一种球形变胞机器人和基于该机器人的环境信息监测系统

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，具体是一种球形变胞机器人和基于该机器人的环境信息监测系统。

背景技术

环境信息采集广泛应用于工业监测、节能环保、农业生产种植等众多领域，准确地采集环境信息，对于危险突发状况及时处理，有利于保障各行业安全稳定的运行，深切关系到工业化背景下社会和国家秩序的稳定。

目前主要是固定节点与传统人工相结合的信息采集系统，这种方式存在一些问题，首先在固定位置安装检测设备，一定程度上可以组建一个灾害监测网络，但是这种设备是固定安装在特定地点，布线复杂建设成本高，配置不灵活，而且不可避免的产生监测盲点。人工检测虽然能够一定程度上减小检测盲点，但是消耗了大量人力物力资源，且存在非实时监测、监测范围有限、监测效率低、无法避免人为误差等问题。随着我国科学技术和制造业水平的不断提高，提高环境信息采集的智能化水平，提供全天候、全方位、全自主的智能监测与数据处理系统，已成为我国科学技术和制造业的重要任务，成为工业化背景下社会和国家秩序稳定的必要保障。

为此，国内外学者开展了大量深入的研究，如中国专利“变电站智能机器人巡检系统及巡检方法(CN102280826B)提供了一种变电站智能机器人巡检系统，以智能巡检机器人为核心，整合现有机器人技术、电力设备非接触监测技术以及互联网技术等，实现了变电站环境信息智能采集与处理，但是该发明所采用的无线通信技术算法复杂，传输距离小，无法实现广域环境的信息采集。此外，由于机器人技术的迅速发展大大推动了机器人在各个领域的应用，尤其在一些危险环境下，因而国内外学者对于巡检机器人展开了一定研究，可在特种环境下代替人力实现信息采集技术的智能化，如中国专利“一种四轮智能巡检机器人装置(CN212044704U)”提供了一种四轮巡检机器人装置，利用驱动轮万向轮机构实现机器人全方位的移动，但是该装置驱动性能差，无法实现广域环境的全向运动。中国专利“一种变电站巡检机器人(CN106041877B)”通过八个驱动单元的设计解决了机器人驱动性能差的问题，但是该发明体型庞大，控制复杂，越障能力差，无法实现复杂地形对于巡检机器人结构灵活变化的需求，增大了环境信息采集盲区。

综上所述，现阶段大部分信息采集技术初步解决了环境信息的智能采集与处理，但是这些方法的通信技术无法保障信息的实时性和可靠性，当某处产生异常或某通信节点失去正常通信能力时，无法对于异常实时处理、灵活改变网络布线情况，而且现阶段信息采集技术所整合的巡检机器人技术在一定程度上满足了机器人基本运动、数据采集的功能，但是不易驱动且动态性能差，无法满足化工厂、变电站等广域复杂环境中对于信息采集机器人运动的需求，不能对特定区域进行重点监测。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种球形变胞机器人和基于该机器人的环境信息监测系统。该机器人能够全向移动，特定位置固定；环境信息监测系统基于自组网通信技术，具有可自重构动态监测节点，能够实现远距离监测；环境信息监测系统具有两种模式，既能通过被动的动态监测模式准确把握整体环境状况，又能通过主动趋向性监测模式完成对特定区域的信息采集任务，实现全天候、全方位、全自主的智能动态监测。

本发明解决所述技术问题采用的技术方案是：

一种球形变胞机器人，其特征在于，该机器人包括控制单元、球形壳体和多个均匀分布在球形壳体上的伸缩足，所有伸缩足的轴线交于球形壳体的球心，伸缩足能沿着球形壳体的径向伸缩，所有伸缩足能够完全包裹在球形壳体内或伸出球形壳体外。

所述伸缩足包括套筒、电机、滑台底板、滚珠丝杠、滑台和伸缩杆；套筒安装在球形壳体的内壁，滑台底板插装在套筒内，滚珠丝杠与滑台底板转动连接；滚珠丝杠的两侧对称安装有支撑杆，滑台滑动连接在滚珠丝杠和支撑杆上；电机安装在滑台底板邻近球形壳体球心的一端，电机的输出轴与滚珠丝杠固连；所述伸缩杆内嵌在套筒中，伸缩杆能够相对于套筒往复滑动。

