一种剪刀手机器人的制作方法

本发明属于民用上的除草领域和军用上的现代化作战领域，具体地说是一种剪刀手机器人。

背景技术：

在民用方面，随着当前经济的发展，各国现代化建设逐渐深化，城区的道路、公园以及高速公路旁区域的绿化程度也随之提高，大量公共绿化区域需要进行日常维护。在各种绿化区的维护作业中，对斜坡面以及灌木丛等复杂环境下的杂草清除工作最为繁重，不仅劳动强度大，而且存在一定的难度，通常需要耗费大量的人力和财力力。

在军用方面，时间对于现代化作战而言至关重要，特别是在丛林等视线不佳的区域进行近距离作战，然而敌人往往会在丛林中使用网状钢丝等障碍物进行阻拦，目前使用液压钳工具进行人工破除的方法需要耗费大量的人力和时间，从而延误战机。此外，在炸弹爆破领域，人员近距离接触炸弹十分危险，因此能够远程控制来剪切炸弹引线将极大的降低人员危险系数。

目前，能同时具备民用和军用的剪切机器人屈指可数。在民用方面，一种是车轮式剪切机器人：其依靠驱动车轮进行行走和转向，适用于地势相对平坦的地方，不能适应地形环境复杂的斜坡或灌木丛作业，而且效率低。另一种是刀片式剪切机器人：其依靠旋转刀盘和电机连接来割除杂草，适用于大面积的草坪维护工作。目前存在的剪切机器人在使用过程中都需要操作人员辅助操作，自动化程度低。在军用领域中，目前对于剪切机器人的研究更是处于起步阶段。此外，剪切机器人在刹车和启动的过程中会造成电源模块大电流放电。大电流使电解反应急剧增加，加速蓄电池老化和报废。国内现有剪切机器人对车载电池的保护措施很少，也未采取节能措施。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种剪刀手机器人，使剪切机器人具有灵活度高、适应性强的特点，从而能够完成民用、军用上的多项任务。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种剪刀手机器人，包括车架，所述车架两侧设有行走装置，所述行走装置包括履带、电机和减速机构，所述车架顶部设有剪切装置，所述剪切装置包括剪刀手、电机和传动机构，所述车架顶部设有控制系统、电源系统、通信模块、传感器模块、摄像头模块，所述传感器模块包括压力传感器；

所述控制系统和电源系统、行走装置连接驱动行走装置进行全方位运动；所述控制系统、电源系统、剪切装置连接驱动剪切装置进行张合运动；所述控制系统和通信模块连接实现远程控制；所述控制系统和传感器模块连接用于检测剪刀手是否完成剪切任务；所述控制系统和摄像头模块连接用于获取剪切目标的位置信息。

进一步地，所述车架包括纵向支架、前端横轴、第一车架横轴、第二车架横轴、车架连接轴；其中，所述纵向支架用于支撑车身前端横轴、第一车架横轴、第二车架横轴、车架连接轴，所述电源系统设置在纵向支架的中间；所述前端横轴设置在纵向支架的最前端，用于连通车架两侧的履带轮；所述第一车架横轴、第二车架横轴通过螺母固定在纵向支架底部，用于连通履带减速机构；所述车架连接轴通过螺母固定在纵向支架的上端，用于固定所述剪切装置。

进一步地，所述行走装置包括履带、电机、减速机构，所述减速机构包括第一从动轮、电机支座、一级皮带、一级输出轴齿轮、一级减速连通轴、一级输入轴齿轮、二级输入轴齿轮、二级皮带、第一连接架、法兰圈、螺母、支撑架、履带传动连通轴、传动杆、减震器、履带支撑架、第二连接架、二级履带轮、从动轮支架；

所述电机通过电机支座固定在纵向支架上，所述电机上方设置控制系统和通信模块，所述电机通过一级皮带输出力矩驱动一级输入轴齿轮转动；所述一级输入轴齿轮和一级输出轴齿轮通过一级减速连通轴进行连通，完成第一级减速；所述二级皮带连接一级输出轴齿轮和二级输入轴齿轮；所述二级输入轴齿轮和二级履带轮通过前端横轴进行连通；所述第二连接架连接履带支撑架和前端横轴；所述第一连接架连接履带支撑架和从动轮支架；所述第一从动轮固定在从动轮支架两侧；所述传动杆通过法兰圈、螺母固定在履带传动连通轴上，所述传动杆前端通过第一车架横轴连接所述履带支撑架和所述第二连接架，所述传动杆后端通过所述第二车架横轴连接履带支撑架和第一连接架；所述减震器固定在传动杆中间，起到缓冲的作用；所述支撑架通过螺母固定在传动杆下方，所述支撑架在传动杆的推动下与履带轮共同驱动履带转动，完成行进任务；所述第二从动轮固定在支撑架两侧；所述第三从动轮固定在车架连接轴末端，起到固定履带的作用；所述履带依次绕在第一从动轮、第二从动轮、履带轮、第三从动轮上。

