一種面向極端環境的特種作業機器人的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種面向極端環境的特種作業機器人，包括帶有主控單元的主控倉體，主控倉體上裝設有底盤行走單元和折疊伸展式臂架單元，底盤行走單元中設有供電模塊，折疊伸展式臂架單元包括支撐臂基座和多級連接支撐臂架，支撐臂基座裝設于主控倉體上，第一級連接支撐臂架與支撐臂基座鉸接、最末級連接支撐臂架設有安裝座，支撐臂基座上鉸接有第一直線驅動機構，第一直線驅動機構的第一驅動桿與第一級連接支撐臂架鉸接連接，相鄰的連接支撐臂架之間鉸接有連臂扣件，連臂扣件通過第二直線驅動機構與一個連接支撐臂架鉸接，第一直線驅動機構、第二直線驅動機構、供電模塊分別與主控單元相連。本發明具有作業范圍大、空間占用小、應用范圍廣的優點。
【專利說明】一種面向極端環境的特種作業機器人
【技術領域】
[0001]本發明涉及工業自動化領域面向極端環境下的特種作業設備，具體涉及一種面向極端環境的特種作業機器人。
【背景技術】
[0002]科學技術不斷發展進步，機器人在社會各個行業中的應用日趨廣泛，尤其隨著裝備制造技術、計算機信息技術、網絡通信技術、自動化控制技術、電子元件集成度和電路制造工藝等機器人核心技術的不斷進步與提高，使得機器人的發展十分迅速。我國生產制造、材料加工、能源生產、基礎建設等行業的自動化程度與機器人以及相關技術的應用水平有著密切的關系，因此機器人技術是我國眾多行業自動化、智能化、信息化道路上必須攻克的技術之一，同時也必定成為本世紀全球各國發展的重點方向。
[0003]機器人按照不同的應用環境可以分成工業機器人和特種機器人，工業機器人是應用于工業領域的多關節多自由度的作業機械臂以及可以代替人完成工業生產作業的各種機器人，而特種機器人主要用于非工業制造領域的其他服務于人類的機器人等。特種機器人涵蓋了更加廣闊的應用領域，同時也有著更多的作業環境不確定性。因此，如何針對不同作業環境而設計特種機器人機械結構、硬件集成系統、軟件控制系統、網絡傳輸系統以及自適應目標控制算法等關鍵問題成為了機器人作業穩定性適應性的關鍵難題。
[0004]各國發展機器人技術的側重均有所不同，按照社會化的要求重點發展各種機器人例如制造裝配機器人、生產線檢測機器人、娛樂機器人、工程作業機器人等。我國正在大力發展基礎設施建設，社會處于工業化、機械化和信息化進程中，對于很多危險環境下的建設工作，急需能夠代替人工完成極端環境作業的特種作業機器人。同時，極端環境特種作業機器人和機器人極端環境適應性技術作為機器人技術新的分支，也成為科研領域新的發展方向。國家高技術研究發展計劃(863計劃)先進制造【技術領域】也將機器人極端環境適應性技術做為前沿技術發展熱點編入了“世界高技術發展趨勢跟蹤研究”報告。自從2011年3月日本福島核電站核泄漏事故以來，世界各個國家對極端環境特種作業機器人以及相應的機器人環境適應性技術的研究越來越重視，也認識到在很多人類無法到達或者對人類損傷很大的環境下，利用極端環境特種作業機器人進行各種危險特種作業工作是十分有效和迫切的。電力、機械、化工等行業是關系我國國民經濟命脈的關鍵行業，在國家經濟建設中的地位舉足輕重，然而這些行業的許多故障應急處理工作具有極大的危險性和安全不確定性，人工作業具有盲目性、效率低、范圍小、勞動強度大等問題，因此利用極端環境特種作業機器人完成如此繁重危險的工作將顯著提示企業效率。
[0005]極端環境下工作的機器人會受到各種各樣的惡劣環境條件的影響，如核輻射極端環境、極端溫度、極端電壓、極端壓力等外界因素都將對機器人系統的感知、決策與執行產生不可忽略的影響。極端環境機器人是當今前沿前技術研究最活躍的領域之一，國際上把極端環境下的機器人適應技術公認為通往機器人技術產業化之路上必須解決的難題，對其進行深入的研究與開發是推進高精尖的國防軍事、航空、航天、航海、資源開發、民用機器人的必須步驟。近年來，世界各國十分重視極端環境下機器人技術的研究，分別研究和開發新型的具有智能、能接受面向任務的命令、自動搜索目標、自動制訂規劃并完成任務的極端環境下機器人，用以完成極端環境下各種人類不可能完成或較難完成的作業任務。目前極端環境機器人在我國很多領域有著巨大的應用需求，以解決極端環境下工作問題和取代人類繁重工作，如核極端環境下的檢查和裝配機器人，極端溫度下的極地考察機器人，極端電壓下的高壓帶電作業機器人，極端壓力下的深海機器人，微重力高真空環境下的太空機器人，未知環境下的反恐、救援和管道機器人，真空環境下的半導體裝配機器人等。
