一种用于环境监测、环境应急处置和环境修复的工程机器人的制作方法
【专利摘要】本发明提供了一种用于环境监测、环境应急处置和环境修复的工程机器人，其包括机器视觉、自报警、远程操控、GPS实时定位、空气质量检测、土壤地下水采样检测及原位修复、风险识别、环境专家系统、数据处理中心、机器人主体和移动装置；其中，机器视觉系、自报警、远程操控、GPS实时定位、空气质量检测、土壤地下水采样检测及原位修复、风险识别、环境专家系统、移动装置均与数据处理中心连接；土壤地下水采样检测及原位修复装置还设置有钻杆自动填装装置；本发明集成土壤地下水环境风险检测和原位修复、环境质量快速检测、机器视觉、远程操控、GPS实时定位、风险识别和环境专家系统等多种先进技术于一体，结构更加简化，功能更加全面。
【专利说明】
一种用于环境监测、环境应急处置和环境修复的工程机器人
技术领域
[0001]本发明具体涉及一种用于环境监测、环境应急处置和环境修复的工程机器人的结构原理、设计方法、集成功能以及基于这种机器人的网络软件平台和环境专家系统，属于人工智能、机械设计制造、环境监测、环境应急及环境修复等工程技术领域。
【背景技术】
[0002]危险化学品的泄露、燃烧、爆炸等事故的发生，不仅会给当地居民和救援人员带来危害，还会造成土壤、大气以及水体的污染;在事故发生时，高温、黑暗、有毒和浓烟等恶劣环境，一般会导致抢险救援难以实施，亦会加大后期高污染环境治理的难度。
[0003]在爆发环境污染事故时，往往需要专家快速地对现场进行污染判断并做出应对措施，这就要求对现场环境进行快速污染检测和风险评估。但是，目前应急机器人的研究多集中在核辐射环境或者安全消防领域的应用，然而在环保领域中，应对突发复杂环境事故以及污染场地的机器人研究较少。
[0004]因此，迫切需要一种环境应急用机器人，以解决在复杂危险环境事件中的环境事故的现场紧急救援、危险品搬运、环境应急检测以及环境修复等问题。
【发明内容】
[0005]为了解决目前污染场地环境监测、环境应急处理以及环境修复过程中的工况复杂、所需设备繁杂、场地风险高等难题，本发明提供了一种用于环境监测、环境应急处置和环境修复的工程机器人，其集成土壤地下水环境风险检测及原位修复、空气质量快速检测、机器视觉、远程操控、自动报警、GPS实时定位、风险识别和环境专家系统等多种先进技术于一体，结构更加简化，功能更加全面，可以解决环境污染事故和污染场地的环境应急问题并能协助专业人员进行修复工作，弥补了环保领域的机器人应用不足的问题，可以将环境检测人员的伤害和劳动强度降到最低。
[0006]本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:
[0007]—种用于环境监测、环境应急处置和环境修复的工程机器人，所述工程机器人包括机器视觉系统、自报警系统、远程操控系统、GPS实时定位系统、空气质量检测装置、土壤地下水采样检测及原位修复装置、风险识别系统、环境专家系统、数据处理中心、机器人主体和移动装置;其中，机器视觉系统、自报警系统、远程操控系统、GPS实时定位系统、空气质量检测装置、土壤地下水采样检测及原位修复装置、风险识别系统、环境专家系统、移动装置均与数据处理中心连接。
[0008]进一步地，所述土壤地下水采样检测及原位修复装置设置有钻杆自动填装装置，钻杆自动填装装置包括轨道板、滑移板、钻杆油缸、钻杆夹持板、卡瓦、钻杆、安装板、弹簧和涡轮马达组件;轨道板和安装板焊接在一起，并通过螺栓连接在所述土壤地下水采样检测及原位修复装置的工作支架上；涡轮马达组件安装在轨道板上，滑移板设置在轨道板的上方，滑移板和轨道板之间可通过涡轮马达组件进行相对运动;滑移板的一端上设有钻杆油缸，钻杆油缸和滑移板固定设置;滑移板的另一端设有两个钻杆夹持板，两个钻杆夹持板相对安装，两个钻杆夹持板的中间设有弹簧，钻杆可垂直安装在两个钻杆夹持板之间;钻杆油缸的油缸内杆可插入两钻杆夹持板之间。