进一步地，所述剪切装置包括剪刀手、步进电机、传动机构，所述传动机构包括偏心轮、步进电机座、动力杆、推动杆、固定座、连接杆、支撑座；

所述步进电机固定在步进电机座上；所述步进电机座通过螺栓和螺母固定在纵向支架上；所述偏心轮固定在步进电机上；所述动力杆、推动杆、连接杆和剪刀手依次连接；所述支撑座支撑剪刀手和连接杆，所述传感器模块固定在支撑座前端，所述摄像头模块设置在支撑座下方；所述固定座套在车架连接轴上，起到固定剪切装置的作用；所述步进电机转动带动偏心轮转动，通过传动机构使剪刀手张开或闭合，通过杆机构完成剪切动作。

进一步地，所述控制系统包括主控制系统、电源控制系统、直流电机控制系统、步进电机控制系统，所述主控制系统和通信模块连接实现远程控制；所述主控制系统和传感器模块连接检测剪刀手是否完成剪切任务；所述主控制系统和摄像头模块连接用于获取剪切目标的位置信息；所述电源控制系统与电源系统连接，用于对整个电源系统进行控制，从而给所述行走装置、剪切装置、控制系统、通信模块、传感器模块、摄像头模块供电；所述直流电机控制系统用于控制行走装置进行全方位运动；所述步进电机控制系统控制所述剪切装置进行张合运动。

进一步地，所述电源系统包括超级电容、直流电源、DC\DC变换器，用于给整个电机负载和IC器件供电；所述直流电源由200～240V的交流电进行充电，所述DC\DC变换器将电压转换为负载所需电压值，并给负载供电；所述超级电容由所述直流电源进行充电；所述电源系统根据负载情况决定超级电容和直流电源的工作状态；所述超级电容从电机负载上获取能量；所述超级电容存储再生制动能量并提供峰值能量，与直流电源组成混合动力源，在剪切机器人起动和加速时利用超级电容提供辅助电流，在平稳运行时利用直流电源单独供能，在制动时利用超级电容吸收能量，保证直流电源工作在安全充放电的电流范围之内。

进一步地，所述通信模块包括无线发射模块和无线接收模块，用于实现控制端和机器人之间的数据通讯，远程实时监测剪切机器人的工作状态；所述无线通信模块采用循环交织纠检错编码，具有无线唤醒功能和组网功能。

进一步地，所述传感器模块采用压力传感器，根据压力数值的大小判断剪切任务是否结束；当剪切任务未完成时，剪切机器人通过压力传感器的数值获取剪切失败的特征信息，由所述控制系统控制机器人再次执行剪切任务，直至任务完成。

进一步地，所述摄像头模块采用高清摄像头采集前方图像，进行图像识别判断需要剪切目标的具体位置，将信息传送给控制系统；所述控制系统控制行走装置、剪切装置相互配合，从而实现剪切任务。

本发明与现有技术相比，其优点为：(1)灵活性强，采用履带式结构，锥齿轮传动，可使机器人实现全方位的运动方式；(2)适用性强，履带式结构使剪切机器人可以在复杂地形上行走，适用用民用、军用等诸多领域；(3)节能性强，绿色环保，超级电容作为峰值能量的提供单元和再生制动能量的存储单元与车载直流电源组成混合动力源，起动和加速时利用超级电容的高比功率提供辅助大电流，保证了直流电源可以长期工作在安全充放电的电流范围之内。

