一种四足履带机器人的制作方法

本实用新型涉及机器人领域，具体来说是一种四足履带机器人。

背景技术：

随着社会的发展，人们的人身安全问题越来越受关注，然而当事故发生时，人们往往在没有任何安全措施的情况下进行救援，很可能会引发二次爆炸等恶劣事件，造成更多的人员伤亡。例如不久前发生的天津港“8·12”特别重大火灾爆炸事故，如果灾难发生后，可以先派一个机器人到事故现场先检测现场环境，通过机器人返回过来的信息再来决定开展救援工作，就可以避免很多不必要的伤亡，使救援工作事半功倍。出于这种考虑，需要设计出一种机器人，在危险环境下进行气体，温度检测，样品提取以及对危险设备进行简单操作，克服复杂路况，第一时间检测与处理危险环境现场，解决人工检测的安全性问题，提高工作效率。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，本实用新型提供一种四足履带机器人，分设前后左右4个履带组，克服复杂路况，适应全路况环境，探测装置对气体和/或温度进行探测，取像装置对现场环境进行实时取像，现场机械手根据模型机械手动作对现场样品进行提取和/或对危险设备进行操作，第一时间检测与处理危险环境现场，解决人工检测的安全性问题，提高工作效率。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案：

一种四足履带机器人，包括有主体，所述主体设置有履带装置、提取操作装置和取像装置，还包括有对气体和/或温度进行探测的探测装置，履带装置设有4个分设在主体前后左右的履带组，所述提取操作装置包括有现场机械手和模型机械手，所述模型机械手由人手带动并根据人手动作进行运动，所述现场机械手根据模型机械手动作对现场样品进行提取和/或对危险设备进行操作。

更进一步地，所述履带组包括有柱脚，所述的柱脚设置在主体下端的前后左右四个方向，所述的柱脚下端设置有两个履带盘，柱脚的设置抬高了主体，适应复杂路况的能力更强，越野能力更加突出。

更进一步地，所述的履带组还包括有底板，所述柱脚固定连接在底板下端的四角，所述主体呈帽状，所述底板上端设置有支撑件，所述底板通过支撑件支撑起主体，底板的四角相对于主体有一定的活动空间，当履带组在接触到障碍物时，底板会相应地作出一定的形变而适应地形和环境变化。

更进一步地，所述的柱脚和履带盘间通过合页固定连接，常用的连接方式是焊接，但一旦焊接完成就不可拆卸，使用合页实现连接，结构牢固，可以方便拆卸。

更进一步地，所述的柱脚和底板间通过合页固定连接，原理效果同上。

更进一步地，所述的柱脚和底板为不锈钢，选用不锈钢材料，耐用性好，形变的适应能力强。

更进一步地，所述的模型机械手上设有第一转动关节，所述第一转动关节上设有电位器，所述现场机械手设置有第二转动关节，所述的第二转动关节和第一转动关节对应设置，通过关节的转动实现机械手的多自由度运动，第一转动关节上设有的电位器，可以将第一转动关节的转动的角度、位置信息转化为电位器电位变化的信息，便于测量以及信号传输和转换，转角与电位存在着一一对应的换算关系。

更进一步地，所述的现场机械手和模型机械手具有六个自由度，便于控制现场机械手进行各个角度运动，以便于对现场样品进行提取和/或对危险设备进行操作。

更进一步地，所述的现场机械手和模型机械手的尺寸比例为1:1，更加直观和方便地对现场样品进行提取和/或对危险设备进行操作。

更进一步地，所述的探测装置包括有气体传感器和/或热感应电阻，通过气体传感器探测现场气体，探测气体成分和浓度，包括有毒有害气体和可燃气体，防止人员进入现场后出现中毒现象，接触到有害气体，全面把握现场出现火灾或爆炸的可能性，通过热感应电阻可以实时地探测到现场环境、重要设备及危险物温度。

更进一步地，所述的热感应电阻为Ni120热感应电阻，环境的适应能力强。

更进一步地，所述的取像装置包括有红外摄像头和/或可见光摄像头，通过可见光摄像头可以对现场进行实时取像，可以直观地看到现场环境、设备及危险物等，根据反馈回来的影像，控制机器人运动和操作，红外摄像头的设置可以直观地看到现场环境、设备及危险物温度分布，为控制机器人运动和操作以及人员进入提供依据。

