专利名称：一种适用于多种环境的定量采样机器人的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种可在不同恶劣环境下进行定量采样的机器人，可对地面灰 尘、污泥、液体，以及空气粉尘、微生物等采样。
背景技术：
现有技术中， 一些特定场所的采样，如对灰尘、污泥、液体，以及空气粉 尘、微生物等的采样，多为手工取样，随意性大，危险性大，或根本无法采集 样本，也导致采样结果不准确。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，针对现有技术存在缺陷，设计一种适用于多 种环境下的定量采样机器人，其定量采样性能稳定且准确性高，具有摄像功能， 它可用笔记本电脑进行控制，操作简单、工作效率高、重量轻、携带方便。
本发明的技术解决方案是，所述适用于多种环境的定量采样机器人包括两 侧装有行走履带的车体，该车体后部顶面可绕中心竖轴转动的底座上装有可绕
水平轴转动的观察罩，所述观察罩装有光学摄像头和照明灯；所述车体设有地 面灰尘定量取样器，其结构特点是
所述观察罩还装有红外线热成像仪摄像头，所述车体或观察罩还装有温度 传感器、湿度传感器、声音传感器、震动传感器、易燃易爆有毒气体传感器、
气压传感器；
所述车体前部两侧各装有一个越障臂，外周装有履带的两个所述越障臂后 端分别同对应转轴的一端固定连接，而位于车体中的所述转轴另一端经对应的 第一伞齿轮副同车体中的第一驱动电机主轴相联；所述越障臂后端的履带驱动 轮的轮轴经相应的第二伞齿轮副同装在该越障臂支架中的第二驱动电机相联；
所述车体前部设有带接插孔的机械臂接插座，该机械臂接插座经两侧的支 承轴安装车体上且一侧的支承轴经传动齿轮副同第三驱动电机的主轴联接；机 械臂下端有插接在所述机械臂接插座上接插孔中的插接头，而该机械臂的上端 设有旋转头且所述旋转头底部同装在所述机械臂柱体中并可驱动该旋转头绕所 述机械臂柱体轴线转动的第四驱动电机的主轴联接，该旋转头的顶面和侧面分 别设有顶接插孔和侧接插孔；它还包括土壤采样盔、污泥采样器、空气粉尘及微生物采样器、风速采样器、吸入式昆虫采样器、粉尘计数器、液体采样器、 气体采样器。
以下对本发明做出进一步说明。
参见图1，所述适用于多种环境的定量采样机器人包括两侧装有行走履带
2的车体1，该车体1后部顶面可绕中心竖轴转动的底座3上装有可绕水平轴转
动的观察罩4，所述观察罩4装有光学摄像头和照明灯；所述车体设有地面灰 尘定量取样器5，其结构特点是
所述观察罩4还装有红外线热成像仪摄像头，所述车体1或观察罩4还装
有温度传感器、湿度传感器、声音传感器、震动传感器、易燃易爆有毒气体传
感器、气压传感器；
参见图1和图2，所述车体1前部两侧各装有一个越障臂6，外周装有履 带7的两个所述越障臂6后端分别同对应转轴8的一端固定连接，而位于车体 中的所述转轴8另一端经对应的第一伞齿轮副9同车体中的第一驱动电机10 主轴相联；所述越障臂6后端的履带驱动轮的轮轴经相应的第二伞齿轮副11 同装在该越障臂6支架中的第二驱动电机12相联；
参见图1和图3，所述车体1前部设有带接插孔13的机械臂接插座14， 该机械臂接插座14经两侧的支承轴15安装车体r上且一侧的支承轴15经传动 齿轮副同第三驱动电机16的主轴联接；参见图4和图5，机械臂17下端有插 接在所述机械臂接插座14上接插孔13中的插接头18，而该机械臂17的上端 设有旋转头20且所述旋转头20底部同装在所述机械臂17柱体中并可驱动该旋 转头20绕所述机械臂柱体轴线转动的第四驱动电机21的主轴联接，该旋转头 20的顶面和侧面分别设有顶接插孔22和侧接插孔23;所述机械臂17上设有第 四驱动电机21的电源接头24;它还包括土壤采样器、污泥采样器、空气粉 尘及微生物采样器、风速采样器、吸入式昆虫采样器、粉尘计数器、液体采样 器、气体采样器。
实际应用时，根据采样需要选择或先后将所述空气粉尘及微生物采样器、 风速采样器、吸入式昆虫采样器、粉尘计数器、液体采样器、 气体采样器等与所述车体配合使用。
本发明的机械机构的工作过程说明如下。
参见图2，启动两侧行走履带2的驱动电机105，可带动左侧行走履带和右侧行走履带运转而实现车体行走；控制两侧的所述行走履带驱动电机105同 步或不同步旋转，则可实现车体的前进、后退、左右转向及停止；采用橡胶制 成的履带使车体具有极强的附着力，可爬行大坡度斜面及停立于其上。
参见图1和图2，启动图2所示两个越障臂6中的第二驱动电机12，可驱 动两个越障臂6上的履带7运转而实现爬行大坡度斜面、楼梯及障碍物；启动 车体1两侧的第一驱动电机10，可调整两越障臂6的上翘角度或使之平置；启 动两个越障臂6中的第七驱动电机86，可使吸盘83相对越障臂6产生一定角 度的旋转而调整吸盘的角度；再结合两越障臂履带运转可实现爬壁移动功能。
参见图1和图2，对于两个越障臂6前端的吸盘83，通过控制同所述进气 孔87和排气孔88连通的微型气泵，可按要求控制两个吸盘83的不同步排气或 进气，从而实现左、右吸盘吸附与脱吸功能，达到机器人爬壁行走目的。
