一种模块化智能勘探车的制作方法

本实用新型涉及勘探设备技术领域，具体地说是一种用于应对多种任务的模块化智能勘探车。

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背景技术：
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在国外美国宇航局研究了一款远程遥控太阳能机器人“格罗夫”，其可利用内置雷达向冰原发射无线电波脉冲，脉冲遇到物体后会发生反弹，帮助研究人员了解冰层和雪层的特性。可以在一天当中的任何时间展开研究工作，无论是工作时间还是所能获取的数据都要超过驾驶雪地车的研究人员。帮助了解格陵兰的冰雪积聚和消融情况，用以计算每年的冰原总体物质平衡情况以及所造成的海平面上升幅度。但“格罗夫”造价昂贵，并不可量产，功能虽繁多但大多无法应用于普通的公司进行一般实地研究，不能应用于大众市场。而且，其内部设计过于复杂、精细，容易出现不可预料的情况。

此外，目前并未有很多组织研究关于将手臂控制器做成穿戴式设计，大多手臂遥控器仍使用传统十字方向或摇杆控制。尽管目前国外研究外骨骼控制机械手臂的项目较多，其中德国费斯托公司最新研制一种外骨骼机械手臂，它能够复制人类手指的移动，能够非常精确地模拟操作者的手臂移动，其较强的“反馈感觉”可适用于远程操控。同时，它也比传统的手套箱更具优势，适合于在更危险的环境下提供更多的操作空间。但此项目仍在开发阶段，且造价昂贵，主要使用在工业控制方面，体型较为巨大，不适合放置于移动平台。

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技术实现要素：
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本实用新型的目的就是要解决上述的不足而提供一种模块化智能勘探车，具有可远程操控、结实耐用等特点，解决了当前广泛采用的勘探车造价昂贵与功能单一的主要问题，以及解决了如今单控制难以操作的问题。

为实现上述目的设计一种模块化智能勘探车，包括履带6以及与履带6相适配的底盘7，所述履带6由电机驱动，所述履带6处装设有弹簧减震系统，所述底盘7上设有用于搭载多种数据采集模块的模块化硬件接口，所述底盘7上装设有高清摄像头8以及机械手臂9，所述高清摄像头8、机械手臂9分别与STM32主控板相连。

所述底盘7包括底板、侧装甲、主装甲、侧翼装甲和尾翼，所述底板两侧固定连接有侧装甲，所述底板前侧固定连接有主装甲，所述侧翼装甲安装于底板上方的左右两侧，所述尾翼通过尾翼座安装在底板的尾部。

所述侧装甲左右两边设有电机轴出口，所述侧装甲上侧设有弹簧减震系统预留槽，所述侧装甲边缘处每隔一段距离设有开槽，所述开槽用于固定弹簧减震系统中的避震连杆11，所述主装甲采用多层设计，所述主装甲的下层金属板上方增设有防护装甲，所述主装甲两侧设有履带防护装甲。

所述模块化硬件接口预设于底盘7的侧装甲上，所述数据采集模块包括温湿度传感器模块、光敏电阻传感器模块、高灵敏震动传感器模块、火源探测模块以及一氧化碳气体传感器模块，所述温湿度传感器模块用于监测勘探车周围环境的湿度和温度数据，所述光敏电阻传感器模块用于监测勘探车周围环境光线亮度数值，所述高灵敏震动传感器模块用于检测勘探车车身是否处于稳定状态，所述火源探测模块用于检测勘探车周围1m范围内是否有火源，所述一氧化碳气体传感器模块用于检测空气中的一氧化碳浓度，所述温湿度传感器模块、光敏电阻传感器模块、高灵敏震动传感器模块、火源探测模块、一氧化碳气体传感器模块分别与STM32主控板相连。

所述机械手臂9包括底部云台1、主要支撑关节2、中间传动关节3、固定关节4以及固定模块5，所述底部云台1用于操作整个手臂左右运动，所述底部云台1上连接有主要支撑关节2，所述中间传动关节3与主要支撑关节2之间的支架采用中间镂空设计，所述中间传动关节3与机械手臂9前端连接，所述机械手臂9前端设有固定关节4和固定模块5，所述固定关节4用于使固定模块5保持水平位置。