[0006]然而，目前某些極端工作環境下的作業裝備或者作業機器人具有一定的使用局限性。例如用于建設施工的工程作業機械，可以在惡劣環境下長時間作業，但是工程作業機械的靈活度不夠，在一些任務復雜的環境下需要多臺工程作業機械協同作業，工作效率不高，并且在工程機械駕駛倉內作業的操作員也存在施工危險。另一種適用于惡劣環境作業的清洗機器人，如專利申請號為200610032290.3公開的“大型冷凝設備水下智能清洗機器人”、專利申請號為200810143704.9公開的“凝汽器智能移動清洗機器人”等用于電廠冷凝器水室惡劣環境下的清洗作業機器人，該類型機器人的作業臂自由度難以滿足機器人三維三姿態清洗作業任務的要求，而且作業時需要拖拽電纜，在實際應用時存在一定的局限性。某些普通的輪式移動作業機器人雖然作業臂自由度高，末端安裝了作業靈巧手，能夠完成很多復雜精細的作業任務，但是由于輪式機械結構的不穩定，使得機器人的載重量偏小，因此動力能源容量不高，作業臂也偏小，難以完成大功率長時間高穩定性的極端環境作業。即使某些移動機器人使用了履帶式移動機構，使其越障能力提升，但是大部分均是小型的作業機器人，不適應于長時間高任務強度的極端環境特種作業。綜上所述，現有技術的上述機械設備或作業機器人都存在上述種種不足，如何實現一種面向極端環境特種作業機器人，來完成諸如電廠冷凝器等惡劣環境的污垢清洗作業、復雜工程建設作業、電力巡檢故障探測與修復作業、災難緊急救援等應用難題，已經成為一項亟待解決的關鍵技術問題。

【發明內容】

[0007]本發明要解決的技術問題是:針對現有技術存在的上述問題，提供一種極端環境適應性好、使用靈活方便、作業范圍大、空間占用小、應用范圍廣的面向極端環境的特種作業機器人。
[0008]為了解決上述技術問題，本發明采用的技術方案為:
一種面向極端環境的特種作業機器人，包括帶有主控單元的主控倉體，所述主控倉體上裝設有底盤行走單元和折疊伸展式臂架單元，所述底盤行走單元中設有供電模塊，所述折疊伸展式臂架單元包括支撐臂基座和多級依次鉸接連接的連接支撐臂架，所述支撐臂基座裝設于主控倉體上，所述多級連接支撐臂架中的第一級連接支撐臂架與支撐臂基座鉸接連接、最末級連接支撐臂架的端部設有用于安裝特種作業機構的安裝座，所述支撐臂基座上鉸接有第一直線驅動機構，所述第一直線驅動機構的第一驅動桿與第一級連接支撐臂架鉸接連接，相鄰的兩個連接支撐臂架之間還鉸接連接有連臂扣件，所述連臂扣件通過一個第二直線驅動機構與一側的一個連接支撐臂架鉸接連接，所述第一直線驅動機構、第二直線驅動機構、供電模塊分別與主控單元相連。
[0009]優選地，所述連臂扣件包括兩個直連接桿和兩個彎折連接桿，所述兩個直連接桿一端通過第一連接軸與所述相鄰的兩個連接支撐臂架中的一個連接支撐臂架相連、另一端通過第二連接軸與所述兩個彎折連接桿的一端相連，所述兩個彎折連接桿的另一端通過第三連接軸與所述相鄰的兩個連接支撐臂架中的另一個連接支撐臂架相連，所述第二直線驅動機構裝設于所述相鄰的兩個連接支撐臂架中的另一個連接支撐臂架上，且所述第二直線驅動機構的第二驅動桿的端部與第二連接軸相連。
[0010]優選地，所述第一直線驅動機構、第二直線驅動機構均為伺服電動推桿。
[0011]優選地，所述底盤行走單元的頂部設有水平布置的底盤回轉支承，所述主控倉體通過底盤回轉支承裝設于底盤行走單元上。
[0012]優選地，所述主控倉體的前側設有豎直布置的臂架回轉支承，所述折疊伸展式臂架單元的支撐臂基座通過臂架回轉支承裝設于主控倉體上。
[0013]優選地，所述供電模塊包括相互連接的電池供電模塊和電源逆變模塊，所述底盤行走單元內設有能源倉和電源逆變倉，所述電池供電模塊設于能源倉內，所述電源逆變模塊設于電源逆變倉內。
