一种全地域资源探测机器人

技术领域

本发明涉及机器人创新应用领域，具体涉及一种全地域资源探测机器人。

背景技术

目前地球可供人们利用的资源越来越少，资源的探测显得尤为重要，现在资源的探测都是在人工可以到达的地域，在一些人们不能到达的地方一般都是利用卫星进行拍照，然后再根据这些照片进行分析。然而这样得到的结果是不全面的，而且经常会出现错探、误探的情况，还有一些地方卫星拍不到的地域，譬如山洞里、水面以下，还有一些地域放射性物质较多，只是拍照是不能探测放射物质的。工作人员进入一些未知地域时，还会有很大的安全风险。

针对这一问题，市场上开发出了一些资源探测机器人，但都是仅能在单个地域进行探测，不能够实现水陆空的全面探测，不利于工作人员的具体分析。

发明内容

本发明的目的在于提供一种全地域资源探测机器人，可以有效解决人工探测强度大，效率低，成本高，存在未知危险，以及现有资源探测机器人存在驱动能力不足、探测区域局限性等问题。

为了达到上述目的，本发明提供一种全地域资源探测机器人，包含：多功能探测平台、连接所述多功能探测平台的多个转换机械足、连接所述多功能探测平台的多个飞行支架、以及设置在所述转换机械足和所述飞行支架上的驱动装置。

所述多功能探测平台包含平台主体、以及设置在所述平台主体上的云台装置和红外测距装置；

所述平台主体上设置有GPS定位系统、单片机控制系统、飞行控制板、第一无线收发模块和电源模块；

所述云台装置包含：无线摄像头、云台、第一无刷电机和传感器，所述无线摄像头通过云台可拆卸连接在平台主体的下方，所述云台通过所述传感器感知多功能探测平台的动作后，通过所述第一无刷电机驱动抵消多功能探测平台的震动，使所述无线摄像头保持稳定；

所述红外测距装置可拆卸连接在所述平台主体的上方，用于预测目标与全地域资源探测机器人的距离。

所述飞行控制板包含超声波定高模块、第二无线收发模块、陀螺仪、加速度计、微控制器模块和无刷电机电子调速系统；

所述超声波定高模块用于检测全地域资源探测机器人作业时的飞行高度；

所述第二无线收发模块用于和全地域资源探测机器人进行通信，实现对全地域资源探测机器人的实时控制；

所述微控制器模块用于对飞行控制的数据采集和处理；

所述无刷电机电子调速系统通过电路对无刷电机进行控制，以调节全地域资源探测机器人的飞行姿态；

所述陀螺仪和加速度计与GPS定位系统相互配合可准确的得出全地域资源探测机器人所处的位置及状态，以及位置和状态的改变情况。

所述转换机械足呈轴对称设置在所述多功能探测平台的两侧，所述转换机械足包含：机械连接的腿部和足部，所述腿部采用中空结构；

所述腿部包含活动铰接的腿上半部和腿下半部，所述腿上半部与所述平台主体活动铰接，所述腿下半部通过第一自锁电机与所述足部转动连接；

所述第一自锁电机固接于所述腿下半部的下端，所述足部通过足部连接件固接于所述第一自锁电机的转轴上，所述足部连接件上设置有支撑腿、第二水下推进器及轮毂，所述支撑腿及第二水下推进器均固接于所述足部连接件上，所述支撑腿下端设置有三维压力传感器，所述轮毂固接于第二自锁电机转轴处，所述第二自锁电机固接于所述足部连接件上；