参见图1，启动使所述底座3的中心竖轴转动的电机(即摄像头与灯光系 统水平旋转电机)及使所述水平轴转动的电机(即摄像头与灯光系统俯仰旋转 电机)，则可使观察罩4做水平(左右)视角调整及俯仰(上下)视角调整，可 实现灯光、各摄像头、各传感器系统全方位观测。
参见图3，启动第三驱动电机16，可使机械臂接插座14绕水平轴转动， 从而使插接在接插孔13中机械臂(参见图4) 17前端作上、下位置的调整；而 启动图5中的第四驱动电机21，可带动旋转头20转动，从而使接插其上的采 样器做适当转动，以采样器釆样范围，使其采样更精确、更具代表性。
参见图6与图7，启动第五驱动电机29，，带动取样筒30旋转，则可进行
土壤钻探采样。
参见图8与图9，启动第六驱动电机38，带动^两个相对开合的挖斗35、 36，
则可进行污泥挖掘采样。
参见图10与图11，启动轴流式抽气扇43，则产生气体流动，空气中的粉 尘、微生物随气体流动进入采样杯44，在不同过滤材料组成的气体过滤层45 作用下，可采集不同的空气粉尘和微生物。
参见图12与图13，空气流动通过叶片式风扇50时，推动叶片旋转，其反 映风速的叶片转速由转速传感器51以感应信号送出，可经计算机分析处理得出 空气流动速度。
参见图14与图15，启动轴流式抽气扇55，气流推开百叶片58;小的昆随强大的气流进入昆虫收集杯56而实现对昆虫捕集目的。
参见图16，开启所述光发射器63和光接收器64，进入该光发射器63和 光接收器64之间的粉尘在光照射下发生散射，微粒散射光的强度随微粒的表面 积增加而增大，当空气中的每一个粒子快速地通过光发射器63和光接收器64 之间的测量腔时，便把入射光散射一次，形成一个光脉冲信号；这一光信号经 光接收器64，转换为相应的电信号，可送至计算机系统分析处理并显示出来。 还可通过控制所述左右移动驱动电机68和前后移动驱动电机69来调整光发射 器63相对光接收器64的角度。
参见图17与图18，启动微型吸气泵73而使fl及管74内形成负压，液体在 大气压的作用下进入该吸管74内，实现液体采样。
参见图19，启动轴流式抽风机77，空气通过电加热进风管80并经气体导 管82注入试剂分析槽81中；电加热进风管80能产生热量对管内气体进行加热， 有效防止气体冷凝现象出现;进入气体采样器内的气体在多根气体导管82的输 送下，气体被分别注入不同的试剂分析槽81内；各试剂分析槽81预先装入了 不同的试剂，采集的气体在采样过程中已被充分与试剂混合；采样结束后取出 试剂分析槽81，即完成取样。
如图20所示，所述地面灰尘定量取样器的取样过程为，所述垂直升降机 构将采样盒91提升起来离开地面(管道底面)，启动第八驱动电机97，则丝杆 95在丝套96中作水平方向的前、后往复运动，它首先将刮板94推向位于集尘 斗92端口的刮片93并由所述吸合磁片(永磁体)的吸合作用而将该刮片93 吸住，然后丝杆95换向旋转带动刮板94后退至采样盒91的后部(即图20中 腔体左侧)；启动第九驱动电机101，传动齿轮100经齿条99带动可移动底板 98移动，打开该底板，露出采样盒91腔体；再启动第十驱动电机104，驱动丝 杆102旋转并下降而将采样盒91放下至地面(管道底面)；而后第八驱动电机 97再启动，丝杆95转动再将刮板94和其前部的刮片93推向集尘斗92，此运 行过程中刮片93将采样盒91底部相对的地面(管道底面)的特定面积的灰尘 刮起并推入集尘斗92中，实现定量采样；同时刮片93正好封盖在集尘斗92 的进灰口，垂直升降机构再次将所述采样盒91提起，操纵小车推出管道，取出 集尘斗92并刮片93，即完成取样。
参见图21，该图为图l所示定量采样机器人攀爬阶梯的过程；其中，(a)为第一步，起步，越障臂上曲，车体行走至靠近第一级台阶；(b)为第二步， 攀爬，越障臂平伸，车体履带及越障臂履带相应运转，车体攀上第一级台阶； (c)为第三步，越障臂上曲，做好攀登第二级台阶的准备。
参见图22，该图为图l所示定量采样机器人攀爬垂直平面的过程，共示意 为四个步骤，由两侧吸盘的交替吸附以及两个越障臂的交替转动配合完成。
参见图23 ，本发明的控制电路包括第一电平转换电路、第二电平转换电路、 单片机、12V直流电源电路、24V直流电源电路、摄像头与照明灯控制电路、 传感器信号处理电路、采样器驱动电路、定量采样驱动电路、摄像头与照明灯 系统旋转驱动电路、多路驱动电路，这些电路可集中在一个安装于车体内的控 制电路盒中，其控制信号输出端通过接插口或接插头(如航空接头)同相应的 负载连接，并且-
笔记本电脑的串口输出用信号电缆依次经接口电路的第一电平转换电路 和第二电平转换电路接至单片机的信号输入端；
所述单片机的多路控制信号输出端分别同以下驱动电路的控制信号输入 端连接
左侧车体履带驱动电机驱动电路及右侧车体履带驱动电机驱动电路， 左侧第一驱动电机驱动电路及右侧第一驱动电机驱动电路， 左侧第二驱动电机驱动电路及右侧第二驱动电机驱动电路， 左侧吸盘微型气泵电机驱动电路及右侧吸盘微型气泵电机驱动电路， 左侧第七驱动电机驱动电路及右侧第七驱动电机驱动电路， 左侧推进器驱动电机驱动电路及右侧推进器驱动电机驱动电路， 第三驱动电机驱动电路，