[0009]进一步地，所述钻杆自动填装装置的填装过程如下:在所述土壤地下水采样检测及原位修复装置的高频液压动力头向下打钻时，两钻杆夹持板打开，滑移板后移，将钻杆放入，而后钻杆夹持板夹紧钻杆;待打钻结束，高频液压动力头上升完毕，滑移板前移，使钻杆到达打钻位置，高频液压动力头向下移动压紧钻杆;钻杆夹持板打开，滑移板后移，高频液压动力头开始向下打钻，如此循环工作。
[0010]进一步地，所述土壤地下水采样检测及原位修复装置位于机器人主体的前方;所述机器视觉系统、自报警系统、GPS实时定位系统、空气质量检测装置、风险识别系统、环境专家系统和数据处理中心均设置在机器人主体上，机器人主体安装在移动装置的上面。
[0011]所述土壤地下水采样检测及原位修复装置通过连接机构安装在机器人主体的正前方;所述连接机构包括轨道滑槽、推移架体、变幅油缸、仰俯油缸、推移油缸、伸缩筒和连接板，连接板与所述土壤地下水采样检测及原位修复装置连接，轨道滑槽装入所述机器人主体上的滑轨内，并通过销轴固定;所述变幅油缸、仰俯油缸和推移油缸分别可实现所述土壤地下水采样检测及原位修复装置的水平摆动、仰俯、前后移动的动作。
[0012]进一步地，所述远程操控系统包括发射器和接收器，发射器包括键盘模块、电源模块、MCU控制模块和无线发射模块;接收器包括无线接收模块、MCU驱动模块和控制驱动模块。
[0013]进一步地，所述空气质量检测装置包括氧气含量检测器、射线检测器、有毒有害气体检测器、可吸入颗粒检测器和温湿度检测器。
[0014]进一步地，所述移动装置为履带式底盘。
[0015]本发明的工程机器人主要涉及到以下几个方面的设计，具体如下:土壤和地下水风险检测及原位修复装置的设计、空气风险检测模块设计、视觉系统分析、GPS实时定位、环境专家系统以及风险识别的设计，其技术路线如图1(a)所示。
[0016]本发明的工程机器人结构精炼、集成效果好、功能全面，能够满足环境检测的复杂工况、应急响应以及环境修复的要求，比如能够独立进行重污染区的无人操作、搬运危险化学物品、完成污染事故紧急处理等，可以将环境检测人员的伤害和劳动强度降到最低，实用价值高，十分方便;本发明具体优点如下:
[0017](I)本发明的机器人采用混合动力系统，可以在缺氧或无氧环境中自由行走;此夕卜，本发明安装有移动装置，可以自由行走，不需要吊车吊装，十分方便。
[0018](2)本发明的机器人主体可以通过GPS实时定位。
[0019](3)污染场地的现场环境数据和机器人自身的运行状态可以实时传输到控制中心，控制中心可通过环境风险识别系统，对机器人到达的区域或目标位置进行环境风险评估。
[0020](4)本发明的机器人还可以对高风险化学品和高危环境进行自动识别，也可接受风险识别系统的风险区域和目标的坐标参数，适时采取自动防护措施。
[0021](5)本发明的机器人不仅可实现土壤和地下水的无扰动取样和环境风险快速检测;还可实现土壤和地下水环境的原位应急处理和修复，功能全面。
[0022](6)本发明的机器人可对大气中的有毒有害气体以及主要大气环境参数进行快速检测;空气质量检测装置可以实时、定时检测某一地点在某一时间段的空气污染物数值。
[0023](7)本发明的机器人可以与控制中心的风险识别系统以及环境应急与修复专家系统实时沟通工作。
[0024](8)本发明的机器人可以实现钻杆的自动填装:传统钻杆填装操作需要人工精确定位、拧紧，此过程费时费力，工人劳动强度大。本发明的钻杆自动填装装置只需工人定时将钻杆填入卡瓦中即可，其余定位、拧紧等操作由钻杆自动填装装置和土壤地下水采样检测及原位修复装置配合完成，可大大减轻劳动强度，节省人力。
【附图说明】
[0025]图1为本发明的工程机器人的示意图:(a)为技术设计图；(b)为总体结构示意图；
[0026]图2为机器视觉系统的示意图:(a)为总体组成示意图；(b)为硬件组成示意图；(C)为软件组成示意图；(d)为基于位置的视觉闭环控制框图；