[0014]優選地，所述主控單元包括傳感器單元、無線信號收發模塊、控制模塊和電機驅動電路，所述控制模塊與無線信號收發模塊相互連接，所述傳感器單元與控制模塊的輸入端相連，所述控制模塊的輸出端與電機驅動電路的控制端相連，所述電機驅動電路的電源輸入端與電源逆變模塊相連，所述電機驅動電路的輸出端分別與第一直線驅動機構、第二直線驅動機構相連，所述傳感器單元、無線信號收發模塊、控制模塊和電機驅動電路四者的電源輸入端分別與電池供電模塊相連；所述主控倉體上裝設有無線收發天線，所述無線信號收發模塊與無線收發天線相連。
[0015]優選地，所述傳感器單元包括激光雷達傳感器、接近探測傳感器、圖像采集傳感器、視覺傳感器和超聲波測距傳感器，所述激光雷達傳感器、接近探測傳感器、圖像采集傳感器、視覺傳感器、超聲波測距傳感器的輸出端分別與控制模塊相連。
[0016]優選地，所述激光雷達傳感器、接近探測傳感器、圖像采集傳感器裝設于主控倉體上，所述視覺傳感器和超聲波測距傳感器裝設于安裝座或者安裝在安裝座上的特種作業機構上。
[0017]優選地，所述底盤行走單元上裝設有左側履帶和右側履帶，所述底盤行走單元的下側分別設有用于驅動左側履帶的左驅動機構、用于驅動右側履帶的右驅動機構，所述左驅動機構和右驅動機構均包括驅動電機和與驅動電機的輸出軸相連的減速機；所述左側履帶和右側履帶均采用內部帶有鋼絲網的橡膠材質制成，且所述左側履帶和右側履帶的表面均設有等間距布置的防滑凸起塊。
[0018]本發明面向極端環境的特種作業機器人具有下述優點:
1、本發明的第一級連接支撐臂架與支撐臂基座通過第一直線驅動機構約束連接，相鄰的兩個連接支撐臂架之間通過第二直線驅動機構約束連接，相鄰的兩個連接支撐臂架之間還鉸接連接有連臂扣件，連臂扣件通過一個第二直線驅動機構與一側的一個連接支撐臂架鉸接連接，因此通過控制第一直線驅動機構、第二直線驅動機構即可控制折疊伸展式臂架單元的多級折疊伸展與收縮狀態，由于折疊伸展式臂架單元采用多級折疊伸展與收縮的方式，能夠增加面向極端環境特種作業機器人的作業范圍，提高機器人作業任務的靈活性，而且采用折疊伸展式的作業臂能夠在保證作業范圍足夠大的前提下使收縮后的空間占用小，具有極端環境適應性好、使用靈活方便、作業范圍大、空間占用小的優點。
[0019]2、本發明連接支撐臂架中的第一級連接支撐臂架與支撐臂基座鉸接連接、最末級連接支撐臂架的端部設有用于安裝特種作業機構的安裝部，安裝部可以根據極端環境作業的具體需要來安裝不同的特種作業機構，例如清洗噴射槍和機器手等，從而可以使機器人完成清洗、抓取、整理和搬運等特種作業，從而能夠適用于諸如重污染環境清洗作業、工程建設作業、電力巡檢探測作業、災難緊急救援等危險惡劣極端環境的特種作業，完成人工難以現場操作的各種工作任務，具有應用范圍廣的優點。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1為本發明實施例在折疊伸展式臂架單元水平折疊時的立體結構示意圖。
[0021]圖2為本發明實施例在折疊伸展式臂架單元水平折疊時的側視結構示意圖。
[0022]圖3為本發明實施例在折疊伸展式臂架單元部分打開時的立體結構示意圖。
[0023]圖4為本發明實施例在折疊伸展式臂架單元部分打開時的側視結構示意圖。
[0024]圖5為本發明實施例折疊伸展式臂架單元的立體結構示意圖。
[0025]圖6為圖5中局部放大結構示意圖。
[0026]圖7為本發明實施例中供電模塊和主控單元的框架結構示意圖。
[0027]圖8為本發明實施例中傳感器單元的框架結構示意圖。
[0028]圖9為本發明實施例的前視結構示意圖。
[0029]圖10為基于本發明實施例的機器人自主控制系統的框架結構示意圖。
[0030]圖11為基于本發明實施例的機器人自主控制系統的作業流程示意圖。
[0031]圖例說明:1、主控倉體；11、主控單元；111、傳感器單元；1111、激光雷達傳感器；1112、接近探測傳感器；1113、圖像采集傳感器；1114、視覺傳感器；1115、超聲波測距傳感器；112、無線信號收發模塊；113、控制模塊；114、電機驅動電路；12、臂架回轉支承；13、無線收發天線；2、底盤行走單元；21、供電模塊；211、電池供電模塊；212、電源逆變模塊；213、能源倉；214、電源逆變倉；22、底盤回轉支承；23、左側履帶；231、左驅動機構；232、防滑凸起塊；24、右側履帶；241、右驅動機構；3、折疊伸展式臂架單元；31、支撐臂基座；311、第一直線驅動機構；3111、第一驅動桿；32、連接支撐臂架；321、連臂扣件；3211、直連接桿；3212、彎折連接桿；3213、第一連接軸；3214、第二連接軸；3215、第三連接軸；322、第二直線驅動機構；3221、第二驅動桿；33、安裝座；4、特種作業機構。