第四驱动电机驱动电路， '
摄像头与照明灯系统旋转驱动电路，
定量采样驱动电路，
采样器驱动电路；
还可以在以上所述单片机的多路控制信号输出端与所述各驱动电路之间 设置驱动隔离电路；
所述单片机的控制信号接口还分别同传感器信号处理电路以及摄像头与 照明灯控制电路的前级信号控制端连接至笔记本电脑(进行显示或储存)；所 述温度传感器、湿度传感器、声音传感器、震动传感器、易燃易爆有毒气体传 感器、气压传感器、转速传感器的的输出信号接至传感器信号处理电路的信号 输入端。
所述采样器驱动电路分别控制空气粉尘及微生物采样器抽气扇电机、吸入 式昆虫采样器抽气扇电机、液体采样器吸气泵电机、气体采样器抽风机电机、 粉尘计数器光发射器和光接收器、粉尘计数器光发射器左右移动驱动电机、粉 尘计数器光发射器前后移动驱动电机、第五驱动电机、第六驱动电机；所述定 量采样驱动电路控制第八驱动电机、第九驱动电机、第十驱动电机；所述摄像 头与照明灯系统旋转驱动电路控制摄像头与灯光系统的水平旋转电机和俯仰旋 转电机。
所述12V直流电源电路向图23中单片机左侧各工作电路提供工作电源并 经稳压模块向单片机提供工作电源，24V直流电源电路向图23中单片机右侧各 工作电路提供工作电源。
所述各驱动电路的驱动回路同所述相应的电机电源端相连接。 由以上可知，本发明为一种适用于多种环境的定量采样机器人，可用笔记 本电脑进行控制，车体可以在平地、坡地、楼道、障碍物之间行走；可以爬墙、 爬大坡度平面、垂直面，还可在水中、沼泽地带行驶；它适于各种特殊环境下 的各类物质取样，可在疫区、辐射区、水下(液体中)、沼泽地、管道、矿井、 山洞、锅炉、罐(槽、池、井)、高温高湿区、低温区、粉尘区、强风区、易燃、 易爆区等特殊环境下进行相关采样；且取样性能可靠、效果好，设备性能稳定、 操作方便，取样精度高，效率高、结构简单而紧凑、重量轻、携带方便；定量 采样器可在矩形管道内部进行定量采样，采样面积可达10cm2 200 cm2，车体 平行移动距离大于100m、可爬越60°斜坡，越障高度可达40cm;可在光滑的 平面上垂直爬行、可在水(非易燃液体)中浮游距离大于100m。
图l是本发明一种实施例的车体立体结构示意图2是图1所示装置的主视结构示意图(去除了车体及越障臂侧面挡板)；图3是图1所示装置的俯视结构示意图(去除了车体的部分顶面)； 图4是机械臂的一种实施例立体结构示意图； 图5是图4所示装置的主视结构示意图(带局部剖视)；图6和图7是土壤采样器一种实施例的构件结构示意图(剖视或局部剖视);图8是污泥采样器的一种实施例主视结构示意图(带局部剖视)；图9是图8所示装置的右视结构示意图(去餘连接头部分外壳)；图10是空气粉尘微生物采样器的一种实施例主视结构示意图(带局部剖视)；图11是图10所示装置的右视结构示意图；图12是风速采样器的一种实施例主视结构示意图(带局部剖视)； 图13是图12所示装置的右视结构示意图；图14是吸入式昆虫采样器的一种实施例主视结构示意图(带局部剖视)；图15是图14所示装置的右视结构示意图；图16是粉尘计数器的一种实施例结构示意图；图17和图18是液体采样器的一种实施例构件结构示意图剖视或局部剖视)；图19是液体采样器的一种实施例结构示意图(带局部剖视)；图20是地面灰尘定量取样器的剖视结构示意图；图21是本发明车体攀登台阶的动作过程示意图；图22是本发明车体攀爬垂直平面的动作过程示意图；图23是本发明一种实施例的控制电路框图；图24是图23中单片机的一种实施例主控芯片电路图；图25是图23中摄像头与照明灯控制电路的一种实施例电路；图26是图23中第一电平转换电路、第二电平转换电路及12V直流电源电 路、24V直流电源电路、稳压模块的一种实施例电路；图27是图23中传感器信号处理电路的一种实施例电路；图28是图23中由24V直流电源电路做电机驱动电源的驱动电路中的一组 线路；图29是图23中由12V直流电源电路做电机驱动电源的驱动电路中的一组 线路；图30是所述驱动隔离电路的一种实施例线路图' 在附图中2—行走履带， 3-5—地面灰尘定量取样器，l一车体， 4一观察罩，6—越障臂， 9—第一伞齿轮副， 12—第二驱动电机 15—支承轴， 18—插接头， 21—第四驱动电机 24—电源接头， 27—螺纹接头， 30—取样筒， 33—连接头， 37—连接臂， 40—电源接头， 43—轴流式抽气扇 46—进气栅孔， 49一插接头， 52—信号线外引插接头 55—轴流式抽气扇， 58—百叶片， 61—基架， 64—光接收器， 66—横向导轨， 68—左右移动驱动电机 70—连接头， 73—微型吸气泵， 76—电源接头，-底座，7—履带IO—第一驱动电机， 13—接插孔， 16—第三驱动电机， 19一固定孔， 22—顶接插孔， 25—连接头， 28—传动齿轮， 31—连接螺孔， 34—插接头， 38—第六驱动电机， 41一筒形基座， 44一采样杯， 47—电源接头，50—叶片式风扇， 53—筒形基座， 56—昆虫收集杯， 