[0027]图3为自报警系统的示意图；
[0028]图4为远程操控系统的电路结构图；
[0029]图5为GPS实时定位系统的示意图；
[0030]图6为空气质量检测装置的框架图；
[0031 ]图7为风险识别系统的原理图；
[0032]图8为环境专家系统的结构示意图；
[0033]图9为土壤地下水采样检测及修复装置的结构示意图；
[0034]图10为连接机构的示意图:(a)为连接机构的主视图；(b)为连接机构的俯视图；
[0035]图11为钻杆填装装置的示意图；
[0036]其中，1-土壤地下水采样检测及原位修复装置;2-单片机;3-数据处理器;4-空气质量检测装置;5-数据采集卡;6-传感器;7-摄像头;8-GPS实时定位系统；9-机器人主体；10-移动装置;11-高频液压动力头总成；12-操纵控制台；13-推力油缸；14-工作支架；15-连接机构；151-轨道滑槽；152-推移架体；153-变幅油缸；154-仰俯油缸；155-推移油缸；156-伸缩筒；157-连接板；16-钻杆自动填装装置；161-轨道板；162-滑移板；163-钻杆油缸；163a-油缸内杆；164-钻杆夹持板;165-卡瓦；166-钻杆;167-安装板；168-弹簧;169-涡轮马达组件;安装轴170。
【具体实施方式】
[0037]下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
[0038]本实施例的机器人包括机器视觉系统、自报警系统、远程操控系统、GPS实时定位系统8、空气质量检测装置4、土壤地下水采样检测及原位修复装置1、风险识别系统、环境专家系统、数据处理中心、机器人主体9和移动装置10;其中，机器视觉系统、自报警系统、远程操控系统、GPS实时定位系统8、空气质量检测装置4、土壤地下水采样检测及原位修复装置
1、风险识别系统、环境专家系统和移动装置10均与数据处理中心连接。
[0039]其中，土壤地下水采样检测及原位修复装置I位于机器人主体9的正前方;机器人主体9作为载体，为机器人提供动力，机器视觉系统、自报警系统、远程操控系统、GPS实时定位系统8、空气质量检测装置4、风险识别系统、环境专家系统和数据处理中心均设置在机器人主体9上，机器人主体9安装在移动装置10的上面，移动装置10可以自行走，提高工作效率，降低工作危险;移动装置11为履带式底盘。
[0040]下面对各系统做进行详细说明。
[0041](I)机器视觉系统
[0042]本实施例创新性地将机器视觉系统应用到环保机器人上，根据机器人的特点设计相应的算法和控制器，将其视觉采集的图像与机器人的运动控制结合，作为一个控制信号经过控制器运算后实现机器人的运动控制，决定紧急避让还是继续前行。
[0043]为了提高机器人在复杂多变的环境中的灵活性和精确性、获得所处环境的完整信息，在机器人主体9上应用了机器视觉系统，机器视觉系统在导航中起到环境探测和辨识的作用。机器视觉系统的总体组成如图2(a)所示。本实例的机器视觉系统可将污染场地的现场情况实时传输到中心控制室，由计算机和工程师根据现场采集的数据及时调整设备的姿态、控制整体设备的行走;此外，机器人本身也可以对高风险化学品和高危环境进行自动识另Ij，并直接做出紧急反应，根据需要选择停止、避让、撤离或采取相应的自保护措施来消除危险。
[0044]对机器视觉系统从硬件和软件两方面进行分析:硬件部分包含摄像头、采集卡及相关的处理器，如图2(b)所示;软件部分主要包括计算机系统软件、视觉信息处理算法等，如图2(c)所示，软件部分整合了大量环境事故现场和污染场地的危险物特征，并将这些特征按事故现场和污染场地的类型和关键参数，以及污染物类型和关键参数进行分类。当机器视觉系统工作时，通过人工设置事故现场和污染场地的类型和关键参数以及污染物和关键参数，软件部分会提取相应的危险物特征库和对比算法，从而实现对危险物的自动识别。