【具體實施方式】
[0032]如圖1、圖2、圖3、圖4和圖5所示，本實施例面向極端環境的特種作業機器人包括帶有主控單元11的主控倉體I，主控倉體I上裝設有底盤行走單元2和折疊伸展式臂架單元3，底盤行走單元2中設有供電模塊21，折疊伸展式臂架單元3包括支撐臂基座31和多級依次鉸接連接的連接支撐臂架32，支撐臂基座31裝設于主控倉體I上，多級連接支撐臂架32中的第一級連接支撐臂架32與支撐臂基座31鉸接連接、最末級連接支撐臂架32的端部設有用于安裝特種作業機構4的安裝座33，支撐臂基座31上鉸接有第一直線驅動機構311，第一直線驅動機構311的第一驅動桿3111與第一級連接支撐臂架32鉸接連接，相鄰的兩個連接支撐臂架32之間還鉸接連接有連臂扣件321，連臂扣件321通過一個第二直線驅動機構322與一側的一個連接支撐臂架32鉸接連接，第一直線驅動機構311、第二直線驅動機構322、供電模塊21分別與主控單元11相連。本實施例中，折疊伸展式臂架單元3包括三級依次鉸接連接的連接支撐臂架32。本實施例的第一級連接支撐臂架32與支撐臂基座31通過第一直線驅動機構311約束連接，相鄰的兩個連接支撐臂架32之間通過第二直線驅動機構322約束連接，相鄰的兩個連接支撐臂架32之間還鉸接連接有連臂扣件321，連臂扣件321通過一個第二直線驅動機構322與一側的一個連接支撐臂架32鉸接連接，因此通過控制第一直線驅動機構311、第二直線驅動機構322即可控制折疊伸展式臂架單元3的多級折疊伸展與收縮狀態，由于折疊伸展式臂架單元3采用多級折疊伸展與收縮的方式，能夠增加面向極端環境特種作業機器人的作業范圍，提高機器人作業任務的靈活性，而且采用折疊伸展式的作業臂能夠在保證作業范圍足夠大的前提下使收縮后的空間占用小。本實施例中，第一直線驅動機構311、第二直線驅動機構322均為伺服電動推桿；此外也可以根據需要采用其他直線驅動機構。
[0033]本實施例中，主控倉體I帶有防塵防水外殼,并采用被動式大面積外殼散熱,主控倉體I內部設計有循環風道，使得各個電子部件均得到充分的散熱，保障機器人運行的可靠性；此外，主控倉體I內設有配重，通過配重來平衡作業機械臂的質量，使得機械臂在各種伸展作業狀態下不會因為質心的大范圍變動而使機器人產生傾翻的危險。
[0034]如圖1、圖2、圖3和圖4所示，本實施例中底盤行走單元2的頂部設有水平布置的底盤回轉支承22，主控倉體I通過底盤回轉支承22裝設于底盤行走單元2上。通過底盤回轉支承22，使得主控倉體I能夠相對底盤行走單元2在水平方向進行無限制的360度轉動，從而能夠加大折疊伸展式臂架單元3的作業范圍；和現有技術相同，本實施例中的底盤回轉支承22也采用采用導電滑環連接兩端的電源線和信號控制線，使得底盤回轉支承22在無限制的360度旋轉時不會使得其中的電源線和信號控制線扭斷和破裂。
[0035]如圖1、圖2、圖3和圖4所示，本實施例中主控倉體I的前側設有豎直布置的臂架回轉支承12，折疊伸展式臂架單元3的支撐臂基座31通過臂架回轉支承12裝設于主控倉體I上。通過臂架回轉支承12，使得折疊伸展式臂架單元3能夠相對主控倉體I在豎直方向進行無限制的360度轉動，結合通過底盤回轉支承22使得主控倉體I能夠相對底盤行走單元2在水平方面轉動，使得折疊伸展式臂架單元3能夠實現空間三維位置與三姿態共六自由度運動，從而能夠加大折疊伸展式臂架單元3的作業范圍，具備末端靈活作業的能力；和現有技術相同，本實施例中的臂架回轉支承12同樣也采用采用導電滑環連接兩端的電源線和信號控制線，確保臂架回轉支承12旋轉時不會使其中的電源線和信號控制線扭斷和破裂。