更进一步地，所述的红外摄像头和/或可见光摄像头有一个或以上的转动自由度，可以控制红外摄像头和/或可见光摄像头进行多方位转动，以便于全面观察现场环境。

更进一步地，还包括有主控器，所述探测装置将探测得到的气体和/或温度信息传送给主控器，通过主控器对探测得到的气体和/或温度信息进行存储，再通过主控器将相关信息进行传送，反馈现场的气体环境及温度情况。

更进一步地，还包括有遥控器，所述遥控器连接有模型机械手和/或PC终端和/或移动终端，所述模型机械手和/或PC终端和/或移动终端将控制信号传送给遥控器，所述主控器和/或遥控器对履带装置和/或提取操作装置和/或取像装置进行控制。

更进一步地，所述的遥控器将控制信号传送给主控器，模型机械手和/或PC终端和/或移动终端在远离现场的地方发出控制信号并将控制信号传送给遥控器，通过遥控器实现控制信号远程传输，进而操控主控器，主控器设置在机器人主体上，伴随机器人进入现场，由主控器在现场给机器人的履带装置和提取操作装置传送控制信号并进行控制，同时收集探测得到的气体和/或温度信息。

更进一步地，所述遥控器设置有第一无线模块，所述的遥控器通过第一无线模块将控制信号传送给主控器，所述的主控器设置有第二无线模块，所述主控器通过第二无线模块接收控制信号，操作人员和遥控器远离现场，遥控器通过第一无线模块将操作人员通过模型机械手和/或PC终端和/或移动终端发出的控制信号传送给主控器，机器人处在现场环境中，设置在机器人主体上的主控器通过第二无线模块接收遥控器传送过来的控制信号。

更进一步地，还包括有信号发射器，所述取像装置将视频信号传送给信号发射器，所述的信号发射器将视频信号进行转化并调制在载波信号上发送给PC终端和/或移动终端，取像装置获取的视频信号，数据量和数据流较大，单独设置信号发射器对现场取得的视频信号进行远程发射可以防止视频信号和控制信号相互混乱，同时也加强了视频信号和控制信号的传输。

更进一步地，所述移动终端设有重力感应遥控模式，可以非常方便地对机器人进行控制，操作简易，快捷。

更进一步地，所述移动终端设有语音识别模块和语音控制模式，通过语音进行控制，即便是不用人手也可以进行实时控制，非常方便。

更进一步地，所述主控器设置有舵机驱动模块，针对舵机设置的驱动模块，方便对舵机进行集中控制和管理。

更进一步地，所述舵机驱动模块连接有数字舵机，数字舵机区别于传统的模拟舵机，模拟舵机需要给它不停的发送PWM信号，才能让模拟舵机保持在规定的位置或者让它按照某个速度转动，数字舵机则只需要发送一次PWM信号就能保持在规定的某个位置，数字舵机的出现使48路舵机控制器得以实现。

更进一步地，所述遥控器设置有6路ADC通道，通过ADC通道去采集各个关节的ADC值。

更进一步地，还包括有电源驱动器，所述电源驱动器设置有线性稳压芯片，给数字舵机和各个部件供电，保证了数字舵机电源的稳定性。

更进一步地，所述遥控器设置有USB模块，增加数据传输。

更进一步地，所述主控器控制履带装置进行前后移动、原地旋转以及差速左右转弯，通过主控器控制各个履带盘，协调各个履带盘的输出动作，实现机器人前后移动、原地旋转以及差速左右转弯的各种运动。

本实用新型的有益效果是：分设前后左右4个履带组，克服复杂路况，适应全路况环境，探测装置对气体和/或温度进行探测，取像装置对现场环境进行实时取像，现场机械手根据模型机械手动作对现场样品进行提取和/或对危险设备进行操作，由机器人代替人到达事故现场先检测现场环境，通过机器人返回过来的信息再来决定开展救援工作，就可以避免很多不必要的伤亡，使救援工作事半功倍，第一时间检测与处理危险环境现场，解决人工检测的安全性问题，提高工作效率。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