附图说明

图1是本发明一种剪刀手机器人的结构示意图。

图2是本发明一种剪刀手机器人的车架和行走装置结构示意图。

图3是本发明一种剪刀手机器人的剪切装置结构示意图。

图4是本发明一种剪刀手机器人的控制系统结构示意图。

图5是本发明一种剪刀手机器人的电源系统工作示意图。

附图标识：1为车架，2为行走装置，3为剪切装置，4为控制系统，5为电源系统，6为通信模块，7为传感器模块，8为摄像头模块，11为纵向支架，12为前端横轴，13为第一车架横轴，14为第二车架横轴，15为车架连接轴，21为减速机构，22为第一从动轮，23为电机，24为电机支座，25为一级皮带，26为一级输出轴齿轮，27为一级减速连通轴，28为一级输入轴齿轮，29为二级输入轴齿轮，30为二级皮带，31为履带，32为第一连接架，33为法兰圈，34为螺母，35为支撑架，36为履带传动连通轴，37为传动杆，38为减震器，39为履带支撑架，40为第二连接架，41为二级履带轮，42为从动轮支架，43为第二从动轮，44为第三从动轮，51为传动机构，52为步进电机，53为偏心轮，54为步进电机座，55为动力杆，56为推动杆，57为剪刀，58为固定座，59为连接杆，60为支撑座。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。

如图1所示，为本发明一种剪刀手机器人的结构示意图，所述剪切机器人包括车架1，所述车架1两侧设有行走装置2，所述行走装置2包括履带、电机和减速机构，所述车架1顶部设有剪切装置3，所述剪切装置3包括剪刀手、电机和传动机构，所述车架顶部还有控制系统4、电源系统5、通信模块6、传感器模块7、摄像头模块8，所述传感器模块7包括压力传感器。

其特征在于所述控制系统4和所述电源系统5、所述行走装置2连接驱动所述行走装置2进行全方位运动；所述控制系统4和所述电源系统5、所述剪切装置3连接驱动所述剪切装置3进行张合运动；所述控制系统4和所述通信模块6连接实现远程控制；所述控制系统4和所述传感器模块7连接用于检测剪刀手是否完成剪切任务；所述控制系统4和所述摄像头模块8连接用于获取剪切目标的位置信息。

如图2所示，为本发明一种剪刀手机器人的车架和行走装置结构示意图，所述车架1包括纵向支架11、前端横轴12、第一车架横轴13、第二车架横轴14、车架连接轴15；其中，所述纵向支架11用于支撑车身前端横轴12、第一车架横轴13、第二车架横轴14、车架连接轴15，所述电源系统5放置在所述纵向支架11的中间；所述前端横轴12放置在在所述纵向支架11的最前端，用于连通所述车架1两侧的履带轮；所述第一车架横轴13、所述第二车架横轴14通过螺母固定在所述纵向支架11底部，用于连通履带减速机构；所述车架连接轴15通过螺母固定在所述纵向支架11的上端，用于固定所述剪切装置3。

所述行走装置包括履带31、电机23、减速机构21，所述减速机构21包括第一从动轮22、电机支座24、一级皮带25、一级输出轴齿轮26、一级减速连通轴27、一级输入轴齿轮28、二级输入轴齿轮29、二级皮带30、第一连接架32、法兰圈33、螺母34、支撑架35、履带传动连通轴36、传动杆37、减震器38、履带支撑架39、第二连接架40、二级履带轮41、从动轮支架42；

所述电机23通过所述电机支座24固定在所述纵向支架11上，所述电机23上方放置所述控制系统4和所述通信模块6，所述电机23通过所述一级皮带25输出力矩驱动所述一级输入轴齿轮28转动；所述一级输入轴齿轮28和所述一级输出轴齿轮26通过所述一级减速连通轴27进行连通，完成第一级减速；所述二级皮带30连接所述一级输出轴齿轮26和所述二级输入轴齿轮29；所述二级输入轴齿轮29和所述二级履带轮41通过所述前端横轴12进行连通；所述第二连接架40连接所述履带支撑架39和所述前端横轴12；所述第一连接架32连接所述履带支撑架39和所述从动轮支架42；所述第一从动轮22固定在所述从动轮支架42两侧；所述传动杆37通过所述法兰圈33、所述螺母34固定在所述履带传动连通轴36上，所述传动杆37前端通过所述第一车架横轴13连接所述履带支撑架39和所述第二连接架40，所述传动杆37后端通过所述第二车架横轴14连接所述履带支撑架39和所述第一连接架32；所述减震器38固定在所述传动杆37中间，起到缓冲的作用；所述支撑架35通过螺母固定在所述传动杆37下方，所述支撑架35在所述传动杆37的推动下与所述履带轮41共同驱动履带31转动，完成行进任务；所述第二从动轮43固定在所述支撑架35两侧；所述第三从动轮44固定在所述车架连接轴15末端，起到固定履带31的作用；所述履带31依次绕在所述第一从动轮22、所述第二从动轮43、所述履带轮41、所述第三从动轮44上。