所述机械手臂9无线连接穿戴式远程手臂控制器，所述穿戴式远程手臂控制器用于以人类手臂的运动控制勘探车的机械手臂9。

所述穿戴式远程手臂控制器上通过编码器支架装设有角度编码器，所述角度编码器无线连接穿戴式远程手臂控制器的控制端，所述控制端与机械手臂9相连，所述机械手臂9在控制端的驱动下运动。

所述机械手臂9采用PVC材料制作。

所述弹簧减震系统包括自上而下依次设置的弹簧10、避震连杆11、滑动槽12和传动轮13，所述传动轮13设置在底部，所述传动轮13随履带6转动，所述传动轮13与避震连杆11相连，所述避震连杆11在滑动槽12内滑动，所述避震连杆11另一端连接弹簧10，所述避震连杆11分布在勘探车左右两侧。

所述底盘7采用高强度2A12铝合金制成。

本实用新型同现有技术相比，具有如下优点：

(1)具有可远程操控、结实耐用等特点，其中的模块化设计系统能解决当前广泛采用的勘探车造价昂贵与功能单一的主要问题，机械手体感操纵设计则能解决如今单控制难以操作的问题；

(2)本实用新型使用粗犷耐用的设计理念，能够在复杂严峻场合下依然耐用、易用、好用，该勘探车可以更换多种不同的模块以适应更多的场合，同时配有远程控制机械手臂，将可适用任务进一步拓展；

(3)本实用新型所述的勘探车手臂远程控制系统，简化了机械手臂的使用方式，可远程控制机械手臂，使用者无需专业培训，操作简单、便捷。

[附图说明]

图1是本实用新型的结构示意图；

图2-1是本实用新型中机械手臂的结构示意图一；

图2-2是本实用新型中机械手臂的结构示意图二；

图3-1是本实用新型中底板的俯视结构示意图；

图3-2是本实用新型中底板的正视结构示意图；

图3-3是本实用新型中底板的侧视结构示意图；

图4是本实用新型中侧装甲的结构示意图；

图5-1是本实用新型中主装甲的结构示意图；

图5-2是图5-1的侧视图；

图5-3是图5-1的俯视图；

图6-1是本实用新型中侧翼装甲的结构示意图；

图6-2是图6-1的俯视图；

图7-1是本实用新型中尾翼的结构示意图；

图7-2是图7-1的俯视图；

图8-1是本实用新型中尾翼座的结构示意图；

图8-2是图8-1的俯视图；

图9是本实用新型中弹簧减震系统的结构示意图；

图10是本实用新型中避震连杆的结构示意图；

图中：1、底部云台 2、主要支撑关节 3、中间传动关节 4、固定关节 5、固定模块 6、履带 7、底盘 8、高清摄像头 9、机械手臂 10、弹簧 11、避震连杆 12、滑动槽 13、传动轮。

[具体实施方式]

下面结合附图对本实用新型作以下进一步说明：

如附图所示，本实用新型提供了一种模块化智能勘探车，能被主要应用于勘探侦测，可适应多种复杂恶劣地形，根据任务需求可自由增减功能实现远程操控，其结构主要包括履带6以及与履带6相适配的底盘7，履带6由电机驱动，履带6处装设有弹簧减震系统，底盘7上设有用于搭载多种数据采集模块的模块化硬件接口，底盘7上装设有高清摄像头8以及机械手臂9，高清摄像头8、机械手臂9分别与STM32主控板相连。

其中，底盘7由5个主要金属骨架组成：底板、侧装甲、主装甲、侧翼装甲和尾翼，该底盘7用于保护各电子模块，底板两侧固定连接有侧装甲，底板前侧固定连接有主装甲，侧翼装甲安装于底板上方的左右两侧，尾翼通过尾翼座安装在底板的尾部，侧装甲左右两边设有电机轴出口，侧装甲上侧设有弹簧减震系统预留槽，侧装甲边缘处每隔一段距离设有开槽，开槽用于固定弹簧减震系统中的避震连杆11，主装甲采用多层设计，主装甲的下层金属板上方增设有防护装甲，主装甲两侧设有履带防护装甲。