所述支撑腿、第二水下推进器及轮毂位于同一平面内，并且相互呈120°。

所述飞行支架呈中心对称设置在所述多功能探测平台的周围，所述飞行支架包含：活动铰接的可折叠大臂和可折叠小臂，所述飞行支架采用中空结构。

所述驱动装置包含空中驱动装置、水下驱动装置及陆地驱动装置；

每个所述飞行支架上至少设置一个空中驱动装置和一个水下驱动装置；

每个所述转换机械足上至少设置一个水下驱动装置和一个陆地驱动装置。

所述空中驱动装置包含电路连接所述飞行控制板的无刷电机、机械连接所述无刷电机的旋翼、以及用于检测所述无刷电机的转速的编码器。

所述水下驱动装置包含第一水下推进器与第二水下推进器，所述第一水下推进器设置在所述飞行支架上，所述第二水下推进器设置在所述转换机械足的足部；

所述第一水下推进器与第二水下推进器都至少包含：螺旋桨和带动所述螺旋桨旋转的直流电机，所述直流电机电路连接至所述单片机控制系统。

所述陆地驱动装置包含：足部和带动所述足部旋转的第一自锁电机。

所述多功能探测平台上方设置有第一半球形抗压防水罩，所述第一半球形抗压防水罩与所述平台主体的边缘水密连接；

所述旋翼上方设置有第二半球形抗压防水罩，所述第二半球形抗压防水罩与所述飞行支架水密连接，所述第二半球形抗压防水罩电路连接至所述单片机控制系统。

本发明与现有技术相比包含的有益效果是：

1、本发明提供一种探测范围广、驱动能力强、质量轻、能够实现多自由度运动、可在恶劣环境下作业的探测机器人。

2、本发明中腿部和飞行支架采用中空结构，减轻探测机器人重量，并且可以用来布置电路。

3、本发明中固接于腿部下端第一自锁电机转轴处的足部可以随着第一自锁电机一同旋转，使固接于足部连接件上的支撑腿、第二水下推进器和轮毂交替与地面摩擦接触，从而使全地域资源探测机器人实现行走。

4、本发明通过第一自锁电机的旋转可以改变第二水下推进器螺旋桨产生推力的方向，从而实现全地域资源探测机器人在水下作业时运动姿态的改变。

5、本发明中椭圆形平台上方和飞行支架旋翼处均设置有抗压防水罩，椭圆形平台、飞行支架均与抗压防水罩水密连接，防止液体及水压对中央控制系统和旋翼等部件造成破坏。

6、本发明中由可折叠大臂和可折叠小臂活动铰接的飞行支架，可沿水平方向向上折叠。当全地域资源探测机器人在陆地作业时，可减少机器人与外界的接触避免碰撞；在水下作业时，可改变第一水下推进器螺旋桨产生推力的方向，为机器人的多自由度运动提供帮助。

附图说明

图1是本发明提供的一种全地域资源探测机器人的整体结构示意图。

图2是本发明提供的一种全地域资源探测机器人的主视图。

图3是本发明提供的一种全地域资源探测机器人的俯视图。

图4是本发明中第二抗压防水罩处于开启状态时的结构示意图。

图5是本发明中飞行支架处于折叠状态时的结构示意图。

图6是本发明中多功能探测平台的结构示意图。

图7是本发明中飞行控制板的结构示意图。

图8是本发明中转换机械足的结构示意图。

图9是本发明中足部的结构示意图。

图10是本发明中飞行支架的结构示意图。

图11是本发明中可折叠小臂的结构示意图。

图12是本发明中水下推进器的剖视图。

图13是本发明中可折叠支架的局部剖视图

图14是本发明中水下推进器螺旋桨部分的结构示意图。

以上图中：1、多功能探测平台；2、编码器；3、第一关节轴；4、第一半球形抗压防水罩；5、旋翼；6、第一水下推进器；7、云台；8、无线摄像头；9、三维压力传感器；10、第一自锁电机；11、支撑腿；12、无刷电机电子调速系统；13、轴套；14、红外测距装置；15、齿轮；16、飞行支架；17、单片机控制系统；18、电源模块；19、超声波定高模块；20、飞行控制板；21、第二无线收发模块；22、陀螺仪；23、加速度计；24、足部；25、椭圆形平台；26、第一无刷电机；27、I型支架；28、传感器；29、第二无刷电机；30、第三无刷电机；31、第四无刷电机；32、第五无刷电机；33、腿部；34、腿下半部；35、腿上半部；36、空中驱动装置；37、陆地驱动装置；38、水下驱动装置；39、转轴；40、微控制器模块；41、第二水下推进器；42、轮毂；43、第二自锁电机；44、第一无线收发模块；45、GPS定位系统；46、转换机械足；47、直流电机；48、轴套钉；49、可折叠大臂；50、可折叠小臂；51、第二关节轴；52、涵道式螺旋桨；53、足部连接件；54、螺旋桨；55、第二半球形抗压防水罩；56、锁紧件；57、涵道；58、转轴密封装置；59、桨毂；60、毂帽；62、桨叶；63、电机支架；64、叶梢；65、上韧带；66、下韧带；67、端部连接轴。