所有伸缩足完全伸长时，整个机器人的直径为32cm，伸缩足完全收缩时整个机器人的直径为16cm。

控制单元包括微控制器、限位开关、惯性元件、控制板和运动控制模块，运动控制模块包括译码器和电机驱动模块；每个伸缩足的滑台底板上均安装有限位开关，限位开关和惯性元件均与微控制器电连接；微控制器与译码器连接，译码器与电机驱动模块相连，电机驱动模块与电机相连。

本发明还提供一种基于球形变胞机器人的环境信息监测系统，其特征在于，该系统包括自组网通信模块、环境信息采集组件、上位机、定位模块和多个变胞机器人；多个变胞机器人布置在待检测区域的各个位置，每个变胞机器人上均安装有自组网通信模块、定位模块和环境信息采集组件；自组网通信模块与上位机进行通信，每个机器人上的自组网通信模块能够与其余机器人上的自组网通信模块双向通信。

环境信息采集组件包括温度传感器、湿度传感器和气体传感器。

该系统包括主动趋向性监测、被动动态监测以及被动休眠唤醒监测三种模式。

主动趋向性监测模式包括用户指定点信息监测与突发环境趋向性监测这两种任务；用户指定点信息监测任务是上位机控制各个变胞机器人主动靠近指定点位置，实现对待监测区域的全方位监测；突发环境趋向性监测任务是对异常区域进行重点监测。

被动动态监测模式是在变胞机器人在外力作用下作滚动运动至指定位置。

被动休眠唤醒监测模式是多个变胞机器人的集群作业，每个变胞机器人采取休眠与工作状态轮流的方式进行间歇性作业。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明的变胞机器人具有多个在球形壳体上各向同性均匀分布的伸缩足，通过伸缩足伸缩配合实现机器人包络结构的改变，变胞机器人的球形壳体能够将所有的伸缩足完全包络，伸缩足能够沿着球形壳体伸缩，具有极高的稳定性，降低了伸缩足的悬臂长度，使得机器人的运动更加灵活，这种结构简单紧凑，降低故障的概率，易于维修更换，满足了机器人在野外无人、沙尘、潮湿、腐蚀性等大恶劣环境中作业的需要。变胞机器人的所有伸缩足完全伸长时，整个机器人的直径为32cm，伸缩足完全收缩时整个机器人的直径为16cm，体积小，能够达到窄小的空间。

2.本发明的环境信息监测系统具有可重构多边形拓扑结构，节点机器人能够运动至特定位置，不易受外部环境对机器人运动的干扰，可自适应野外工厂的各种复杂地形，满足监测过程中的定点监测需求。各个节点机器人之间可以相互通信，可以实现信息的远距离传输，更加适用于广域环境。通信技术上采用高可靠低功耗的自组网通信技术，无需复杂的前期布置、机动性强，提高了系统动态化、智能化水平，自组网多跳传输方式，提高了广域环境长距离的通信实时性和可靠性。机器人通过安装有自组网通信模块，实现设备间与上位机之间的自组网通信方式。不同状态下的机器人分工配合，当有机器人超过通信模块的传输距离，它会与附近的机器人进行组网通信，然后这个机器人又会紧接着与附近的机器人组网通信，并将上一个机器人的源地址一同打包发送，最后发送给上位机。上位机根据每个机器人特有的地址，去检索对应的机器人，当某些机器人超出范围后，便会给其他机器人发送指令，令其他机器人根据身份号检索超出范围的机器人，通信网络节点拓扑结构可随环境动态变化。

3.本发明的环境信息监测系统中的节点机器人是动态中，在待监测区域内运动，能够避免监测盲区，满足了监测过程中稳定性和准确性的需求。

4.本发明的环境信息监测模式分为主动趋向性监测、被动动态监测以及被动休眠唤醒监测三种模式，主动趋向性监测又分为用户指定点信息监测与突发环境趋向性监测这两种任务；用户指定点信息监测主要是令变胞机器人主动靠近指定点位置，实现对待监测区域的全方位监测；突发环境趋向性监测是对异常区域进行重点监测；被动动态监测是在外力作用下实现机器人的被动驱动，减少机器人的能耗；被动休眠唤醒监测是变胞机器人采取休眠与工作状态轮流的方式进行间歇性作业，上位机通过定时的方式控制不同变胞机器人的工作时间，也就是在同一时刻点，一部分变胞机器人工作，另一部分变胞机器人处于休眠状态，在保证监测工作的同时减少变胞机器人的能量损耗。通过上述三种监测模式可以实现全天候、全方位、全自主的智能动态监测。