59—电源接头，8—转轴，ll一第二伞齿轮副， 14一机械臂接插座， 17—机械臂， 20—旋转头， 23—侧接插孔， 26—插接头， 29—第五驱动电机， 32—电源接头， 35、 36—挖斗， 39—转轴， 42—插接头， 45—气体过滤层， 48—筒形基座， 51—转速传感器， 54—插接头， 57—气体过滤层， 60—喇叭形吸气罩, 63—光发射器，62—插接头， 65—电源及信号引出线接头， 67—纵向导轨， 69—前后移动驱动电机， 71—插接头， 72—螺纹接头， 74—吸管， 75—内螺纹接口， 77—轴流式抽风机，78—壳体，79—插接头， 82—气体导管， 85—小轴， 88—排气孔，80—电加热进风管，81—试剂分析槽， 83—电源接头，84—支撑臂， 86—第七驱动电机，87—进气孔， 89—左侧螺旋叶轮推进器，90—右侧螺旋叶轮推进器，91一采样盒，93—活动刮片，96—丝套，99_齿条， 102—丝杆， 105_吸盘，94一刮板，97—第八驱动电机， 100—传动齿轮， 103—丝套， 106—第三伞齿轮副，92—集尘斗， 95—丝杆， 98—可移动底板， IOI—第九驱动电机， 104—第十驱动电机， 107—车体履带驱动轮，108—第十一驱动电机。
具体实施方式
参见图1，所述适用于多种环境的定量采样机器人包括两侧装有行走履带 2的车体l，该车体1后部顶面可绕中心竖轴转动的底座3上装有可绕水平轴转 动的观察罩4，所述观察罩4装有光学摄像头和照明灯；所述车体设有地面灰尘定量取样器5，其结构特点是所述观察罩4还装有红外线热成像仪摄像头，所述车体1或观察罩4还装 有温度传感器、湿度传感器、声音传感器、震动传感器、易燃易爆有毒气体传 感器、气压传感器；参见图1和图2，所述车体1前部两侧各装有一个越障臂6，外周装有履 带7的两个所述越障臂6后端分别同对应转轴8的一端固定连接，而位于车体 中的所述转轴8另一端经对应的第一伞齿轮副9同车体中的第一驱动电机10 主轴相联；所述越障臂6后端的履带驱动轮的轮轴经相应的第二伞齿轮副11 同装在该越障臂6支架中的第二驱动电机12相联；参见图1和图3，所述车体1前部设有带接插孔13的机械臂接插座14， 该机械臂接插座14经两侧的支承轴15安装车体1上且一侧的支承轴15经传动 齿轮副同第三驱动电机16的主轴联接；参见图4和图5,机械臂17下端有插 接在所述机械臂接插座14上接插孔13中的插接头18，而该机械臂17的上端设有旋转头20且所述旋转头20底部同装在所述机械臂17柱体中并可驱动该旋 转头20绕所述机械臂柱体轴线转动的第四驱动电机21的主轴联接，该旋转头 20的顶面和侧面分别设有顶接插孔22和侧接插孔23;所述机械臂17上设有第四驱动电机21的电源接头24;它还包括土壤采样器(参见图6和图7):它有连接头25，该连接头25的上端为可 插接在所述机械臂接插座14的接插孔13中，或是可插接在所述机械臂旋转头 20的顶接插孔22或侧接插孔23中的插接头26，所述连接头25的下端为一螺 纹接头27且该螺纹接头27的上端经传动齿轮28同装在连接头25内的第五驱 动电机29的主轴联接;取样筒30的上端有同所述螺纹接头27连接的连接螺孔 31;所述连接头25设有第五驱动电机29的电源接头32;污泥采样器(参见图8和图9):它有连接头33，该连接头33的上端为可 插接在所述机械臂接插座14的接插孔13中，或是可插接在所述机械臂旋转头 20的顶接插孔22或侧接插孔23中的插接头34，两个相对开合的挖斗35、 36 顶部有连接臂37且所述连接臂37上端装有由第六驱动电机38驱动而使两个相 对开合的挖斗实现开合的转轴39;所述连接头33设有第六驱动电机38的电源 接头40;空气粉尘及微生物采样器(参见图10和图11):有两端为敞口的筒形基座 41，该基座41底部设有可插接在所述机械臂接插座14的接插孔13中，或是可 插接在所述机械臂旋转头20的顶接插孔22或侧接插孔23中的插接头42，所 述基座41中装有轴流式抽气扇43，在该抽气扇43进风端一侧的基座中卡装有 采样杯44，且该采样杯44靠近所述抽气扇的端口设有气体过滤层45而另一端 口有进气栅孔46;所述基座41设有抽气扇的电源接头47;风速采样器(参见图12和图13):它有两端为敞口的筒形基座48，该基 座48底部设有可插接在所述机械臂接插座14的接插孔13中，或是可插接在所 述机械臂旋转头20的顶接插孔22或侧接插孔23中的插接头49，所述筒形基 座48中装有叶片式风扇50，该叶片式风扇50的轴部装有转速传感器51，所述 筒形基座48设有转速传感器51的信号线外引插接头52;吸入式昆虫采样器(参见图14和图15):有两端为敞口的筒形基座53，插座14的接插孔13中，或是可插接 在所述机械臂旋转头20的顶接插孔22或侧接插孔23中的插接头54，所述筒 形基座53中装有轴流式抽气扇55，在该抽气扇进风端一侧的基座53中卡装有 昆虫收集杯56，且该昆虫收集杯56靠近所述抽气扇的端口设有气体过滤层57 而另一端口设当抽气扇停止运转时可自动关闭的百叶片58;所述基座53设有 