[0036]如圖4、圖5和6所示，本實施例的連臂扣件321包括兩個直連接桿3211和兩個彎折連接桿3212，兩個直連接桿3211 —端通過第一連接軸3213與相鄰的兩個連接支撐臂架32中的一個連接支撐臂架32相連、另一端通過第二連接軸3214與兩個彎折連接桿3212的一端相連，兩個彎折連接桿3212的另一端通過第三連接軸3215與相鄰的兩個連接支撐臂架32中的另一個連接支撐臂架32相連，第二直線驅動機構322裝設于相鄰的兩個連接支撐臂架32中的另一個連接支撐臂架32上，且第二直線驅動機構322的第二驅動桿3221的端部與第二連接軸3214相連。本實施例通過連臂扣件321來對相鄰的兩個連接支撐臂架32來進行運動控制，具有牢固可靠、結構簡單、維修快捷的優點。[0037]如圖2和圖7所示，本實施例的供電模塊21包括相互連接的電池供電模塊211和電源逆變模塊212，底盤行走單元2內設有能源倉213和電源逆變倉214，電池供電模塊211設于能源倉213內，電源逆變模塊212設于電源逆變倉214內。本實施例中，能源倉213是為本實施例提供持續動力的密封性倉體部件，其內部安裝的電池供電模塊211采用大容量動力電池，確保特種作業機器人具有較長的續航時間，能夠適應更加極端的作業環境，采用交流耦合隔離的方式提供電能和進行充電；電源逆變模塊212為將電池供電模塊211輸出的直流電轉換為單相220V交流和三相380V交流電的逆變設備。此外，電源逆變倉214還設有有線式充電設備和無線式電磁感應充電設備，有線式充電設備和無線式電磁感應充電設備分別與電池供電模塊211相連，從而能為電池供電模塊211提供快捷多樣的充電功能，有線式充電設備在正常情況下給能源倉213中動力電池進行正常充電，無線式電磁感應充電設備在某些特殊、惡劣或野外工作環境下給能源倉213中動力電池進行短時間快速充電。
[0038]如圖1、圖2、圖3和圖7所示，本實施例的主控單元11包括傳感器單元111、無線信號收發模塊112、控制模塊113和電機驅動電路114，控制模塊113與無線信號收發模塊112相互連接，傳感器單元111與控制模塊113的輸入端相連，控制模塊113的輸出端與電機驅動電路114的控制端相連，電機驅動電路114的電源輸入端與電源逆變模塊212相連，電機驅動電路114的輸出端分別與第一直線驅動機構311、第二直線驅動機構322相連，傳感器單元111、無線信號收發模塊112、控制模塊113和電機驅動電路114四者的電源輸入端分別與電池供電模塊211相連；主控倉體I上裝設有無線收發天線13，無線信號收發模塊112與無線收發天線13相連。
[0039]如圖8所示，本實施例的傳感器單元111包括激光雷達傳感器1111、接近探測傳感器1112、圖像采集傳感器1113、視覺傳感器1114和超聲波測距傳感器1115，激光雷達傳感器1111、接近探測傳感器1112、圖像采集傳感器1113、視覺傳感器1114、超聲波測距傳感器1115的輸出端分別與控制模塊113相連。本實施例通過激光雷達傳感器1111、接近探測傳感器1112、圖像采集傳感器1113、視覺傳感器1114和超聲波測距傳感器1115來采集多種傳感器信號，來給機器人提供環境參考信息，從而能夠提升本實施例在極端環境下的適應能力。
[0040]本實施例中，激光雷達傳感器1111、接近探測傳感器1112、圖像采集傳感器1113裝設于主控倉體I上，參見圖9，本實施例在主控倉體I上裝設有一個激光雷達傳感器1111和兩個圖像采集傳感器1113，接近探測傳感器1112由于安裝在主控倉體I的殼體內，不便于在圖中表達故未在圖中繪出；視覺傳感器1114和超聲波測距傳感器1115可以根據需要選擇裝設于安裝座33或者安裝在安裝座33上的特種作業機構4上，本實施例中將視覺傳感器1114和超聲波測距傳感器1115安裝在特種作業機構4上，因此能夠直接以特種作業機構4作為運動的載體來現場獲取特種作業機構4到目標物體之間的圖像和距離。
[0041]如圖2和9所示，本實施例的底盤行走單元2上裝設有左側履帶23和右側履帶24，底盤行走單元2的下側分別設有用于驅動左側履帶23的左驅動機構231、用于驅動右側履帶24的右驅動機構241，左驅動機構231和右驅動機構241均包括驅動電機和與驅動電機的輸出軸相連的減速機，左側履帶23和右側履帶24均采用內部帶有鋼絲網的橡膠材質制成，且左側履帶23和右側履帶24的表面均設有等間距布置的防滑凸起塊232。