5.本发明的环境信息监测系统可搭载气体、温度、湿度等多种传感器并结合了被动唤醒与主动趋向性监测模式，实现了采集功能的多样化。既能通过被动的动态监测模式准确把握整体环境状况，又能通过主动的趋向性监测模式完成对特定区域的信息采集任务。本发明具备以自组网为基础的机器人集群作业功能，当遇到紧急突发状况时，上位机利用MESH网格多级路由的跳跃传输方式发送数据包(包括想要操作某个机器人的通讯地址和指令数据)到各个机器人自组网通信模块，自组网通信模块收到指令，驱动机器人定向移动，执行上位机命令，随时满足用户的各种需求，可更好的处理特定点突发环境污染事故的信息采集任务，完成主动趋向性监测。同时本发明还具有被动的休眠唤醒动态监测模式，当若干机器人随机放置于广域环境后，机器人通过休眠唤醒交替的形式实现机器人的轮流作业，当上位机发现某点环境出现问题时，可指定触发某点机器人唤醒，执行信息采集任务，这种被动休眠唤醒结合的监测模式减少了野外环境电量的消耗。

附图说明

图1为本发明的变胞机器人的整体结构示意图；

图2为本发明的变胞机器人的伸缩足的结构示意图；

图3为本发明的变胞机器人的内部结构示意图；

图4为本发明的变胞机器人一种实施例中伸缩足的分布示意图；

图5为本发明的环境信息监测系统的结构示意图；

图6为本发明的自组网通信技术的原理图；

图7为本发明的突发环境趋向性监测模式的原理图；

图8为本发明的被动休眠唤醒监测模式的原理图；

图中：1-球形壳体；2-伸缩足；3-球面气垫；4-套筒；5-上位机；6-限位开关；7-电机；8-控制板；9-滑台底板；10-滚珠丝杠；11-支撑杆；12-滑台；13-连接盘；14-伸缩杆；15-译码器16-固定支架；17-惯性元件；18-微控制器A；19-电机驱动模块。

具体实施方式

下面结合实施例及其附图详细叙述本发明的技术方案，并不用于限定本申请的保护范围。

本发明为一种球形变胞机器人(简称机器人，参见图1-4)，包括球形壳体1和多个伸缩足2，多个伸缩足2依据各向同性的空间拓扑结构均匀分布在球形壳体1上，保证各个伸缩足2的结构和性能相同，所有伸缩足2的轴线交于球形壳体1的球心，伸缩足2能沿着球形壳体1的径向伸缩，通过各个伸缩足2的相互配合实现机器人的全向运动；

所述伸缩足2包括套筒4、电机7、滑台底板9、滚珠丝杠10、滑台12和伸缩杆14；套筒4的两端具有开口，套筒4的周向上设有连接盘13，连接盘13与球形壳体1的内壁贴合，并通过螺钉将连接盘13与球形壳体1固连，进而将套筒4安装在球形壳体1内；滑台底板9插装在套筒4内，滚珠丝杠10的两端与滑台底板9转动连接；滑台12安装在滚珠丝杠10上，在滚珠丝杠10的两侧对称安装有与滚珠丝杠10平行的支撑杆11，两个支撑杆用于支撑滑台；电机7安装在滑台底板9靠近球形壳体1球心的一端，电机7的输出轴与滚珠丝杠10固连，滑台12滑动安装在滚珠丝杠10和支撑杆11上；

所述伸缩杆14为空心杆体结构，且内嵌在套筒4内，伸缩杆14靠近球形壳体1球心的一端与滑台12固连，通过滑台12实现伸缩杆14相对于套筒4的往复滑动，使伸缩杆14能伸出球形壳体1外与地面触地，电机7的旋转速度控制了机器人伸缩足的伸缩速度与长度；伸缩杆14与地面接触的一端设有球面气垫3，实现机器人与地面的柔性接触；当伸缩杆14完全收缩于球形壳体1内时，球面气垫3完全嵌在与球形壳体1上，使整个机器人呈光滑球形结构，机器人能够依靠惯性作滚动运动。