具体实施方式

以下根据图1～图14，具体说明本发明的较佳实施例。

如图1～图5所示，本实施例中提供一种全地域资源探测机器人，包含：多功能探测平台1、转换机械足46、飞行支架16和驱动装置。

如图1～图7所示，所述多功能探测平台1包含椭圆形平台25、云台装置7及红外测距装置14，所述红外测距装置14通过I型支架27可拆卸连接在椭圆形平台25的正前方上端，可预测出目标与全地域资源探测机器人的距离。所述云台装置7包含无线摄像头8、云台7、第一无刷电机26和传感器28，所述无线摄像头8通过云台7可拆卸连接在椭圆形平台25的正前方下端，云台7通过传感器28感知多功能探测平台1的动作后，再通过第一无刷电机26驱动抵消多功能探测平台1的震动，使无线摄像头8保持稳定，云台可对俯仰、偏航等运动进行增稳，从而使电脑端的工作人员得到稳定、清晰的画面。椭圆形平台25上设置有GPS定位系统45、单片机控制系统17、飞行控制板20、第一无线收发模块44和电源模块18。在本实施例中，所述单片机控制系统17包含K60芯片以及卡槽，卡槽通过焊接固定于电路板上，K60芯片与卡槽之间可拆卸连接。如图7所示，所述飞行控制板20包含超声波定高模块19、第二无线收发模块21、陀螺仪22、加速度计23、微控制器模块40和无刷电机电子调速系统12；所述超声波定高模块19用于检测全地域资源探测机器人作业时的飞行高度，所述第二无线收发模块21用于和全地域资源探测机器人进行通信，实现对全地域资源探测机器人的实时控制，所述微控制器模块40用于对飞行控制的数据采集和处理，所述无刷电机电子调速系统12通过电路对无刷电机进行控制，无刷电机将飞行控制板20的输出转化为旋翼5的转速，改变各旋翼5的升力和反扭矩，以调节全地域资源探测机器人的飞行姿态。所述GPS定位系统45、陀螺仪22与加速度计23相互配合可准确的得出全地域资源探测机器人所处的位置及状态，以及位置和状态的改变情况。如图1所示，所述多功能探测平台1上方设置有第一半球形抗压防水罩4，所述第一半球形抗压防水罩4与椭圆形平台25的边缘水密连接，避免液体及水压等对多功能探测平台1内部构件造成破坏。

如图1、图2、图6、图8和图9所示，在本实施例中，设置4个转换机械足46，分为两组，每组分别对称设置在椭圆形平台25的两侧。所述转换机械足46包含腿部33和足部24，所述腿部33包含通过第一关节轴3活动铰接的腿上半部35和腿下半部34(如图8所示)，所述腿上半部35通过轴套13及轴套钉48与椭圆形平台25端部连接轴67活动铰接，所述腿下半部34通过第一自锁电机10与足部24转动连接，其中第一自锁电机10固接于腿下半部34的下端，足部24通过足部连接件53固接于第一自锁电机10的转轴上，所述足部连接件53上设置有支撑腿11、第二水下推进器41及轮毂42。所述支撑腿11及第二水下推进器41均固接于足部连接件53上，所述轮毂42固接于第二自锁电机43转轴处，第二自锁电机43通过电机支架63固接于足部连接件53上。所述支撑腿11、第二水下推进器41及轮毂42位于同一平面内，并且相互呈120°，所述支撑腿11下端还设置有三维压力传感器9(如图9所示)，可判断出机器人是否着陆。所述转换机械足46腿部33采用中空结构，以减轻结构重量并可以用来布置电路。

如图1、图5和图10所示，在本实施例中，设置有4个飞行支架16，4个飞行支架16整体呈X型对称设置在椭圆形平台25的边缘。本实施例中，所述飞行支架16包含通过第二关节轴51活动铰接的可折叠大臂49和可折叠小臂50(如图10所示)，飞行支架16可沿水平方向向上折叠，以减少全地域资源探测机器人在水下和陆地探测时与外界物体的接触避免发生碰撞，同时可改变第一水下推进器6螺旋桨54产生推力的方向。所述飞行支架16采用中空结构，以减轻全地域资源探测机器人的重量并可用来布置电路。