如图3所示，为本发明一种剪刀手机器人的剪切装置结构示意图，所述剪切装置3包括剪刀手57、步进电机52、传动机构51，所述传动机构51包括偏心轮53、步进电机座54、动力杆55、推动杆56、固定座58、连接杆59、支撑座60；

所述步进电机52固定在所述步进电机座54上；所述步进电机座54通过螺栓和螺母固定在所述纵向支架11上；所述偏心轮53固定在所述步进电机52上；所述动力杆55、所述推动杆56、所述连接杆59和所述剪刀手57依次连接；所述支撑座60支撑所述剪刀手57和所述连接杆59，所述传感器模块7固定在所述支撑座60前端，所述摄像头模块8放置在所述支撑座60下方；所述固定座58套在所述车架连接轴15上，起到固定剪切装置3的作用。所述步进电机52转动带动所述偏心轮53转动，通过传动机构51使所述剪刀手57张开或闭合，通过杆机构完成剪切动作。

如图4所示，为本发明一种剪刀手机器人的控制系统结构示意图，所述控制系统4包括主控制系统、电源控制系统、直流电机控制系统、步进电机控制系统，所述主控制系统和所述通信模块6连接实现远程控制；所述主控制系统和所述传感器模块7连接用于检测剪刀手是否完成剪切任务；所述主控制系统和所述摄像头模块8连接用于获取剪切目标的位置信息；所述电源控制系统与所述电源系统5连接用于给所述行走装置2、剪切装置3、控制系统4、通信模块6、传感器模块7、摄像头模块8供电；所述直流电机控制系统用于控制所述行走装置2进行全方位运动；所述步进电机控制系统用于控制所述剪切装置3进行张合运动。

如图5所示，为本发明一种剪刀手机器人的电源系统工作示意图，所述电源系统5包括超级电容、直流电源、DC\DC变换器，主要用于给整个电机负载和IC器件供电。所述直流电源由200～240V的交流电进行充电，所述DC\DC变换器将电压转换为负载所需电压值，并给负载供电；所述超级电容由所述直流电源进行充电；所述电源控制系统用于对整个电源系统5进行控制，根据负载情况决定所述超级电容和所述直流电源的工作状态；所述超级电容从所述电机负载上产生能量获取，以此提高能源的利用效率。所述超级电容存储再生制动能量并提供峰值能量，与所述直流电源组成混合动力源，这样可以充分利用直流电源能量密度高的特性以及超级电容功率密度高的特点，在剪切机器人起动和加速时利用超级电容的高比功率提供辅助大电流，在平稳运行时利用直流电源单独供能，在制动时利用超级电容吸收能量，这样便可以保证直流电源长期工作在安全充放电的电流范围之内。

所述通信模块6包括无线发射模块和无线接收模块，主要用于实现控制端和机器人之间的数据通讯，可以远程实时监测剪切机器人的工作状态；所述无线通信模块采用高效的循环交织纠检错编码，具有无线唤醒功能和组网功能。

所述传感器模块7采用压力传感器，根据压力数值的大小判断剪切任务是否结束，此方法具有良好的精确度；当剪切任务未完成，剪切机器人通过压力传感器的数值获取剪切失败的特征信息，由所述控制系统4控制机器人再次执行剪切任务，直至任务完成。

所述摄像头模块8采用高清摄像头采集前方图像，进行图像识别判断需要剪切目标的具体位置，将信息传送给所述控制系统4；所述控制系统4控制所述行走装置2、所述剪切装置3相互配合，从而实现精准的剪切任务。

综上所述，本发明一种剪刀手机器人，具有灵活度高、适应性强的特点，在民用方面可以轻松割除斜坡面、灌木丛环境下的杂草，降低了工人的工作强度，并提高了工作效率；在军用方面可以剪切敌人的钢丝障碍物、剪切炸弹的引线，降低了作战难度，保障了作战人员的安全。超级电容作为峰值能量的提供单元和再生制动能量的存储单元与车载蓄电池组成混合动力源；起动和加速时利用超级电容的高比功率提供辅助大电流，保证了蓄电池长期工作在安全充放电的电流范围之内。