如附图3-1至附图3-3所示，底板骨架为一块长390mm，宽135mm，厚3mm的金属板。在多处开孔、开槽，为其他部件安装提供足够的空间和固定点。底板两侧出有专为侧装甲提供的固定支架，底板前侧为主装甲固定支架由型钢弯曲成型，边角采用圆弧设计，防止撞击中产生无必要的冲击力和造成其他器材损坏。

如附图4所示，侧装甲左右两边的φ10mm孔为电机轴出口，其附近的φ3mm孔为电机减速箱的固定点。上侧弧形槽为弹簧避震系统预留槽，是避震系统的关键部分。边缘处每隔一段距离的开槽，为避震系统中连杆装置的固定点，固定点有两个，分别为区分左右侧装甲时，连杆安装位置不同的情况考虑。该侧装甲为一个厚度3mm的金属板加工制成，前后端采用圆弧设计，防止在撞击过程中产生过多的冲击力，同时防止造成不必要的危险情况。侧装甲安装时可无需区分左右，左右两边设计相同。为加工制作提供了方便，也防止后期组装时因为左右安装反从而需要拆除重装的情况发生。

如附图5-1至附图5-3所示，主装甲置于整个底盘的前端，作为第一缓冲装甲，主装甲能抵御来自前方的各种物理冲击，防止碎石、灰尘的直接进入，用于保护底盘履带、腔内控制部分及主要机械结构。其正中央为主防护区域，一块金属板经2次弯曲向下延伸，金属板中间有开槽加工，大大增强了防护区域的坚固程度。采用多层设计，在下层金属板上方增添一块防护装甲，大大加强了整个主装甲的耐冲击性能。上方防护装甲经过开槽、边缘打磨处理，延伸出的两个固定支架能更好的将主装甲固定于底盘之上。该主装甲两侧为履带防护装甲，防止任何物理撞击直接冲击履带，也作为电机轴的主要保护装置。此装甲经多次开槽、弯曲来加固整体结构。

如附图6-1和附图6-2所示，侧翼装甲安装于底盘骨架上方的左右两侧，左右两边在固定支架处略有区分。该侧翼装甲主要用于防护来自侧方的物理冲击对两侧履带造成伤害，同时为整个底盘提供更多的上面板空间，提供更多可安装的测量模块。侧翼装甲上开了3条长度直28mm，孔径φ3mm的槽，用于加强整个侧面板坚固程度，同时可作为大多数增设模块的固定点。该侧翼装甲的设计同时考虑到防护的主要用途和美观对产品的重要性，采用了具有现代感的直线设计，大面积的留白使侧翼装甲在兼具实用性、坚固性的同时，也具有了不错的美观性。

如附图7-1和附图7-2所示，底盘尾翼部分其主要功能为：防止倒车时撞到物体造成的冲击损伤主体、机械手臂安装点、托运物体时的挂钩连接处、安装其他测量及通讯模块。采用多段弯曲设计，上方多处开槽增加坚固程度，同时为其他部件的安装提供固定点。

如附图8-1和附图8-2所示，尾翼座设计主要用途为固定尾翼部分，需要承受包括尾翼装甲、机械手臂和其他增设模块的总体重量，因此尾翼座的设计必须使其有较大的载重量。

如附图9所示，弹簧减震系统包括自上而下依次设置的弹簧10、避震连杆11、滑动槽12和传动轮13，传动轮13设置在底部，传动轮13随履带6转动，传动轮13与避震连杆11相连，避震连杆11在滑动槽12内滑动，避震连杆11另一端连接弹簧10，避震连杆11分布在勘探车左右两侧。其中，连接弹簧与传动轮之间起连接作用的避震连杆，此连杆分布在勘探车两侧，左右各有6个，为减震系统提供有效的传动作用。其工作原理为：底部传动轮随履带转动，当履带向上受力时，传动轮上运动，连杆向上传动，滑动槽内连杆滑动到最左侧，挤压弹簧；当履带失去支撑，传动轮向下运动，连杆向下展开，滑动槽中连杆向右运动，弹簧被拉伸；当在平稳路面运行时，连杆受力较小，滑动槽连杆在中间点附近。

