之间设置有光耦隔离；所述电机驱动器通过退耦滤波与电源连接。

进一步，所述车体上还设置有分别与处理器连接的倾角传感器和超声波传感器；所述超声波传感器采用业字型分别设置于车体前端用于获取车体行驶位置信号；所述倾角传感器设置于车体中心位置用于获取车体倾角信号。

进一步，所述通信单元采用WIFI通信。

由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：

本发明提供的适于狭长隧道自主避障的机器人，提升了隧道机器人在狭长隧道环境下的灵活控制和自主避障能力，通过ARM控制平台及多模块化传感器融合，借助WIFI通信和图传以及树莓派辅助图像处理、信号处理的控制系统，解决了隧道复杂环境下通信不畅、图传不清晰、无法自主壁障等控制方面的问题，同时解决了人可远离隧道环境进行操作、巡检的难题。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

本发明的附图说明如下。

图1为整体机构。

图2为移动底盘。

图3为云台结构。

图4为电气框架图。

图5为电机驱动电路。

图6为行走监控单元电路。

图7为姿态单元电路图。

图8为气体检测单元电路图。

图9为通信结构。

图中，1为车体、2为摆臂电机、3为联动折叠臂、4为行走电机、41为行走履带、5为前摆臂；6为摄像头、7为摆臂传动轴、71为摆臂履带、8为履带主动轮、9为摆臂主动轮；

31为旋转底座、32为第一折叠臂、33为第二折叠臂、34为第三折叠臂、35为升降电机、36为摄像头平衡关节、37为摄像头平衡电机、38为第一同步带、39为第二同步带。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

如图所示，本实施例提供的适于狭长隧道自主避障的机器人，包括移动底盘和云台；所述移动底盘包括车体1、摆臂电机2、行走电机4、行走履带41和前摆臂5；所述云台包括联动折叠臂3和摄像头6；

所述车体两侧分别设置行走履带；所述车体上设置联动折叠臂；所述联动折叠臂上端设置摄像头；所述车体前端两侧分别设置前摆臂；

所述车体一侧的行走履带和摆臂履带71通过位于同侧的行走电机驱动；所述摆臂电机设置于车体前端；所述摆臂电机通过摆臂传动轴7与分别设置于车体前端两侧的履带主动轮8连接；所述车体两侧的履带主动轮8与摆臂主动轮9分别采用同轴连接；所述车体两侧的摆臂主动轮通过履带分别与车体前端两侧的前摆臂连接。

所述车体前端两侧的前摆臂分别通过同一个双输出蜗轮蜗杆减速电机来实现驱动。

所述行走电机和摆臂电机分别加装密封式隔水防护罩。

所述联动折叠臂3包括旋转底座31、第一折叠臂32、第二折叠臂33、第三折叠臂34、升降电机35、摄像头平衡电机37、第一同步带38和第二同步带39；

所述旋转底座设置于车体上；所述旋转底座上设置升降电机；所述升降电机的转动轴与第一折叠臂连接；

所述第一折叠臂与第二折叠臂连接处设置第一同步带轮；所述同步带轮通过第一同步带与升降电机的转动轴连接；

所述第二折叠臂的另一端与第三折叠臂连接处设置第二同步带轮；所述第二同步带轮通过第二同步带与第一同步带轮连接；

所述第三折叠臂的另一端设置摄像头平衡电机；所述摄像头平衡电机的转动轴与摄像头平衡关节36连接；所述摄像头平衡关节与摄像头连接。

还包括通信单元、处理器和控制器；所述摆臂电机、行走电机、升降电机、摄像头平衡电机分别通过电机驱动器与控制器连接；所述控制器与处理连接；所述通信单元与处理器连接。

所述车体上还设置有温度传感器、电流传感器和气体传感器；所述温度传感器与处理器连接，用于获取车体所处环境的温度信号；所述电流传感器与处理器连接，用于获取工作电流信号；所述气体传感器与处理器连接，用于获取车体所处环境的气体信号。