[0045]当环境条件良好，机器视觉系统工作正常时，给定机器人运动的目标位置，首先通过图像分析结合机器人运动模型估计出目标位置与实际位置的误差，产生的位置误差量送入视觉控制模块产生距离、速度信号，由机器人主体9的控制执行机构完成指定的动作，最终到达指定目标位置。当环境恶劣，机器视觉系统采集的数据到达中心控制室，工程师对现场环境不易分辨时，开启机器人的自主控制模式，通过机器人的位置闭环控制器实现机器人的移动。基于位置的闭环控制框图如图2(d)所示。
[0046](2)自报警系统
[0047]机器人主体9上安装有报警检测模块(即自报警系统)，可根据现场情况数据进行分析处理通过不同状态颜色的信号灯给出报警提示。自报警系统主要针对高温、爆炸、辐射、机器续航距离、电力续航时间、氧气含量以及行车坡度进行处理(如图3所示)。
[0048](3)远程操控系统
[0049]以工程机器人为平台，采用具有远距离、高可靠性的多路无限遥控系统，可以实现对机器人的远程控制。可通过手持端按键操作或PC机界面操作两种模式发射操作人员所发出的指令，经过并行、串行变换、信号程序控制、纠错信号等处理形成数字码，经过载波调制后用无线电波发射出去。控制端接收由发射器发出的电波，读取发射器发出的载波信号并解调译码为代表操纵内容的数字信号，经过驱动放大等处理后发出继电器控制信号，进而继电器完成对机器人电磁阀的通/断动作，以实现机器人的无线控制。
[0050]图4是远程操控系统的电路结构图，远程操控系统由发射器和接收器两部分组成，其中发射部分包括键盘模块、电源模块、MCU控制模块和无线发射模块;接收部分包括无线接收模块、MCU驱动模块和控制驱动模块。采用模块化结构，利用软硬件相结合的方法实现远程操控系统的设计;操作人员可以通过手持端的状态指示灯实时监测接收状况，操作员可自由走动选择最佳角度，避免能见度差、污染严重、危险的操作位置，改善操作人员的工作环境。
[0051](4)GPS实时定位系统
[0052]在机器人主体9的下面安装有GPS实时定位系统8，采用GPS技术对机器人进行实时定位监控，利用GSM数字移动通信网络进行实时数据传输，使监控中心能够实时了解机器人的运行状态，对机器人进行控制和调度，保障机器人安全；同时，机器人能够即时与监控中心保持联系和沟通，获取信息，紧急情况下能够快速获得援助，使行驶过程快速、稳定、安全。
[0053]GPS实时定位系统主要由用户部分、控制部分和空间部分组成，其结构如图5所示。GPS实时定位系统将GPS的定位数据处理，通过3G无线网络技术传到监控中心；监控中心收到信息后，传递到机器人的车载终端数据模块，从而控制机器人的具体状态，进行实时监控。
[0054](5)空气质量检测装置
[0055]在机器人主体9的顶部安装有空气质量检测装置4，空气质量风险检测主要包括氧气含量、射线、有毒有害气体、可吸入颗粒和温湿度检测几个方面。监控系统包括传感器、数据采集站、控制站、信号传输系统及控制中心站，总体架构图如图6所示。
[0056](6)风险识别系统
[0057]风险识别是风险评价的首要任务和基础工作，为风险预测及评价提供数据和其他基础资料;通过风险识别为下一步的源项分析，预测风险事故造成的损失大小奠定了基础。风险识别的具体原理如图7所示。
[0058](7)环境专家系统
[0059]如图8所示，环境专家系统是一种以知识为基础，能为某一领域的问题提供“专家级”解决办法的计算机程序。建立各类有毒、有害、易燃、易爆物质的化学特性数据库，污染物质可能污染环境的模型库以及燃烧与爆炸模型库。
[0060]环境专家系统建立各子系统的模型，不断完善专家系统。通过专家系统可以实现对环境污染事故的提前预防和实时监测。事故一旦发生后，能够对事故的性质、危害范围、扩散方式和事故发生地自然环境影响等因素进行及时有效的分析，为决策者提供人员安排、设备使用、紧急处理预案等方面合理化建议，最终为处理突发性环境污染事故提供科学依据和处理方案，使决策者能及时处理事故，减轻事故带来的危害。