如图1、图3、图4、图7和图11所示，所述驱动装置包含空中驱动装置36、水下驱动装置38及陆地驱动装置37。所述空中驱动装置36设置在飞行支架16上，每一个飞行支架16上对应设置一个空中驱动装置36。所述空中驱动装置36包含无刷电机、旋翼5及编码器2，无刷电机的转轴39处设有螺纹，旋翼5和锁紧件56设有与转轴39相配合的内部螺纹，所述旋翼5通过转轴39与所述无刷电机连接，旋翼5与转轴39螺纹连接后再由锁紧件56进行进一步的固定。所述飞行支架16与无刷电机连接部位设置有编码器2，无刷电机与编码器2通过齿轮15传动，编码器2通过齿轮15检测无刷电机转速(如图11所示)。所述旋翼5上方设置有第二半球形抗压防水罩55，第二半球形抗压防水罩55与飞行支架16水密连接，第二半球形抗压防水罩55电路连接至单片机控制系统17，第二半球形抗压防水罩55的张开与闭合由单片机控制系统17控制，可避免全地域资源探测机器人在水下运动时液体及水压对旋翼5、编码器2和无刷电机等部件造成破坏。所述无刷电机电路连接至飞行控制板20，并由飞行控制板20中的无刷电机电子调速系统12进行控制。本实施例中的4个旋翼5的结构和半径都相同，且都处于同一高度平面内。本实施例中，4个空中驱动装置36中的4个无刷电机分别命名为第二无刷电机29、第三无刷电机30、第四无刷电机31和第五无刷电机32，其中第二无刷电机29与第四无刷电机31顺时针旋转，第三无刷电机30与第五无刷电机32逆时针旋转(如图3所示)。由于四个旋翼为四角对称分布，旋翼对角旋向相同，同侧旋向相反，所以这些由旋翼产生的附加力矩会相互抵消，水平方向上力矩之和为零，从而使全地域探测机器人在空中飞行时处于平衡状态。飞行控制板20通过无刷电机电子调速系统12改变4个无刷电机的转速，以实现升力的不同，从而控制全地域资源探测机器人的飞行状态。

如图1、图2、图12、图13和图14所示，所述水下驱动装置38包含第一水下推进器6与第二水下推进器41。本实施例中的4个第一水下推进器6的结构和功能都相同，4个第二水下推进器41的结构和功能也相同。第一水下推进器6与第二水下推进器41内部结构相同(如图13所示)，但外部机壳结构及所处位置不同。第一水下推进器6固接于飞行支架16末端下部，第二水下推进器41固接于转换机械足46的足部连接件53上。第一水下推进器6与第二水下推进器41内部带动螺旋桨54旋转的直流电机47均是通过电路连接至单片机控制系统17，单片机控制系统17通过控制直流电机47的转速以实现螺旋桨54产生不同的推力。如图13和图14所示，所述第一水下推进器6是由直流电机47、涵道式螺旋桨52及转轴密封装置58构成，直流电机47转轴处设置有螺纹，涵道式螺旋桨52桨毂59处设置有与直流电机47转轴处相配合的内部螺纹，直流电机47与涵道式螺旋桨52螺纹连接后，再由毂帽60进行进一步的固定。涵道式螺旋桨52与直流电机47机壳之间设置有转轴密封装置58，可避免全地域机器人在水下运动时液体对直流电机47造成干扰。所述涵道式螺旋桨52包含螺旋桨54及涵道57，涵道57固接于螺旋桨桨叶62的叶梢64处与螺旋桨54一同旋转，涵道式螺旋桨52相比于自由螺旋桨可提供更大的推力，具有更高的推进效率。

如图1、图5、图12、图13和图14所示，所述单片机控制系统17通过电路控制下韧带66收缩上韧带65放松，可使飞行支架16在水平方向上处于稳定的平衡状态，此时，第一水下推进器6可产生竖直方向上的推力。所述单片机控制系统17通过电路控制第一水下推进器6启动后，第一水下推进器6内部的直流电机47带动螺旋桨54旋转，螺旋桨54在水中旋转产生的压力差使全地域探测机器人获得竖直向上的推力，从而实现全地域资源探测机器人在水下的上升运动。所述单片机控制系统17通过电路控制第一水下推进器6关闭后，第一水下推进器6内部的直流电机47不再带动螺旋桨54旋转产生推力，此时全地域资源探测机器人将依靠自身重力实现在水中的下潜运动。当第一水下推进器6内部的直流电机47带动螺旋桨54旋转产生的推力与全地域资源探测机器人自身重力相等时，全地域资源探测机器人将在水下保持竖直方向上的平衡。所述单片机控制系统17通过电路控制下韧带66放松上韧带65收缩，飞行支架16在第二关节轴51处沿水平方向向上折叠(如图5所示)，此时第一水下推进器16可产生水平方向上的推力。所述单片机控制系统17通过电路控制第一水下推进器6内部的直流电机47带动螺旋桨54旋转，使全地域探测机器人获得水平向上的推力，从而实现全地域探测机器人在水下的左右平移运动。所述单片机控制系统17通过电路控制第一自锁电机10的旋转可控制足部连接件53的转动，从而控制足部连接件53上第二水下推进器41产生推力的方向。当单片机控制系统17控制第二水下推进器41处于水平方向时，此时第二水下推进器41内部的直流电机47将带动螺旋桨54旋转产生水平上的推力，从而实现全地域资源探测机器人在水下运动时水平方向上前进与后退。(第二水下推进器的推力产生原理与第一水下推进器的推力产生原理相同，此处不再赘述。)综上，根据运动叠加原理全地域资源探测机器人可在水下实现多自由度的运动。