所述控制器与电机驱动器之间设置有光耦隔离；所述电机驱动器通过退耦滤波与电源连接。

所述车体上还设置有分别与处理器连接的倾角传感器和超声波传感器；所述超声波传感器采用业字型分别设置于车体前端用于获取车体行驶位置信号；所述倾角传感器设置于车体中心位置用于获取车体倾角信号。

所述通信单元采用WIFI通信。

实施例2

本实施例提供的适于狭长隧道自主避障的机器人，提升隧道机器人在狭长隧道环境下的灵活控制和自主避障能力，基于ARM控制平台，多模块化传感器融合，借助WIFI通信和图传以及树莓派辅助图像处理、信号处理的控制系统，将其运用到隧道机器人上。该控制系统的设计，解决了隧道复杂环境下通信不畅、图传不清晰、无法自主壁障等控制方面的问题，同时解决了人可远离隧道环境进行操作、巡检的难题。为传统电缆隧道无需改造即可实现机器人巡检提供了控制方案。

狭长、不定向而且多重墙壁障碍是隧道环境下机器人控制长期无法攻克的难点；因此，对于通信网络本实施例采用WIFI通信；采用大功率的路由器以及大功率天线和多AP网络结构。大功率高增益的天线为平板定向天线和微波盘状天线中的一种；机器人车体必须采用wifi模式将车体信息传输给控制箱。由于控制箱的位子先对于通信网络来说是固定的，加上其装有工业控制计算机，因此可以采用小功率的wifi网卡与网络连接，因此建立控制箱和运动中的机器人车体wifi网络是整个控制环节中最重要的。路由器或者ap数量由隧道长度而定。机器人在隧道内巡检时，需要将实时图像传输至控制站，同时控制站需要对机器人下达控制指令。

如图1所示，图1为整体机构，搭建隧道WIFI环境，利用其传输数据和图像，再利用树莓派进行图像信号处理和控制信号解析；利用ARM平台进行多传感器信号处理和对机器人的控制，是当前比较实用的控制方式。

本隧道机器人分为移动底盘和云台两部分。移动底盘包括车体、行走履带、前摆臂等结构，负责机器人巡航、避障、灵活移动；云台包括伸缩臂和2自由度摄像头等结构，负责线路检查、状态监控、标牌铭牌识别。

图2为移动底盘，移动底盘是核心部件，具有以下功能：行走、转向、爬台阶、爬坡、过门槛、避障等功能。移动底盘主要由车体、摆臂电机、行走电机、行走履带、前摆臂等组成。行走电机和摆臂电机加装密封式隔水防护罩，保证涉水深度200-300mm，涉泥深度50-100mm。单边的行走履带和摆臂履带采用同一个行走电机驱动，通过链条传递输出到前面的履带主动轮上，摆臂主动轮与履带主动轮两轮同心重叠，实现单边履带同步转动。左右两摆臂采用同一个双输出蜗轮蜗杆减速电机驱动，摆臂传动轴穿过中空的摆臂主动轮和履带主动轮，传递到前摆臂，在越障的时候可以实现摆臂的同时抬升，从而实现机械同步和控制简化。

图3为云台结构，云台结构为三节臂联动折叠式升降云台，有7个自由度，目前在市场上大多流行的是折叠臂和伸缩臂。下面是折叠臂与伸缩臂的优劣对比：

(1)折叠臂动作完成快，效率更高；伸缩臂大多采用钢丝绳收放机构，其工作效率相对较低。

(2)同样是三自由度云台，折叠臂能扩大工作范围，而伸缩臂只能在竖直方向升降。

(3)在操作性方面，联动的折叠臂与伸缩臂操作性是相同的，实现一键升降。

本云台升降采用三节折叠臂，一个电机驱动，两条同步带传动，实现三节臂同时折叠收放。这样可以减少电机数量和控制难度。同时加装摄像头平衡关节，保证2自由度摄像头的水平状态，方便摄像头的观看和调整。

优点：结构简单、升降灵活，观察范围较广。

将网络通信与图像传输完全整合在一个ARM架构中，该架构基于A9四核处理器，运行UBUNTU系统，同时在该嵌入式系统中开辟一个TCP转串口通道，由于大部分模块接口并不完全相同，部分模块只支持模拟信号，有些模块还具有完全不同的协议指令，要实现后续模块更换但不影响主要软件结构，控制器必须通过TCP转串口透传通道实现控制指令的完全透传功能，方便各个模块与控制器之间的数据交换协议的临时修改。