图1是本实用新型的结构示意图；

图2是本实用新型的系统框架图。

具体实施方式

一种四足履带机器人，包括有主体1，主体1设置有履带装置、提取操作装置和取像装置7，还包括有对气体和/或温度进行探测的探测装置，履带装置设有4个分设在主体1前后左右的履带组，提取操作装置包括有现场机械手31和模型机械手32，模型机械手32由人手带动并根据人手动作进行运动，现场机械手31根据模型机械手32动作对现场样品进行提取和/或对危险设备进行操作，同步率很高，解决了现场机械手31复杂的问题，大大简化了操作。

分设前后左右4个履带组，克服复杂路况，适应全路况环境，探测装置对气体和/或温度进行探测，取像装置7对现场环境进行实时取像，现场机械手根据模型机械手32动作对现场样品进行提取和/或对危险设备进行操作，由机器人代替人到达事故现场先检测现场环境，可以通过机器人查明事故原因，切断高压电源，对故障设备上的按钮进行操控等，通过机器人返回过来的信息再来决定开展救援工作，就可以避免很多不必要的伤亡，使救援工作事半功倍，第一时间检测与处理危险环境现场，解决人工检测的安全性问题，提高工作效率。

履带组包括有柱脚21，柱脚21设置在主体1下端的前后左右四个方向，柱脚21下端设置有两个履带盘22，柱脚21的设置抬高了主体1，适应复杂路况的能力更强，越野能力更加突出，同时也增大了履带装置的驱动能力，负载能力更大，越障能力强。

履带组还包括有底板23，柱脚21固定连接在底板23下端的四角，主体1呈帽状，底板23上端设置有支撑件，底板23通过支撑件支撑起主体1，底板23的四角相对于主体1有一定的活动空间，当履带组在接触到障碍物时，底板23会相应地作出一定的形变而适应地形和环境变化，柱脚21和履带盘22间通过合页固定连接，常用的连接方式是焊接，但一旦焊接完成就不可拆卸，使用合页实现连接，结构牢固，可以方便拆卸，制造工艺比焊接安全，柱脚21和底板23间通过合页固定连接，原理效果同上，柱脚21和底板23为不锈钢，柱脚21为铝合金，耐用性好，形变的适应能力强，适应多种复杂路况，比如沙地、草地、鹅卵石路等，可以进行爬坡、下坡。

模型机械手32上设有第一转动关节，第一转动关节上设有电位器，现场机械手31设置有第二转动关节，第二转动关节和第一转动关节对应设置，通过关节的转动实现机械手的多自由度运动，第一转动关节上设有的电位器，可以将第一转动关节的转动的角度、位置信息转化为电位器电位变化的信息，便于测量以及信号传输和转换，转角与电位存在着一一对应的换算关系。

模型机械手32可由KT板制成。

现场机械手31和模型机械手32具有六个自由度，便于控制现场机械手31进行各个角度运动，以便于对现场样品进行提取和/或对危险设备进行操作，现场机械手31可以对现场故障设备上的按钮进行操控。

现场机械手31和模型机械手32的尺寸比例为1:1，更加直观和方便地对现场样品进行提取和/或对危险设备进行操作。

探测装置包括有气体传感器和/或热感应电阻，通过多种气体传感器探测现场气体，探测气体成分和浓度，包括有毒有害气体和可燃气体，防止人员进入现场后，接触到有害气体，出现中毒现象，同时，全面把握现场出现火灾或爆炸的可能性，通过热感应电阻可以实时地探测到现场环境、重要设备及危险物温度。

热感应电阻为Ni120热感应电阻，环境的适应能力强。

取像装置7包括有红外摄像头和/或可见光摄像头，通过可见光摄像头可以对现场进行实时取像，监测实时路段，可以直观地看到现场环境、设备及危险物等，根据反馈回来的影像，控制机器人运动和操作，红外摄像头的设置可以直观地看到现场环境、设备及危险物温度分布，对图像所有像素点进行温度检测，再进行相关算法对比，反映出是否有温度异常的区域，监测环境温度，反映温度异常区域，为控制机器人运动和操作以及人员进入提供依据。