本實施例的底盤行走單元2為基于左側履帶23和右側履帶24的履帶式底盤，對極端環境下惡劣地形的適應能力更好，使得本實施例能夠提供較大噸位的載重量，同時使本實施例的折疊伸展式臂架單元3進行大范圍運動操作時，不會因機器人質心的變化而產生傾倒側翻的危險；左驅動機構231和右驅動機構241可以獨立控制從而實現底盤行走單元2的調速和轉向，利用左驅動機構231和右驅動機構241的同步運動實現直線行走，利用左驅動機構231和右驅動機構241的差速運動實現曲線行走和轉彎，利用左驅動機構231和右驅動機構241不同方向的旋轉實現機器人原地掉頭和旋轉，從而使得機器人底盤移動具有很高的靈活性；左側履帶23和右側履帶24均采用內部帶有鋼絲網的橡膠材質制成，耐磨性能好，強度高，使用壽命長，左側履帶23和右側履帶24的表面均設有等間距布置的防滑凸起塊232，摩擦力大，確保底盤行走單元2在行走時對底面具有較好的抓持能力。
[0042]需要說明的是，本實施例面向極端環境的特種作業機器人通過安裝座33可以安裝不同類型的特種作業機構4，從而完成特種作業機構4所賦予的特種作業技能。本實施例通過折疊伸展式臂架單元3包括多級連接支撐臂架32的伸展與收縮，配合底盤回轉支承22和臂架回轉支承12的旋轉運動，以及特種作業機構4通常自帶的旋轉運動功能，能夠實現空間三維位置與三姿態共六自由度運動，具備末端靈活作業的能力，進一步結合裝設于安裝座33或者安裝在安裝座33上的特種作業機構4上的視覺傳感器1114和超聲波測距傳感器1115，視覺傳感器1114能夠實現采集末端圖像用于機器人視覺定位和目標探測，超聲波測距傳感器1115能夠檢測周圍環境信息用于機械臂避障，從而能夠借助特種作業機構4完成清洗、抓取、整理和搬運等特種作業。
[0043]本實施例中，控制模塊113基于工業控制計算機實現，該工業控制計算機使用基于X86或者兼容X86的工業嵌入式控制計算機。該工業控制計算機在運行時分析收到傳感器單元111輸出的傳感器信息，解析人工作業指令，根據人工作業指令控制機器人行走運動、規劃作業機械臂和特種作業機構4的運動。需要說明的是，控制模塊113可以采用傳統的機器人的控制方法來實現根據人工作業指令控制機器人行走運動、規劃作業機械臂和特種作業機構4的運動。
[0044]如圖10所示，本實施例還公開一種基于本實施例面向極端環境的特種作業機器人的機器人自主控制系統，該機器人自主控制系統以本實施例面向極端環境的特種作業機器人作為控制對象，實現機器人自主運動和自主操作作業。該機器人自主控制系統采用多層結構，具體包括機器人本體機構層、底層信號采集與硬件驅動層、信息分析決策層，該機器人自主控制系統對外則向遠程遙操作輔助監控系統輸出機器人環境感知信息、接收人工輔助控制指令，同時還接收遠程遙操作輔助監控系統提供基于虛擬環境參考模型的經驗學習。機器人本體機構層主要包括本實施例面向極端環境的特種作業機器人的主體機械結構部件、機器人運動連接部件以及機器人動力執行部件。機器人本體機構層是機器人自主控制系統的基礎層，是機器人執行運動操作的實體。底層信號采集與硬件驅動層包括安裝在機器人上的激光雷達傳感器1111、接近探測傳感器1112、圖像采集傳感器1113、視覺傳感器1114以及超聲波測距傳感器1115的的信號采集與傳輸，此外也可以進一步擴展包括編碼器、行程和角度等傳感器的信號采集與傳輸。底層信號采集與硬件驅動層是機器人自主控制系統中的數據交互層，實現海量、多種類、多協議、異步傳感數據的采集、優先級調度與數據預處理等功能。同時對機器人各個運動執行部件進行基于電流環、速度環、位置環和外部編碼器信號的電機伺服驅動控制。信息分析決策層是機器人自主控制系統的高級規劃層，實現機器人自主作業和遠程遙操作人工輔助控制的接口通訊。信息分析決策層包括多傳感信息實時融合、環境感知與分析決策、運動規劃分析與防碰撞、作業控制指令解析和分析決策經驗庫。海量、多種類、多協議、異步傳感數據經過多傳感信息實時融合后傳輸給中央處理器進行環境感知建模，中央處理器結合分析決策經驗庫中的專家經驗進行分析決策，再進一步進行運動規劃分析與防碰撞處理，最終進行作業控制指令解析并向下傳輸給硬件驅動層。信息分析決策層將機器人環境感知信息通過無線方式傳輸給遠程遙操作輔助監控系統，并且無線接收人工輔助控制指令幫助機器人進行運動規劃分析與防碰撞處理。遠程遙操作輔助監控系統是建立在遠端的用于人工干預控制面向極端環境特種作業機器人一套輔助系統。遠程遙操作輔助監控系統與所述機器人控制系統之間采用無線信號傳輸方式傳輸信號，對接收的機器人環境感知信息進行三維環境信息重建與虛擬現實構建，并且用建立好的虛擬環境參考模型對機器人自主控制系統的分析決策經驗庫進行學習和訓練。遠程監控與安全管理子系統實現與人工進行交互，實時顯示機器人運動狀態參數和環境感知信息，接收人工監控指令、規劃輔助作業指令細節并以無線的方式發送給機器人自主控制系統。人工輔助監控操作記錄將會保存至操作記錄數據庫。