图4为电气框架图，图中WIFI网卡、树莓派和工作摄像头(包行导航摄像头)组成网络核心部分，借助于树莓派的UBUNTU系统，实现车体与控制器灵活地组成一个局域网，因此操作者可以借助手机、平板电脑等设备随时查看机器人监控画面。摄像头和网卡均通过USB与树莓派连接，MCU逻辑控制单元采用UART接口连接树莓派，操作者通过TCP端口发下来的指令经树莓派接收后通过UART完全透传给MCU单元进行解释，从而控制本体运动。

电机控制及保护；各个电机驱动器为通用直流电机驱动器，采用PWM调速，正反控制，在驱动信号接口方面有PWM和方向控制接口，因此，MCU逻辑控制单元与电机驱动器的电路连接。

图5为电机驱动电路，至于电机保护，行走电机监控单元主要是监控电机温度和电流，用于保护电机不至于过载或过热损坏。温度监控采用贴片式pt100，电流监控采用CS400B。

温度传感器和电流传感器各需要两个，应为行走机构采用左右独立驱动结构，因此有两个行走电机。传感器与主单片机直接的电路连接如图所示。

图6为行走监控单元电路，图中信号调理网络由低通滤波和比例运放组成，不过温度传感器由于有专门的信号调理模块，一般都是电流输出模式，因此在这里温度传感器部分的调理电路为电流转电压信号比例运放电路，整个电路中所用到的运放采用成熟的OP07低温度漂移运算放大器。

机器人姿态控制，机器人姿态控制及反馈，采用多传感器融合技术。姿态传感器单元主要包括倾角传感器和超声波。倾角传感器采用CQ2-200型，超声波采用KS109型。

倾角传感器采用串口通讯，而KS109由于需要6个，因此采用IIC通信接口，为了减轻主要控制器CPU的负担，这里单独采用一个单片机进行数据测量处理，在统一整合传输给主控制器；

图7为姿态单元电路图；6个超声波传感器安装在机器人本体前面，采用业字型布局。倾角传感器安装在本体中心位置。有利于机器人整体姿态的把控。

隧道内有害气体检测，气体传感器检测单元主要是常用有害气体检测(如二氧化碳、硫化氢、甲烷等)，所有有害气体传感器一般都采用模拟量接口，这里我们需要把传感器的信号滤波后传至单片机AD端口。

图8为气体检测单元电路图，显示面板单元采用专业的工业屏，也是通过串口与主控制器联机。也可以直接选用HDMI显示器直接联机到树莓派上，HDMI显示器屏幕界面直接在树莓派系统里面保留，进一步降低MCU的压力。

隧道内WIFI环境搭建，WIFI尽管有1000米的通信距离，但是由于微波的固有性质，也决定了它只有在空旷的环境下才有如此高的距离，在狭小的隧道环境中一般通信距离仅有不到200米，因此需要大功率路由器，以及大功率天线和多AP网络结构。

根据车体对天线安装要求，大功率高增益的天线选择平板定向天线和微波盘状天线。路由器要求具有较高的功率值，为此我们选择艾泰的842w路由器。

车体在弯曲的隧道中行走，车体必须采用WIFI模式将车体信息传输给控制箱。由于控制箱的位置相对于网络来说是固定的，加上其装有工业控制计算机，因此可以采用小功率的WIFI网卡与网络连接，因此建立控制箱和运动中的车体WIFI网络是整个控制环节中最重要的，因此我们采用大功率定向天线多AP(或者路由器)方式。具有盲区小、AP或者路由器少等优势，而且中断延时时间和天线数量都在可接受范围内。

图9为通信结构，由以上可知在机器人巡航的过程中，机器人可以通过WIFI接收远程控制器的主要动作指令，同时能自己判断障碍并且规避障碍，电缆的检查画面和信息都能通过WIFI传至远程控制箱，方便操作人员专心检查电缆线路，而不必过多担心机器人本身的操作问题，大大提高了巡检效率。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的保护范围当中。