红外摄像头和/或可见光摄像头有一个或以上的转动自由度，可以控制红外摄像头和/或可见光摄像头进行多方位转动，以便于全面观察现场环境。

一种四足履带机器人还包括有主控器6，探测装置将探测得到的气体和/或温度信息传送给主控器6，通过主控器6对探测得到的气体和/或温度信息进行存储，再通过主控器6将相关信息进行传送，反馈现场的气体环境及温度情况。

本实施例中的主控器6包括有MCU为HT32F1656的主控板，充分使用其中的USART，ADC+DMA，BFTM，EXTI以及SPI。

一种四足履带机器人还包括有遥控器5，遥控器5连接有模型机械手32和/或PC终端4和/或移动终端，模型机械手32和/或PC终端4和/或移动终端将控制信号传送给遥控器5，主控器6和/或遥控器5对履带装置和/或提取操作装置和/或取像装置7进行控制，PC终端4设置有鼠标和/或键盘，通过鼠标点击操作界面和/或通过键盘对履带装置和/或提取操作装置和/或取像装置7进行运动控制，通过鼠标移动操作PC终端4视频显示区域可相应调节红外摄像头和/或可见光摄像头的监测范围，探测得到的气体和/或温度信息通过PC终端4和/或移动终端进行显示，代替操作人员直接进入现场进行环境探测和操作，遥控器5设置有6路ADC通道，通过ADC通道去采集各个关节的ADC值。

遥控器5将控制信号传送给主控器6，主控器6设置在主体1上，通过遥控器5实现远程传输控制信号并操控主控器6，主控器6设置在机器人主体1上，伴随机器人进入现场，由主控器6在现场给机器人的履带装置和提取操作装置传送控制信号并进行控制，同时收集探测得到的气体和/或温度信息。

遥控器5设置有第一无线模块，遥控器5通过第一无线模块将控制信号传送给主控器6，主控器6设置有第二无线模块，主控器6通过第二无线模块接收控制信号，操作人员和遥控器5远离现场，遥控器5通过第一无线模块将操作人员通过模型机械手32和/或PC终端4和/或移动终端发出的控制信号传送给主控器6，机器人处在现场环境中，设置在机器人主体1上的主控器6通过第二无线模块接收遥控器5传送过来的控制信号，无线传输的方式可以采用WIFI方式或者NRF方式，其中NRF方式可实现1KM的遥控距离，另一方面，也实现了气体和/或温度信息的远程传送，气体和/或温度信息传送到PC终端4和/或移动终端后，PC终端4和/或移动终端进行相应的数据算法处理，评估现场的环境，并在PC终端4和/或移动终端的操作界面上显示出结构，从而来决定下一步要采取的救援措施。

本实施例中的第一无线模块包括有蓝牙主机，第二无线模块包括有HC-05蓝牙从机模块，由主控板进行搭载，接收蓝牙主机无线发来的控制数据。

本实施例中的遥控器5包括有主控芯片为HT32F1656的无线遥控板，也充分使用了其上的USART，ADC+DMA，BFTM以及EXTI，遥控板可以通过USART接收到PC终端4发来的数据，通过HC-05蓝牙模块无线发送出去，从而实行远程控制，可以通过按键进行切换功能模式，切换成，通过6路ADC通道，以DMA方式采集动作捕捉模型机械手32各个关节旋转角度数据，再通过HC-05蓝牙模块无线发送出去，从而远程同步控制现场机械手31，当人手动转动这个模型机械手32时，电位器会随之改变，遥控板会通过自带的6路ADC通道去采集各个关节的ADC值，根据ADC-角度转化公式：角度=（AD_value[1]& 0x0FFF)/14.5;（AD_value[1]& 0x0FFF)为单片机ADC采集的电压值，最大对应4095，电位器最大可转动300度，将4095/300得出 13.65，通过测试取为14.5可获得更准确的角度，这样就可以间接捕捉到手臂瞬时各个关节转动的角度，然后将角度数据通过蓝牙无线传输，从而远程同步控制现场机械手31，而且同步率很高。当想要抓取一件物体时，只需要人操作模型机械手32，就能远程进行操控了，简单灵活。