本实用新型中，模块化硬件接口预设于底盘7的侧装甲上，即，底盘侧装甲上留有可安装多种数据收集传感器固定点，并有模块更换口安装于附近，其有益效果是可随时更换任务所需传感器；该数据采集模块包括温湿度传感器模块、光敏电阻传感器模块、高灵敏震动传感器模块、火源探测模块以及一氧化碳气体传感器模块，温湿度传感器模块用于监测勘探车周围环境的湿度和温度数据，光敏电阻传感器模块用于监测勘探车周围环境光线亮度数值，高灵敏震动传感器模块用于检测勘探车车身是否处于稳定状态，火源探测模块用于检测勘探车周围1m范围内是否有火源，一氧化碳气体传感器模块用于检测空气中的一氧化碳浓度，温湿度传感器模块、光敏电阻传感器模块、高灵敏震动传感器模块、火源探测模块、一氧化碳气体传感器模块分别与STM32主控板相连。

如附图2-1和附图2-2所示，机械手臂包括底部云台1、主要支撑关节2、中间传动关节3、固定关节4以及固定模块5，底部云台1用于操作整个手臂左右运动，底部云台1上连接有主要支撑关节2，中间传动关节3与主要支撑关节2之间的支架采用中间镂空设计，中间传动关节3与机械手臂前端连接，机械手臂前端设有固定关节4和固定模块5，固定关节4用于使固定模块5保持水平位置，机械手臂采用PVC材料制作。其中，底部云台用于操作整个手臂左右运动，由单个舵机控制，转向速度为45°/s，可转动角度范围为180°。主要支撑关节由2个舵机共同驱动，此处为机械手臂上部分和抓取目标的主要承重点，因此需要使用两个舵机共同驱动使其保持稳定。中间传动关节主要用于连接手臂前端和基座并使底部舵机可以有效控制前端的精确定位，中间传动关节与主要支撑关节之间的支架采用中间镂空设计，增加整个支架的坚固程度，使用两个细长支架配合轴承提高整个机械手臂的可载重量，使其可以抓取更多重量的物品。固定关节，其一直保持所固定模块保持水平位置，不会因手臂的运动而改变固定模块的朝向。固定模块，此项目在这里搭载的是微型舵机，可进行180度旋转，可以根据不同场景更换不同模块，例如机械爪、吸盘、电磁铁等模块，只需要使用更换四颗螺丝即可完成模块更换，非常方便。

考虑到遥控底盘运动的控制器已经将单个使用者的双手占用，若再加一个机械手臂控制器，一整套的勘探车将无法在单人条件下完全控制。因此我们采用了穿戴式远程手臂控制器的方式，以人类手臂的运动来控制勘探车所搭载的机械手臂，以此提供单人完整控制方案。即，将机械手臂9无线连接有穿戴式远程手臂控制器，穿戴式远程手臂控制器用于以人类手臂的运动控制勘探车所搭载的的机械手臂9，其有益效果是简化了勘探作业的操作；穿戴式远程手臂控制器上通过编码器支架装设有角度编码器，角度编码器无线连接穿戴式远程手臂控制器的控制端，控制端与机械手臂9相连，机械手臂9在控制端的驱动下运动。该机械手臂控制器在外形上类似于医疗辅助外骨骼一般，固定在用户右手手臂上，当用户手臂弯曲、移动时，机械手臂做出相应的动作，达到用户方便、快捷、不需要额外培训即可控制机械手臂的效果。