[0045]如圖11所示，機器人自主控制系統的作業規劃具體步驟為:
步驟1:機器人首先獲取來自遠程遙操作端任務指令或者機器人自主控制系統定時任務指令。
[0046]步驟2:從歷史經驗數據中獲得參數模型，對步驟I的任務指令進行解析。
[0047]步驟3:對步驟2解析完的指令列表和特種作業需求按照機器人自主控制系統的三層結構進行優先調度和分層規劃，并且保存臨時規劃數據。
[0048]步驟4:機器人采集獲取周圍環境信息并融合成實時環境數據。
[0049]步驟5:步驟3的臨時規劃數據和步驟4的實時環境數據進行對比分析，生成分析融合數據，機器人以分析融合數據進行二次自主操作規劃。
[0050]步驟6:機器人執行作業操作。
[0051]步驟7:機器人的性能評估器對本次規劃的執行效果進行評估，結合步驟6生成實際的自主規劃數據存入歷史經驗數據集中；如果機器人的性能評估器判斷本次規劃作業成功，不需要人工干預，轉至步驟8 ;如果判斷本次規劃作業不成功，需要人工干預，轉至步驟9。
[0052]步驟8:判斷總體規劃任務是否結束，如果未結束，轉至步驟3 ;如果已經全部結束，轉至步驟11。
[0053]步驟9:機器人請求遠程人工輔助操作，等待遠程應答，并開啟機器人安全預警檢測。
[0054]步驟10:遠程端應答，機器人授權遠程控制機器人進行人工輔助作業，同時使機器人在線學習人工遠程輔助操作方式，并將作業數據存入歷史經驗數據。
[0055]步驟11:任務完成，結束作業任務。
[0056]需要說明的是，該機器人自主控制系統僅僅是對本實施例面向極端環境的特種作業機器人進行控制的一個應用的實例，本實施例面向極端環境的特種作業機器人并不依賴于該機器人自主控制系統。毫無疑問，本實施例面向極端環境的特種作業機器人也可以根據需要采用其它機器人自主控制系統或方法來控制完成面向極端環境的特種作業。[0057]以上所述僅是本發明的優選實施方式，本發明的保護范圍并不僅局限于上述實施例，凡屬于本發明思路下的技術方案均屬于本發明的保護范圍。應當指出，對于本【技術領域】的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理前提下的若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護范圍。
【權利要求】
1.一種面向極端環境的特種作業機器人，其特征在于:包括帶有主控單元(11)的主控倉體(1)，所述主控倉體(1)上裝設有底盤行走單元(2 )和折疊伸展式臂架單元(3 )，所述底盤行走單元(2)中設有供電模塊(21)，所述折疊伸展式臂架單元(3)包括支撐臂基座(31)和多級依次鉸接連接的連接支撐臂架(32)，所述支撐臂基座(31)裝設于主控倉體(1)上，所述多級連接支撐臂架(32)中的第一級連接支撐臂架(32)與支撐臂基座(31)鉸接連接、最末級連接支撐臂架(32)的端部設有用于安裝特種作業機構(4)的安裝座(33)，所述支撐臂基座(31)上鉸接有第一直線驅動機構(311)，所述第一直線驅動機構(311)的第一驅動桿(3111)與第一級連接支撐臂架(32)鉸接連接，相鄰的兩個連接支撐臂架(32)之間還鉸接連接有連臂扣件(321)，所述連臂扣件(321)通過一個第二直線驅動機構(322)與一側的一個連接支撐臂架(32)鉸接連接，所述第一直線驅動機構(311)、第二直線驅動機構(322)、供電模塊(21)分別與主控單元(11)相連。