如图1、图8和图9所示，陆地驱动装置37包含足部24和带动足部24旋转的第一自锁电机10，全地域资源探测机器人依靠陆地驱动装置37可实现两种不同的运动方式。其一：所述单片机控制系统17通过电路信号控制第一自锁电机10旋转使足部24的支撑腿11着地后，单片机控制系统17通过电路信号控制转换机械足46交替运动实现行走。其二：当全地域探测机器人着陆后，所述单片机控制系统17电路控制第一自锁电机10旋转，固接于第一自锁电机10转轴处的足部连接件53将带动支撑腿11、第二水下推进器41和轮毂42发生转动并交替与地面摩擦接触，以实现全地域资源探测机器人在陆地运动时的前进与后退。所述单片机控制系统17电路控制转换机械足46的腿部33在水平和竖直两个自由度内活动，从而控制全地域资源探测机器人在陆地运动的方向。根据作业环境的不同，工作人员可选择全地域探测机器人在陆地上的行走方式。

本发明的工作过程如下：

将全地域资源探测机器人放置于水平地面上，由于探测机器人足部24设置有带有三维压力传感器9的支撑腿11，探测机器人立于地面。此时，全地域资源探测机器人开始进行陆地探测。在无障碍区域内，单片机控制系统17电路控制第一自锁电机10旋转，第一自锁电机10带动足部连接件53转动使轮毂42着地。然后单片机控制系统17电路控制第二自锁电机43使轮毂42转动，从而使全地域资源探测机器人在无障碍区域内运动；在有障碍区域内，单片机控制系统17电路控制第一自锁电机10使足部连接件53旋转，固接于足部连接件53上的支撑腿11、第二水下推进器41和轮毂42随着足部连接件53的旋转交替与地面摩擦接触，从而实现全地域资源探测机器人在有障碍区域内的行走。

工作人员通过遥控板与飞行控制板20的数据连接控制全地域资源探测机器人从而控制空中驱动装置36中的无刷电机启动旋翼5，单片机控制系统17通过三维压力传感器9检测到全地域资源探测机器人离开地面后，将自动关闭第一自锁电机10，全地域资源探测机器人由陆地探测转向空中探测。当超声波定高模块19检测到全地域资源探测机器人的足部24完全没入水中时，单片机控制系统17将控制第一自锁电机10带动足部连接件53旋转，使第二水下推进器43喷口竖直向下，同时单片机控制系统17启动第二水下推进器41。当第二水下推进器41产生的推力与全地域资源探测机器人的重力达到平衡时，工作人员通过遥控板关闭无刷电机，单片机控制系统17通过编码器2检测到空中驱动装置36中的无刷电机速度减为零时，将控制第二半球形抗压防水罩55闭合。第二半球形抗压防水罩55完全闭合后，单片机控制系统17控制第二水下推进器41减小螺旋桨54转速使推力降低，从而使全地域资源探测机器人逐渐潜入水中，同时单片机控制系统17启动第一水下推进器6，全地域资源探测机器人由空中探测转向水下探测。全地域资源探测机器人通过红外测距装置14测出与目标的距离后，再通过椭圆形平台25上的第一无线收发模块44将数据传输到工作人员的电脑上，工作台人员在安全区域通过遥控板控制全地域资源探测机器人在陆地上的前进、空中的飞行、水下的航行，全地域资源探测机器人接近目标后通过第一无线收发模块44将无线摄像头8所拍摄的画面传输给工作人员，工作人员再根据画面做出具体分析，整个装置所需的电量由电源模块18提供，依照上述方式对区域和目标进行探测。

本发明所带来的有益技术效果是：

本发明结构轻巧，驱动能力强，自动化程度高，探测范围广，可在空中、海域、陆地进行全面探测，可避免工作人员进入危险工作环境，有效的保障了工作人员的安全，有效解决了人工探测强度大、效率低、成本高、驱动能力不足、存在未知危险等问题，并且极大的拓宽了机器人的工作范围。

需要说明的是，在本发明的实施例中，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述实施例，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。