[0061 ] (8) 土壤地下水采样、检测及原位修复装置
[0062]如图9所示，土壤地下水采样检测及原位修复装置I通过连接机构15安装在机器人主体9的正前方。连接机构15的具体结构如图10所示，连接板157与土壤地下水采样检测及原位修复装置I把接，轨道滑槽151装入机器人主体9上的滑轨内，而后通过销轴固定。连接机构15中的三类油缸(即变幅油缸153、仰俯油缸154和推移油缸155)分别可实现土壤地下水采样检测及原位修复装置I的前后移动、仰俯、水平摆动的动作。
[0063]土壤地下水采样检测及原位修复装置I中设有高频液压动力头总成11，可以实现对土壤或地下水的无扰动取样，能够解决传统取样设备所采集土壤样品交叉污染、样品代表性差的问题；高频液压动力头总成11还解决了采样过程中高频冲击和回转复合工作问题，以及冲击下压取样管时，推力传导路线以及受力结构的优化问题，其使得采样管、检测探头或修复工具快速进入地下预定的位置，反应快，效率高，并且在必要的时候高频液压动力头总成可以在液压马达的带动下进行旋转，形成冲击和旋转的复合动作以适应某些特殊的环境。
[0064]高频液压动力头总成11的具体结构参见专利ZL2016100122493，一种高频液压动力头及应用该动力头的土壤修复取样钻机。
[0065]如图11所示，土壤地下水采样检测及原位修复装置I设有钻杆自动填装装置16，钻杆自动填装装置16包括轨道板161、滑移板162、钻杆油缸163、油缸内杆163a、钻杆夹持板164、卡瓦165、钻杆166、安装板167、弹簧168和涡轮马达组件169;
[0066]其中，轨道板161和安装板167焊接在一起，通过螺栓把接在工作支架14上;涡轮马达组件169安装在轨道板161上，滑移板162安装在轨道板161的滑轨上，滑移板162通过涡轮马达组件169和本身的蜗杆结构可实现相对于轨道板161的前后移动。滑移板162的一端上安装有钻杆油缸163;滑移板162的另一端设有两个钻杆夹持板164，两个钻杆夹持板164相对安装，单个钻杆夹持板164可绕安装轴170旋转，两个钻杆夹持板164的中间设有弹簧168，钻杆夹持板164上都安装有卡瓦165，钻杆166可由两个钻杆夹持板164夹紧;钻杆油缸163的油缸内杆163a可插入两钻杆夹持板164之间。
[0067]当钻杆油缸163无杆腔进油时，钻杆油缸163的油缸内杆163a伸出，两钻杆夹持板164向两侧转动，松开钻杆166;当钻杆油缸163有杆腔进油时，油缸内杆163a回缩，两钻杆夹持板164靠弹簧168的弹簧力向中间转动，夹紧钻杆166。
[0068]在高频液压动力头11向下打钻时，两钻杆夹持板164打开，滑移板162后移，将钻杆166放入，而后钻杆夹持板164夹紧钻杆166;待打钻结束，高频液压动力头11上升完毕，滑移板162前移，使钻杆166到达打钻位置，高频液压动力头11向下移动压紧钻杆166;钻杆夹持板164打开，滑移板162后移，高频液压动力头11开始向下打钻，如此循环工作。
[0069]其中，滑移板162的前后移动是相对于轨道板161而言的，在这过程中滑移板162和钻杆油缸163相对位置不变，不涉及到钻杆油缸163的油缸内杆163a伸出还是回缩的问题。只要钻杆油缸163不通油，油缸内杆163a是不会伸出或者回缩的。
[0070]本实施例的机器人在结构上实现了钻杆166的自动填装;此外，在功能上采用多学科多领域技术的交叉引用，使机器人能够对高风险化学品和高危环境进行自动识别，也可接受风险识别系统的风险区域和目标的坐标参数，适时采取自动防护措施(做出紧急应急动作或自动避让)，同时还能够和控制中心进行信息的实时传输，方便控制中心的全面管理;最终实现集控制、多功能和智能化于一体的环境检测及施工用应急机器人，为解决不能适应高危环境问题提供新方法。