主控板和遥控板的核心板PCB尺寸33mmX33mm，板载SWD下载接口，有复位电路，电源指示灯，BOOT0和BOOT电平选择接口，以及引出全部的IO口，方便调试。

一种四足履带机器人还包括有信号发射器，取像装置7将视频信号传送给信号发射器，信号发射器将视频信号进行转化并调制在载波信号上发送给PC终端4和/或移动终端，取像装置7获取的视频信号，数据量和数据流较大，单独设置信号发射器对现场取得的视频信号进行远程发射可以防止视频信号和控制信号相互混乱，同时也加强了视频信号和控制信号的传输，本实施例中的信号发射器采用WIFI发射的方式。

将温度、气体、图像等信息及时传回到PC终端4和/或移动终端，通过模型机械手32和/或PC终端4和/或移动终端控制机器人，对危险设备、危险环境作出处理。

移动终端设有重力感应遥控模式，可以非常方便地对机器人进行控制，操作简易，快捷。

移动终端设有语音识别模块和语音控制模式，通过语音进行控制，即便是不用人手也可以进行实时控制，非常方便。

主控器6设置有舵机驱动模块，针对舵机设置的驱动模块，方便对舵机进行集中控制和管理。

本实施例中的舵机驱动模块包括有舵机驱动板，由主控板上一个2P的接线端子通过排线连接舵机驱动板，主控板接收到控制数据后，进行PID算法解析和步态算法规划，得出各个舵机下一时刻需要转动的角度数据，然后把角度数据打包，通过USART发送给舵机驱动板，舵机驱动板只按照数据包完成任务，输出对应PWM通道占空比，驱动舵机转动。

舵机驱动模块连接有数字舵机，数字舵机区别于传统的模拟舵机，模拟舵机需要给它不停地发送PWM信号，才能让模拟舵机保持在规定的位置或者让它按照某个速度转动，数字舵机则只需要发送一次PWM信号就能保持在规定的某个位置，数字舵机的出现使48路舵机控制器得以实现。

一种四足履带机器人还包括有电源驱动器，电源驱动器设置有线性稳压芯片，给数字舵机和各个部件供电，保证了数字舵机电源的稳定性。

本实施例中的电源驱动器包括有电源驱动板，电源输入采用两块7.4V，2200mAh，20c的锂电池供电，给数字舵机提供一个稳定的工作电压7.5V，采用了一款可调、输出电流大的线性稳压芯片LT1764，输出电流最大可达3A，用9片LT1764 IC，给18个数字舵机供电，保证了数字舵机电源的稳定性。

控制信号由主控器6的通道进入信号调制芯片，获得直流偏置电压。主控器6内部有一个基准电路，产生周期为20ms，宽度为1.5ms的基准信号，将获得的直流偏置电压与电位器的电压比较，获得电压差输出。最后，电压差的正负输出到电机驱动芯片决定电机的正反转。当电机转速一定时，通过级联减速齿轮带动电位器旋转，使得电压差为0，电机停止转动， 数字舵机的控制一般需要一个20ms左右的时基脉冲，该脉冲的高电平部分一般为0.5ms-2.5ms范围内的角度控制脉冲部分，总间隔为2ms。以180度角度伺服为例，那么对应的控制关系是这样的：0.5ms对应0度；1.0ms对应45度；1.5ms对应90度；2.0ms 对应135度；2.5ms 对应180度，由此对应关系可以计算出，控制数字舵机转动1度大概需要给一个（2000us/180）==11.11us的脉冲信号，数字舵机区别于传统的模拟舵机，模拟舵机需要给它不停地发送PWM信号，才能让它保持在规定的位置或者让它按照某个速度转动，数字舵机则只需要发送一次PWM信号就能保持在规定的某个位置。因此数字舵机的出现得以实现48路舵机控制。由于HT32F1656自带的PWM通道数目只有8路，而本设计实施例的PWM通道数为4*3+6=18路PWM，因而满足不了本实施例的需求，所以加装舵机驱动板，舵机驱动板所采用的芯片是STM32F103RCT6，可提供18路的PWM通道。