本实用新型是一种便携远程多功能勘探车，其地形适应能力强，可实现多种步态转换以及爬坡机制。搭载高清摄像头对周围环境进行检测，通过摄像头采集图像信息，经由STM32主控板处理并实现网络传输，控制端可以根据实时图像远程操纵车载摄像头，对周围环境不同位置进行监控。摄像头传回的实时数据可以方便地远程操控勘探车观察周围的环境并指挥机人做出相应的处理。数据传送采用无线遥控，摆脱了有线方式对运动范围的限制。装配的机械臂，可以代替人类在极端环境下实现按程序抓取、搬运、操作工具等动作。可以在复杂的环境下通过自身调节调整位置及姿态，方便勘探车采集目标样本和清除障碍物，为工作人员的健康安全提供保障并完成任务。

关于本实用新型中的底盘：由于考虑到勘探车大多数情况需要在泥泞路、碎石路甚至其他复杂、严峻的场地下使用，因此底盘运动执行部件采用类坦克车辆设计，使用4电机驱动履带进行移动，可实现直行、前进转向、原地自转、直线倒退、倒退转向等基本移动功能；运动执行部件—底盘，采用全金属设计，由5个主要金属骨架组成：底板、侧装甲、主装甲、侧翼装甲和尾翼。有效保护了控制模块、机械手臂、数据收集传感器、电源模块和其他电子设备的安全；履带部分装有减震系统，能在崎岖不平的路面正常行驶，能攀爬不高于自身高度的碎石、草地、物块等障碍物，能跨越小坑道和泥泞路面。减震系统有效保障了电机传动轮和履带传动轮的安全，使其在颠簸路况下依旧能正常、顺畅的驱动履带运行，而且也保护了上身其他模块的稳定和安全。弹簧避震设计：静态压缩量大，固有频率一般在0～5Hz，低频隔振性能好；能耐受油、水等侵蚀，温度变化不影响性能；不会老化，不发生蠕变。考虑到大多数情况、地区的需求。金属防撞结构：金属设计，采用高强度2A12铝合金，在有效增强整体坚固程度的同时增加重量降低重心，防止任务中出现因不确定因素造成勘探车损坏、侧翻等情况，大大提高任务成功率。根据结构性能工艺要求，初步考虑采用压力铸造，以完成较为复杂的结构，然而成本过于高昂故放弃采用铸造。进而考虑热轧型钢，调质处理进而以钻床钻孔于热轧钢板，用铣床完成扩孔及开槽等工作以完成孔的精确定位，再夹持于镗床用镗刀对要求较高孔进行较为精细的加工，完成后将工件装夹于板料折弯机按照设计要求进行折弯，切削成型工艺均完成后进行淬火及低温回火，达到较高的屈服强度，硬度，并保持一定塑性。考虑材料有热轧钢板，冷轧钢板，铝板，采用热轧钢板需要经过调质，淬火，回火等热处理工艺，存在增加成本的环节，但热轧钢成本低廉易得，易于切削成型，淬火回火后有较好的力学性能及工艺性能。冷轧钢不需经过大量繁琐热处理工艺仅需适当处理，降低了工艺成本但材料成本有所上升。2A12型铝合金密度远大于热轧、冷轧型钢，更加易于成型，但力学性能不如轧制钢。经过多次试验得出用冷轧钢成型成本最为低廉，2A12铝合金其次，热轧钢最高，但综合力学性能由热轧钢，冷轧钢，铝合金依次降低。综合考虑，最终选定材料为2A12型铝合金，其为工业硬铝，在不过与恶劣的情况下能够满足使用要求，质量远大于钢板成型，约为其1/3，并且有着良好的切削性能及焊接性能。