2.根據權利要求1所述的面向極端環境的特種作業機器人，其特征在于:所述連臂扣件(321)包括兩個直連接桿(3211)和兩個彎折連接桿(3212)，所述兩個直連接桿(3211)一端通過第一連接軸(3213)與所述相鄰的兩個連接支撐臂架(32)中的一個連接支撐臂架(32)相連、另一端通過第二連接軸(3214)與所述兩個彎折連接桿(3212)的一端相連，所述兩個彎折連接桿(3212)的另一端通過第三連接軸(3215)與所述相鄰的兩個連接支撐臂架(32)中的另一個連接支撐臂架(32)相連，所述第二直線驅動機構(322)裝設于所述相鄰的兩個連接支撐臂架(32 )中的另一個連接支撐臂架(32 )上，且所述第二直線驅動機構(322 )的第二驅動桿(3221)的端部與第二連接軸(3214)相連。
3.根據權利要求2所述的面向極端環境特種作業機器人，其特征在于:所述第一直線驅動機構(311)、第二直線驅動機構(322)均為伺服電動推桿。
4.根據權利要求3所述的面向極端環境的特種作業機器人，其特征在于:所述底盤行走單元(2)的頂部設有水平布置的底盤回轉支承(22)，所述主控倉體(1)通過底盤回轉支承(22 )裝設于底盤行走單元(2 )上。
5.根據權利要求4所述的面向極端環境特種作業機器人，其特征在于:所述主控倉體(O的前側設有豎直布置的臂架回轉支承(12)，所述折疊伸展式臂架單元(3)的支撐臂基座(31)通過臂架回轉支承(12 )裝設于主控倉體(1)上。
6.根據權利要求5所述的面向極端環境特種作業機器人，其特征在于:所述供電模塊(21)包括相互連接的電池供電模塊(211)和電源逆變模塊(212 )，所述底盤行走單元(2 )內設有能源倉(213)和電源逆變倉(214)，所述電池供電模塊(211)設于能源倉(213)內，所述電源逆變模塊(212)設于電源逆變倉(214)內。
7.根據權利要求6所述的面向極端環境特種作業機器人，其特征在于:所述主控單元(11)包括傳感器單元(111)、無線信號收發模塊(112)、控制模塊(113)和電機驅動電路(114)，所述控制模塊(113)與無線信號收發模塊(112)相互連接，所述傳感器單元(111)與控制模塊(113)的輸入端相連，所述控制模塊(113)的輸出端與電機驅動電路(114)的控制端相連，所述電機驅動電路(114)的電源輸入端與電源逆變模塊(212 )相連，所述電機驅動電路(114)的輸出端分別與第一直線驅動機構(311)、第二直線驅動機構(322)相連，所述傳感器單元(111)、無線信號收發模塊(112)、控制模塊(113)和電機驅動電路(114)四者的電源輸入端分別與電池供電模塊(211)相連；所述主控倉體(1)上裝設有無線收發天線(13)，所述無線信號收發模塊(112)與無線收發天線(13)相連。
8.根據權利要求7所述的面向極端環境特種作業機器人，其特征在于:所述傳感器單元(111)包括激光雷達傳感器(1111)、接近探測傳感器(1112)、圖像采集傳感器(1113)、視覺傳感器(1114)和超聲波測距傳感器(1115)，所述激光雷達傳感器(1111)、接近探測傳感器(1112)、圖像采集傳感器(1113)、視覺傳感器(1114)、超聲波測距傳感器(1115)的輸出端分別與控制模塊(I 13)相連。
9.根據權利要求8所述的面向極端環境特種作業機器人，其特征在于:所述激光雷達傳感器(1111)、接近探測傳感器(1112)、圖像采集傳感器(1113)裝設于主控倉體(1)上，所述視覺傳感器(1114)和超聲波測距傳感器(1115)裝設于安裝座(33)或者安裝在安裝座(33)上的特種作業機構(4)上。
10.根據權利要求9所述的面向極端環境特種作業機器人，其特征在于:所述底盤行走單元(2)上裝設有左側履帶(23)和右側履帶(24)，所述底盤行走單元(2)的下側分別設有用于驅動左側履帶(23)的左驅動機構(231 )、用于驅動右側履帶(24)的右驅動機構(241 )，所述左驅動機構(231)和右驅動機構(241)均包括驅動電機和與驅動電機的輸出軸相連的減速機；所述左側履帶(23)和右側履帶(24)均采用內部帶有鋼絲網的橡膠材質制成，且所述左側履帶(23)和 右側履帶(24)的表面均設有等間距布置的防滑凸起塊(232)。
【文檔編號】B25J13/08GK103978474SQ201410202320
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2014年5月14日 優先權日:2014年5月14日
【發明者】王耀南, 劉理, 寧偉, 吳成中, 繆志強, 陳彥杰, 鐘杭 申請人:湖南大學