抽气扇的电源接头59;还可在设有百叶片58 —端的基座53端口安装喇叭形吸 气罩60;粉尘计数器(参见图16):它有基架61，在该基架61的底部设有可插接 在所述机械臂接插座14的接插孔13中，或是可插接在所述机械臂旋转头20 的顶接插孔22或侧接插孔23中的插接头62，所述基架61相对两端分别设有 光发射器63和光接收器64且该光发射器63和光接收器64之间为空腔，基架 61上设有光发射器和光接收器的电源及信号引出线接头65;还可将光发射器 63设计为相对基架61为可左右移动和前后移动的，所述移动可通过装在横向 导轨66和纵向导轨67上的滑台滑动来实现，而所述滑动可由左右移动驱动电 机68和前后移动驱动电机69进行驱动；液体采样器(参见图17和图18):它有连接头70，该连接头70顶部有可 插接在所述机械臂接插座14的接插孔13中，或是可插接在所述机械臂旋转头 20的顶接插孔22或侧接插孔23中的插接头71，所述连接头71底部有中空的 螺纹接头72且该螺纹接头72上端同装在连接头70中的微型吸气泵73的进气 口连接，吸管74的上端有同所述螺纹接头72相连接的内螺纹接口75;连接头 设有微型吸气泵电源接头76;气体采样器(参见图19):它包括内腔装有轴流式抽风机77的壳体78，该 壳体78底部设有可插接在所述机械臂接插座14的接插孔13中，或是可插接在 所述机械臂旋转头20的顶接插孔22或侧接插孔23中的插接头79，所述轴流 式抽风机77的进风端一侧装有电加热进风管80而该轴流式抽风机77的出风端 一侧接有将气体导入下部试剂分析槽81的气体导管82，所述壳体78设有抽风 机电源接头83;所述气体导管82可以并列设置多根，每根气体导管82的出气 口对应一个试剂分析槽81 。进一步地，如图1所示，可在两个所述越障臂6的前端安装一个吸盘105;所述吸盘的安装结构是(参见图2)，支撑臂84的后端同装在越障臂6前端的 小轴85固定连接，该小轴85经装在越障臂6中的第三伞齿轮副同第七驱动电 机86的主轴联接；吸盘105背面固定安装在所迷支撑臂84的前端，吸盘105 的碗形腔开有进气孔87和排气孔88且该吸盘83背面装有分别同所述进气孔 87和排气孔88连通的微型气泵。进一步地，如图1所示，在所述车体1后部设置左侧螺旋叶轮推进器89 和右侧螺旋叶轮推进器90，该两个推进器的转轴分别同装在车体l中的两个推 进器驱动电机的主轴联接。左侧螺旋叶轮推进器和右侧螺旋叶轮推进器外侧装 有安全防护罩。所述左侧螺旋叶轮推进器89和右侧螺旋叶轮推进器90用于水 下行走时的推进。进一步地，如图20所示，所述地面灰尘定量取样器的结构为，底部为敞 口的采样盒91装在车体1中，该采样盒91顶部同装在车体1上并可使采样盒 91作垂直升降的升降机构的升降臂底端连接；所述采样盒91内腔一端卡接有 一个可取出的集尘斗，该集尘斗92 —侧为敞口且所述敞口端封盖有活动刮片 93;所述活动刮片93背侧设有平行于该活动刮片93的刮板94且所述活动刮片 93与刮板94设有对应的吸合磁片；所述刮板94两侧分别同对应丝杆(螺杆) 95前端连接；丝杆95安装在固定于采样盒91上的对应丝套(螺母)96中，一 根丝杆95经传动齿轮同第八驱动电机97的主轴齿轮相连。还可在所述采样盒91底部敞口端下方设置可移动底板98，所述可移动底 板98的两侧安装在车体对应两侧的滑槽中，且该可移动底板98的一段有齿条 99，传动齿轮100同该齿条99啮合且该传动齿轮100同固定在车体1的第九驱 动电机101主轴齿轮啮合。所述升降机构的组成是(参见图20)，所述升降臂为一丝杆(螺杆)102, 可相对车体1转动但不可作轴向移动的丝套(螺母)103装在车体1上，该丝 杆102装在丝套103中，装在车体1上的第十驱动电机104的主轴齿轮经传动 齿轮副及所述丝套103的外螺纹同该丝套103连接。参见图23，本发明的控制电路包括第一电平转 电路、第二电平转换电路、单片机、12V直流电源电路、24V直流电源电路、摄像头与照明灯控制电路、传感器信号处理电路、采样器驱动电路、定量采样驱动电路、摄像头与照明灯 系统旋转驱动电路、多路驱动电路，这些电路可集中在一个安装于车体内的控 制电路盒中，其控制信号输出端通过接插口或接插头(如航空接头)同相应的 负载连接，并且-笔记本电脑的串口输出用信号电缆依次经接口电路的第一电平转换电路和第二电平转换电路接至单片机的信号输入端；所述单片机的多路控制信号输出端分别同以下驱动电路的控制信号输入端连接 ，左侧车体履带驱动电机驱动电路及右侧车体履带驱动电机驱动电路，左侧第一驱动电机驱动电路及右侧第一驱动电机驱动电路，左侧第二驱动电机驱动电路及右侧第二驱动电机驱动电路，左侧吸盘微型气泵电机驱动电路及右侧吸盘微型气泵电机驱动电路，左侧第七驱动电机驱动电路及右侧第七驱动电机驱动电路，左侧推进器驱动电机驱动电路及右侧推进器驱动电机驱动电路，第三驱动电机驱动电路，第四驱动电机驱动电路，摄像头与照明灯系统旋转驱动电路，定量采样驱动电路，采样器驱动电路；还可以在以上所述单片机的多路控制信号输出端与所述各驱动电路之间 设置驱动隔离电路；所述单片机的控制信号接口还分别同传感器信号处理电路以及摄像头与 照明灯控制电路的前级信号控制端连接；所述摄像头与照明灯控制电路的后级信号控制端分别同所述照明灯、光学 摄像头、红外线热成像仪摄像头、视频采集卡连接，而光学摄像头和红外线热 成像仪摄像头的输出信号经视频采集卡送至笔记本电脑(进行显示或储存)；所 述温度传感器、湿度传感器、声音传感器、震动传感器、易燃易爆有毒气体传感器、气压传感器、转速传感器的的输出信号接至传感器信号处理电路的信号 输入端。