[0071]以上所述仅为本发明的优选例实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。
【主权项】
1.一种用于环境监测、环境应急处置和环境修复的工程机器人，其特征在于，所述工程机器人包括机器视觉系统、自报警系统、远程操控系统、GPS实时定位系统、空气质量检测装置、土壤地下水采样检测及原位修复装置、风险识别系统、环境专家系统、数据处理中心、机器人主体和移动装置;其中，机器视觉系统、自报警系统、远程操控系统、GPS实时定位系统、空气质量检测装置、土壤地下水采样检测及原位修复装置、风险识别系统、环境专家系统、移动装置均与数据处理中心连接。2.如权利要求1所述的一种用于环境监测、环境应急处置和环境修复的工程机器人，其特征在于，所述土壤地下水采样检测及原位修复装置设有钻杆自动填装装置，钻杆自动填装装置包括轨道板、滑移板、钻杆油缸、钻杆夹持板、卡瓦、钻杆、安装板、弹簧和涡轮马达组件;轨道板和安装板焊接在一起，并通过螺栓连接在所述土壤地下水采样检测及原位修复装置的工作支架上;涡轮马达组件安装在轨道板上，滑移板设置在轨道板的上方，滑移板和轨道板之间可通过涡轮马达组件进行相对运动;滑移板的一端上设有钻杆油缸，钻杆油缸和滑移板固定设置;滑移板的另一端设有两个钻杆夹持板，两个钻杆夹持板相对安装，两个钻杆夹持板的中间设有弹簧，钻杆可垂直安装在两个钻杆夹持板之间；钻杆油缸的油缸内杆可插入两钻杆夹持板之间。3.如权利要求2所述的一种用于环境监测、环境应急处置和环境修复的工程机器人，其特征在于，所述钻杆自动填装装置的填装过程如下:在所述土壤地下水采样检测及原位修复装置的高频液压动力头向下打钻时，两钻杆夹持板打开，滑移板后移，将钻杆放入，而后钻杆夹持板夹紧钻杆;待打钻结束，高频液压动力头上升完毕，滑移板前移，使钻杆到达打钻位置，高频液压动力头向下移动压紧钻杆;钻杆夹持板打开，滑移板后移，高频液压动力头开始向下打钻，如此循环工作。4.如权利要求1、2或3所述的一种用于环境监测、环境应急处置和环境修复的工程机器人，其特征在于，所述土壤地下水采样检测及原位修复装置位于机器人主体的前方;所述机器视觉系统、自报警系统、GPS实时定位系统、空气质量检测装置、风险识别系统、环境专家系统和数据处理中心均设置在机器人主体上，机器人主体安装在移动装置的上面。5.如权利要求4所述的一种用于环境监测、环境应急处置和环境修复的工程机器人，其特征在于，所述土壤地下水采样检测及原位修复装置通过连接机构安装在机器人主体的正前方;所述连接机构包括轨道滑槽、推移架体、变幅油缸、仰俯油缸、推移油缸、伸缩筒和连接板，连接板与所述土壤地下水采样检测及原位修复装置连接，轨道滑槽装入所述机器人主体上的滑轨内，并通过销轴固定;所述变幅油缸、仰俯油缸和推移油缸分别可实现所述土壤地下水采样检测及原位修复装置的水平摆动、仰俯、前后移动的动作。6.如权利要求1、2或3所述的一种用于环境监测、环境应急处置和环境修复的工程机器人，其特征在于，所述远程操控系统包括发射器和接收器，发射器包括键盘模块、电源模块、MCU控制模块和无线发射模块;接收器包括无线接收模块、MCU驱动模块和控制驱动模块。7.如权利要求1、2或3所述的一种用于环境监测、环境应急处置和环境修复的工程机器人，其特征在于，所述空气质量检测装置包括氧气含量检测器、射线检测器、有毒有害气体检测器、可吸入颗粒检测器和温湿度检测器。8.如权利要求1、2或3所述的一种用于环境监测、环境应急处置和环境修复的工程机器人，其特征在于，所述移动装置为履带式底盘。
【文档编号】B25J11/00GK105965547SQ201610577263
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年7月20日
【发明人】尹业新, 秦春艳, 李宁, 徐敏
【申请人】南京市宜德思环境科技有限责任公司