一种四足履带机器人还包括有电机驱动板，采用btn79717电机驱动模块，电源电压输入宽，兼容7.2-24V电源接入，电机驱动板集成LM317稳压器为芯片供电，融合防反接功能，避免因电源接反烧坏驱动器。

遥控器5设置有USB模块，增加数据传输接口。

主控器6控制履带装置进行前后移动、原地旋转以及差速左右转弯，通过主控器6的相关算法控制各个履带盘22，协调各个履带盘22的输出动作，实现机器人前后移动、原地旋转以及差速左右转弯的各种运动。

另外，为避免现场机械手31在操作时出现抖动，影响对现场样品的提取和/或对危险设备的操作，模型机械手32采用精密角度采集器并在软件中采用滤波算法，同时，为了减小气体传感器的误差，在硬件电路中进行优化修改，并在软件中采用滤波算法。

单片机软件开发环境为MDK-ARM，为基于Cortex-M、Cortex-R4、ARM7、ARM9处理器设备提供的一个完整的开发环境。 MDK-ARM专为微控制器应用而设计，不仅易学易用，而且功能强大，能够满足大多数苛刻的嵌入式应用，HT32F1656单片机属于Cortex-M内核系列单片机，使用KEIL_MDK5平台进行程序的编写调试非常方便。

PC终端4使用C#语言编写，C#是微软公司发布的一种面向对象的、运行于.NET Framework之上的高级程序设计语言。使用visual studio2012平台进行编写。调用串口函数与遥控板通信，控制机器人动作。另一方面，PC终端4通过读取WIFI视频流文件获取当前机器人取像的实时视频图像。

PC终端4开启定时器，每10MS检测一次键盘按键值以及鼠标操作，根据按键值改变发送的数据，达到鼠标控制红外摄像头和/或可见光摄像头，将红外摄像头和/或可见光摄像头移动到更好的观察环境；通过键盘操作控制机器人移动，可实现前后移动、原地旋转以及差速左右转弯。

随着时代的不断变迁，Android系统越来越受到广大使用者的喜爱。随着互联网络以及网络基础设施的迅速发展，网络新型终端访问设备也越来越多。在Android系统上开发的程序也越来越多。通过移动终端与外部硬件设备连接，传送报文，并实现具体的动作的研究也日益增多。

移动终端使用Java语言在Google开发平台Android studio2.1编写，通过小型路由器来支持实现。在主体1上安装一个小型路由器，使机器人周围一定范围具有WIFI覆盖，然后将移动终端连接到路由器IP地址，对其发送指令，路由器接收指令后对单片机串口发送数据指令，实现控制。

测试，分别对模型机械手32、PC终端4、移动终端进行测试：

PC终端4：测试通过PC终端4上的方向键控制机器人运动；测试取像装置7采集到的图像信息是否返回到PC终端4；测试PC终端4是否正常显示机器人采集到的温度及气体信息。

移动终端：通过移动终端上的方向键控制机器人运动；测试通过语音控制机器人运动；重力感应控制控制机器人运动。

模型机械手32：任意摆动模型机械手32（模型机械手32可以由KT板制成），观察现场机械手31动作是否同步；测试现场机械手31是否稳定，是否有抖动现象。

测试机器人的环境适应能力：平地行走；沙地行走；鹅卵石路行走；设置障碍物行走，如在在平地上堆放一些木板，塑料等物体。

测试探测装置，将机器人置于不同温度环境，采集不同环境下的温度，同时用温度计测量实时温度，对比采集到的温度准确性。

测试机器人供电续航能力，将航模电池充满电后，对机器人进行疲劳操作测试，直到电池没电，记录下续航时间。

测试条件，使用到的仪器：万用表、示波器。

PC终端4、移动终端都能完成相应的遥控操作，动作流畅；现场机械手31与模型机械手32同步率很高，效果好。机器人在无论是平地，沙地，鹅卵石路，还是有障碍物的环境下，都能轻易通过，对恶劣环境的适应能力和续航能力强。

以上所述，只是本实用新型的较佳实施方式而已，但本实用新型并不限于上述实施例，只要其以任何相同或相似手段达到本实用新型的技术效果，都应落入本实用新型的保护范围之内。