所述采样器驱动电路分别控制空气粉尘及微生物采样器抽气扇电机、吸入 式昆虫采样器抽气扇电机、液体采样器吸气泵电机、气体采样器抽风机电机、 粉尘计数器光发射器和光接收器、粉尘计数器光发射器左右移动驱动电机、粉 尘计数器光发射器前后移动驱动电机、第五驱动电机、第六驱动电机；所述定 量采样驱动电路控制第八驱动电机、第九驱动电机、第十驱动电机；所述摄像 头与照明灯系统旋转驱动电路控制摄像头与灯光系统的水平旋转电机和俯仰旋 转电机。所述12V直流电源电路向图23中单片机左侧各工作电路提供工作电源并经稳压模块向单片机提供工作电源，24V直流电源电路向图23中单片机右侧各工作电路提供工作电源。所述各驱动电路的驱动回路同所述相应的电机电源端相连接。图23中的单片机的一种实施例主控芯片电路加图24所示，U1为主控制芯片，机器人的运行动作和各种环境参数的采集和处理都要通过这个微处理器进行加工处理。图25为图23中摄像头与照明灯控制电路的一种实施例电路，其中标(a) 为灯光控制电路，J5是灯光的连接插座，灯光的切换是通过三极管Q3、 Q7、 Q4、 Q8的关断和导通来实现，而灯光的强弱调节是通过PWM调节来实现；(b) 为摄像头控制电路，J6为摄像头的连接插座，摄像头的切换是通过三极管Q1、 Q5、 Q2、 Q6的关断和导通来实现的。图26是图23中第一电平转换电路、第二电平转换电路(即接口电路)及 12V直流电源电路、24V直流电源电路、稳压模±^的一种实施例电路；其中(a) 为硬件看门狗电路，JP1是一个硬件看门狗芯片，它的主要作用是在微处理器 由于意外情况失控后从新启动微处理器，从而保证系统运行的安全可靠；(b) 为连线接口，即Jl是驱动部分和微处理器部分的连线接口； (c)稳压模块，其 中J2为控制电路部分的电源输入端，在通过集成稳压芯片进行稳压得到稳定的 十5V电压；(d)和(e)分别是+12V电源、十24V电源，其中J3、 J4是驱动电路的稳压集成电路，为电机驱动提供稳定的电压。图27是图23中传感器信号处理电路(接口电路)的一种实施例电路，J7是传感器接口。图28是图23中由24V直流电源电路做电机驱动电源的驱动电路(即图23 中最右侧一列驱动电路)中的一组(实施例)线路，其中U1、 U2为大电流电 机的驱动电路；其它各组线路与该组线路相同。图29是图23中由12V直流电源电路做电机驱动电源的驱动电路(即图23 中左侧的采样器驱动电路、定量采样器驱动电路、摄像头与照明灯系统旋转驱 动电路)中的一组(实施例)线路，其中U14、 U15为小电流电机的驱动电路； 其它各组线路与该组线路相同。 .图30是所述驱动隔离电路的一种实施例线路图，图中U10是用来隔离微 处理器与电机驱动电路的。本发明机器人的技术参数有1、 定量采样面积为10cm2 200 cm2。2、 驱动部分指标机器移动距离大于100米；不规则障碍物越障高度大 于20cm，爬坡能力大于60。；规则台阶越障能力大于40cm;光滑表面爬壁能力90。;平面载重40kg。3、 监视部分指标光学摄像头800万象素；红外线热成像摄像头夜视800 米；温度感应范围-40。150。C;湿度感应范围0 100%朋；声音感应范围3 0 1 3 0 d B;震动感应范围10 300Hz;能感应CH4、 H2、 CO、 0)2等易燃易爆有 毒气体；监视器可水平旋360° ，俯仰旋转270。。4、 控制器重量小于3kg。进一步地，行走履带、越障履带均采用高摩擦系数的橡胶制作，采用两侧 履带分别驱动的结构；照明灯采用高亮度LCD，摄像头分别采用高清晰度产品 及具有夜视功能的红外线成像摄像头；各传感器均采用市售高敏元件；本发明还可采用笔记本电脑控制，具有智能化、自动化和软件化的操作平 台，装置体积小、使用灵活方便，行走、清扫定位准确、摄像与录像及时方便， 可直接生成影视文件。
权利要求