关于本实用新型中的机械手臂：由于考虑到此项目勘探车需要在不同的严峻环境下工作，且需要尽量减轻车上重量的同时保持机械手臂的物理强度与化学抗性等，因此机械手臂整体骨骼使用PVC材料制作。PVC主要成份为聚氯乙烯,色泽鲜艳、耐腐蚀、牢固耐用。聚氯乙烯具有阻燃(阻燃值为40以上)、耐化学药品性高(耐浓盐酸、浓度为90％的硫酸、浓度为60％的硝酸和浓度20％的氢氧化钠)、机械强度及电绝缘性良好的优点.但其耐热性较差,软化点为80℃,于130℃开始分解变色,并析出HCI.由于在制造过程中增加了增塑剂、抗老化剂等一些有毒辅助材料来增强其耐热性,韧性,延展性等。具有不易燃性、高强度、耐气侯变化性以及优良的几何稳定性。通过各项权衡，使用PVC材料能同时兼顾经济性与实用性，是制作此项目机械手臂的最佳材料。根据穿戴式设计理念，使用角度编码器采集关节的角度变化数值，通过无线技术传输至控制端的一套设备，用于较为方便、快捷的控制机械手臂进行各项运动。穿戴式设备是通过将市场上贩卖的手臂骨折护具夹板加以改造所制成的。这类医疗用品拥有舒适、耐用、坚固的特点，并且符合机械手臂控制器的关节变化需求，即在肘关节处有120°可变化角度。基本可以满足控制机械手臂的穿戴式设备需求，因此选择此医疗用品加以改造成机械手臂控制器。机械手臂控制器上用于支撑角度编码器的支架为使用3D打印技术制作的树脂件，有着重量轻、材质较硬的优点。编码器支架分两个部件，其中一个用于固定角度编码器并位于上方，另一个用于固定角度编码器的轴，位于下方。两块部件分别固定于穿戴式设备的两个活动关节，并将中心圆处于穿戴式设备的活动中心轴保持同一轴上。这时当穿戴式设备运动时，两片固定部件便可以支撑编码器进行同样的角度运动，以此记录穿戴式设备的运动情况。

关于本实用新型中的模块化设计：该勘探车可能需要在不同的场合采集多种数据以便研究分析，因此能够搭载多种不同的数据采集模块，在不同场合对各项环境数值进行有效采集并储存，对于此项目的研究是必不可少的。通过使用stm32作为模块化系统的控制核心，预设好若干模块化硬件接口，提供可用的通行引脚，并预先根据可能使用到的传感器或者一些功能模块提供对应程序，使用户可以随时根据预设模块进行快速跟换，并能有效将数据保存于Micro SD卡中。其已经预先提供的接口及程序，可以随时投入使用的模块化硬件有：

(1)DHT11温湿度传感器模块：可以有效监测周围环境的湿度和温度数据，为勘探任务提供基本的环境信息。DHT11的湿度测量范围为：20％-95％湿度，湿度测量误差为：±5％；温度测量范围为：0-50°，温度测量误差为：±2°。

(2)光敏电阻传感器模块：监测勘探车周围环境光线亮度数值。可以用于光线亮度不够摄像头进行图像采集时，提醒用户不可将勘探车行驶到此区域内，以防用户丢失勘探车。也可以采集环境光线亮度变化，给予研究人员一定的研究数据。

(3)高灵敏震动传感器模块:可以检测当前勘探车车身是否处于稳定状态。当车身震动时，此模块一直处于指示灯亮状态并提醒用户车身并不稳定。若勘探车并不处于行驶状态，但震动传感器检测到震动，则会提醒用户此地区地质不稳定。

(4)火源探测模块：可以检测勘探车周围1m范围内是否有火源。探测角度为60°。打火机测试此模块火焰距离为1m，若火焰越大，测试距离越远。可以防止勘探车周围起火或有火源的情况发生，提醒用户远离火源，保护勘探车。

(5)一氧化碳气体传感器模块：使用的材料为在清洁空气中导电率较低的二氧化锡，传感器的电导率随空气中的一氧化碳气体浓度增加而增加，以此检测空气中的一氧化碳浓度。此传感器模块有灵敏度高、成本低、可检测多种含一氧化碳的气体的优点。可以用于检测勘探车周围环境中一氧化碳气体浓度，以提供气体反面的研究数据。

本实用新型并不受上述实施方式的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。