1、一种适用于多种环境的定量采样机器人，包括两侧装有行走履带(2)的车体(1)，该车体(1)后部顶面可绕中心竖轴转动的底座(3)上装有可绕水平轴转动的观察罩(4)，所述观察罩(4)装有光学摄像头和照明灯；所述车体设有地面灰尘定量取样器(5)，其特征是所述观察罩(4)还装有红外线热成像仪摄像头，所述车体(1)或观察罩(4)还装有温度传感器、湿度传感器、声音传感器、震动传感器、易燃易爆有毒气体传感器、气压传感器；所述车体(1)前部两侧各装有一个越障臂(6)，外周装有履带(7)的两个所述越障臂(6)后端分别同对应转轴(8)的一端固定连接，而位于车体中的所述转轴(8)另一端经对应的第一伞齿轮副(9)同车体中的第一驱动电机(10)主轴相联；所述越障臂(6)后端的履带驱动轮的轮轴经相应的第二伞齿轮副(11)同装在该越障臂(6)支架中的第二驱动电机(12)相联；所述车体(1)前部设有带接插孔(13)的机械臂接插座(14)，该机械臂接插座(14)经两侧的支承轴(15)安装车体(1)上且一侧的支承轴(15)经传动齿轮副同第三驱动电机(16)的主轴联接；机械臂(17)下端有插接在所述机械臂接插座(14)上接插孔(13)中的插接头(18)，而该机械臂(17)的上端设有旋转头(20)且所述旋转头(20)底部同装在所述机械臂(17)柱体中并可驱动该旋转头(20)绕所述机械臂柱体轴线转动的第四驱动电机(21)的主轴联接，该旋转头(20)的顶面和侧面分别设有顶接插孔(22)和侧接插孔(23)；它还包括土壤采样器、污泥采样器、空气粉尘及微生物采样器、风速采样器、吸入式昆虫采样器、粉尘计数器、液体采样器、气体采样器。
2、根据权利要求1所述适用于多种环境的定^量采样机器人，其特征是 所述土壤采样器的结构为它有连接头(25)，该连接头(25)的上端为可插接在所述机械臂接插座(14)的接插孔(13)中，或是可插接在所述机械 臂旋转头(20)的顶接插孔(22)或侧接插孔(23)中的插接头(26)，所述连 接头(25)的下端为一螺纹接头(27)且该螺纹接头(27)的上端经传动齿轮 (28)同装在连接头(25)内的第五驱动电机(29)的主轴联接；取样筒(30) 的上端有同所述螺纹接头(27)连接的连接螺孔(31);所述连接头(25)设有 第五驱动电机(29)的电源接头(32);所述污泥采样器的结构为它有连接头(33)，该连接头(33)的上端为 可插接在所述机械臂接插座(14)的接插孔(13)中，或是可插接在所述机械 臂旋转头(20)的顶接插孔(22)或侧接插孔(23)中的插接头(34)，两个相 对开合的挖斗(35、 36)顶部有连接臂(37)且所述连接臂(37)上端装有由 第六驱动电机(38)驱动而使两个相对开合的挖斗实现开合的转轴(39);所述 连接头(33)设有第六驱动电机(38)的电源接头(40);所述空气粉尘及微生物采样器的结构为有两端为敞口的筒形基座(41)， 该基座(41)底部设有可插接在所述机械臂接插座(14)的接插孔(13)中， 或是可插接在所述机械臂旋转头(20)的顶接插孔(22)或侧接插孔(23)中 的插接头(42),所述基座(41)中装有轴流式抽气扇(430，在该抽气扇(43) 进风端一侧的基座中卡装有采样杯(44)，且该采样杯(44)靠近所述抽气扇的 端口设有气体过滤层(45)而另一端口有进气栅孔(46);所述基座(41)设有 抽气扇的电源接头(47);所述风速采样器的结构为它有两端为敞口的筒形基座(48)，该基座(48) 底部设有可插接在所述机械臂接插座(14)的接插孔(13)中，或是可插接在所述机械臂旋转头(20)的顶接插孔(22)或侧接插孔(23)中的插接头(49)， 所述筒形基座(48)中装有叶片式风扇(50)，该叶片式风扇(50)的轴部装有 转速传感器(51)，所述筒形基座(48)设有转速传感器(51)的信号线外引插 接头(52);所述吸入式昆虫采样器的结构为有两端为敞口的筒形基座(53)，该基 座(53)底部设有可插接在所述机械臂接插座(14)的接插孔(13)中，或是 可插接在所述机械臂旋转头(20)的顶接插孔(22)或侧接插孔(23)中的插 接头(54)，所述筒形基座(53)中装有轴流式抽气扇(55)，在该抽气扇进风 端一侧的基座(53)中卡装有昆虫收集杯(56)，且该昆虫收集杯(56)靠近所 述抽气扇的端口设有气体过滤层(57)而另一端口设当抽气扇停止运转时可自 动关闭的百叶片(58);所述基座(53)设有抽气扇的电源接头(59);还可在 设有百叶片(58) —端的基座(53)端口安装喇叭形吸气罩(60);所述粉尘计数器的结构为它有基架(61)，在该基架(61)的底部设有 可插接在所述机械臂接插座(14)的接插孔(13)中，或是可插接在所述机械 臂旋转头(20)的顶接插孔(22)或侧接插孔(23)中的插接头(62)，所述基 架(61)相对两端分别设有光发射器(63)和光接收器(64)且该光发射器(63) 和光接收器(64)之间为空腔，基架(61)上设有光发射器和光接收器的电源 及信号引出线接头(65);还可将光发射器(63)设计为相对基架(61)为可左 右移动和前后移动的，所述移动可通过装在横向导轨(66)和纵向导轨(67) 上的滑台滑动来实现，而所述滑动可由左右移动驱动电机(68)和前后移动驱 动电机(69)进行驱动；所述液体采样器的结构为它有连接头(70)，该连接头(70)顶部有可 插接在所述机械臂接插座(14)的接插孔(13)中，或是可插接在所述机械臂旋转头(20)的顶接插孔(22)或侧接插孔(23)中的插接头(71)，所述连接 头(71)底部有中空的螺纹接头(72)且该螺纹接头(72)上端同装在连接头(70)中的微型吸气泵(73)的进气口连接，吸管(74)的上端有同所述螺纹 接头(72)相连接的内螺纹接口 (75);连接头设有微型吸气泵电源接头(76);所述气体采样器的结构它包括内腔装有轴流式抽风机(77)的壳体(78)， 该壳体(780底部设有可插接在所述机械臂接插座(14)的接插孔(13)中， 或是可插接在所述机械臂旋转头(20)的顶接插孔(22)或侧接插孔(23)中 的插接头(79)，所述轴流式抽风机(77)的进风端一侧装有电加热进风管(80) 而该轴流式抽风机(77)的出风端一侧接有将气体导入下部试剂分析槽(81) 的气体导管(82)，所述壳体(78)设有抽风机电源接头(83);所述气体导管(82)可以并列设置多根，每根气体导管(82)的出气口对应一个试剂分析槽(81)。
3、 根据权利要求1所述适用于多种环境的定量采样机器人，其特征是， 在两个所述越障臂(6)的前端各安装一个吸盘(105);所述吸盘的安装结构是， 支撑臂(84)的后端同装在越障臂(60前端的小轴(85)固定连接，该小轴(85) 经装在越障臂(6)中的第三伞齿轮副同第七驱动电机(86)的主轴联接；吸盘(105)背面固定安装在所述支撑臂(84)的前端，吸盘(105)的碗形腔开有 进气孔(87)和排气孔(88)且该吸盘(83)背面装有分别同所述进气孔(87) 和排气孔(88)连通的微型气泵。
4、 根据权利要求1所述适用于多种环境的定量采样机器人，其特征是， 在所述车体(1)后部设置左侧螺旋叶轮推进器(89)和右侧螺旋叶轮推进器(90)，该两个推进器的转轴分别同装在车体(l)中的两个推进器驱动电机的主轴联接。 左侧螺旋叶轮推进器和右侧螺旋叶轮推进器外侧袭有安全防护罩。所述左侧螺旋叶轮推进器(89)和右侧螺旋叶轮推进器(90)用于水下行走时的推进。
5、根据权利要求1所述适用于多种环境的定量采样机器人，其特征是， 它有控制电路，所述控制电路包括第一电平转换电路、第二电平转换电路、单 片机、12V直流电源电路、24V直流电源电路、摄像头与照明灯控制电路、传 感器信号处理电路、采样器驱动电路、定量采样驱动电路、摄像头与照明灯系 统旋转驱动电路、多路驱动电路，这些电路可集中在一个安装于车体内的控制 电路盒中，其控制信号输出端通过接插口或接插头同相应的负载连接，并且笔记本电脑的串口输出用信号电缆依次经接口电路的第一电平转换电路 和第二电平转换电路接至单片机的信号输入端；-所述单片机的多路控制信号输出端分别同以下驱动电路的控制信号输入 端连接左侧车体履带驱动电机驱动电路及右侧车体履带驱动电机驱动电路，左侧第一驱动电机驱动电路及右侧第一驱动电机驱动电路，左侧第二驱动电机驱动电路及右侧第二驱动电机驱动电路，左侧吸盘微型气泵电机驱动电路及右侧吸盘微型气泵电机驱动电路，左侧第七驱动电机驱动电路及右侧第七驱动电机驱动电路，左侧推进器驱动电机驱动电路及右侧推进器驱动电机驱动电路，第三驱动电机驱动电路，第四驱动电机驱动电路，摄像头与照明灯系统旋转驱动电路，定量采样驱动电路，采样器驱动电路；所述单片机的控制信号接口还分别同传感器信号处理电路以及摄像头与照明灯控制电路的前级信号控制端连接；所述摄像头与照明灯控制电路的后级信号控制端分别同所述照明灯、光学 摄像头、红外线热成像仪摄像头、视频采集卡连接，而光学摄像头和红外线热成像仪摄像头的输出信号经视频采集卡送至笔记本电脑(进行显示或储存)；所述温度传感器、湿度传感器、声音传感器、震动传感器、易燃易爆有毒气体传 感器、气压传感器、转速传感器的的输出信号接至传感器信号处理电路的信号输入端；所述采样器驱动电路分别控制空气粉尘及微生物采样器抽气扇电机、吸入 式昆虫采样器抽气扇电机、液体采样器吸气泵电机、气体采样器抽风机电机、 粉尘计数器光发射器和光接收器、粉尘计数器光发射器左右移动驱动电机、粉 尘计数器光发射器前后移动驱动电机、第五驱动电机、第六驱动电机；所述定 量采样驱动电路控制第八驱动电机、第九驱动电机、第十驱动电机；所述摄像 头与照明灯系统旋转驱动电路控制摄像头与灯光系统的水平旋转电机和俯仰旋 转电机；所述12V直流电源电路中单片机左侧各工作电路提供工作电源并经稳压模 块向单片机提供工作电源，24V直流电源电路中单片机右侧各工作电路提供工 作电源；所述各驱动电路的驱动回路同所述相应的电机电源端相连接。
全文摘要
一种适于多种环境下定量采样的机器人，包括装有行走履带的车体，车体顶面可转动的观察罩中装有光学摄像头和照明灯及红外线热成像仪摄像头、温度传感器、湿度传感器、声音传感器、震动传感器、易燃易爆有毒气体传感器、气压传感器；装有地面灰尘定量取样器的车体前部两侧各装有一个带履带的越障臂，车体前部设有机械臂接插座，它还包括土壤采样器、污泥采样器、空气粉尘及微生物采样器、风速采样器、吸入式昆虫采样器、粉尘计数器、液体采样器、气体采样器。它具有平移、越障、爬坡、垂直爬行、浮游等功能；可观测并由计算机记录下机器行驶过程中的影像、声音、温度、湿度、震动、易燃易爆有毒气体浓度及不受光线影响感知周边生命体迹象。
文档编号G01N1/02GK101614624SQ200910043729
公开日2009年12月30日 申请日期2009年6月19日 优先权日2009年6月19日
发明者施红生, 金银龙, 雷学军 申请人:雷学军