所述球形壳体1由两个半球形壳体组成，一个半球形壳体的边缘有凸缘，盖合在另一个半球形壳体上，并通过螺钉将两个半球形壳体固定连接，球形壳体1上设有电源开关。

该机器人的控制单元包括微控制器A18、限位开关6、惯性元件17、控制板20和运动控制模块，运动控制模块包括译码器15和电机驱动模块19；控制板20通过固定支架16安装在球形壳体1内，微控制器A18、惯性元件17和运动控制模块安装在控制板20上；限位开关6、惯性元件17均与微控制器A18电连接；每个伸缩足2的滑台底板9上均安装有限位开关6，限位开关6用于感知滑台12的位置，并将获取的位置信号传输至微控制器A18，获知伸缩足是否运动至指定伸缩量的位置；惯性元件17用于测量机器人的加速度和角速度，微控制器A18对机器人的加速度和角速度经过分析处理后能够得到触地的伸缩足的位置和伸长量，感知机器人的运动状态；微控制器A18通过译码器15与电机驱动模块19连接，电机驱动模块19与电机7电连接，电机驱动模块19生成驱动信号，驱动相应的伸缩足伸缩，能使伸缩足处于某个指定伸缩量下，使机器人按照相应动作组的程序完成相应的运动。

微控制器A18内存储有多个动作组的程序，例如主动运动、滚动运动、转向运动等，用于控制伸缩足完成对应的运动，当伸缩足需要完成某一动作组时，只需要调用程序，程序自动控制机器人完成相应的动作组。

本发明的球形变胞机器人的工作原理和和工作过程是：

如图4所示，本实施例一共包括14个伸缩足，所有伸缩足实质上可以看成是分布在同一个正方体上，伸缩足的编号为2-1～2-14，分别位于正方体的8个顶点和6个侧面的中心处；伸缩足2-1、2-2、2-3、2-4位于正方体右侧面的四个顶点处，伸缩足2-5、2-6、2-7、2-8位于正方体左侧面的四个顶点处，伸缩足2-9位于正方体右侧面的中心处，伸缩足2-10位于正方体左侧面的中心处，伸缩足2-11位于正方体后侧面的中心处，伸缩足2-12位于正方体顶面的中心处，伸缩足2-13位于正方体前侧面的中心处，伸缩足2-14为正方体底面的中心处。

设伸缩足的最大伸长量为L；机器人初始位置为正方体的底面靠近地面，伸缩足2-2、2-3、2-7、2-8与地面接触，伸缩足2-2、2-3的伸长量为0.4L，伸缩足2-7、2-8的伸长量为L，然后控制单元伸缩足2-1、2-4的伸长量为0.4L，伸缩足2-14的伸长量为L，此时机器人的重心位于右侧，形成向右倾斜状态，机器人作以伸缩足2-2、2-3与地面的接触点为支点的翻滚运动，使正方体的右侧面靠近地面，伸缩足2-1、2-4、2-2、2-3触地，伸缩足2-7、2-8、2-14恢复为未伸缩状态；

保持伸缩足2-1、2-4的伸长量为0.4L，控制单元控制伸缩足2-2、2-3的伸长量为L，伸缩足2-5、2-6的伸长量为0.4L，然后使伸缩足2-9的伸长量为L，此时机器人以伸缩足2-1、2-4与地面的接触点为支点的翻滚运动，使正方体的顶面靠近地面，伸缩足2-1、2-4、2-5、2-6触地，伸缩足2-2、2-3、2-9恢复为未伸缩状态；

同理，可以完成其余伸缩足与地面的接触点为支点的主动运动，机器人还能够完成滚动运动、转向运动等，实现机器人的全向运动。

本申请的球形变胞机器人具有多个伸缩足结构，具有极高的稳定性，可以保证机器人在复杂地形条件下的稳定性，伸缩足的伸缩借助滚珠丝杠10将电机7的转动转化为伸缩足的伸缩运动，电机输出轴的旋转速度和圈数控制了伸缩足的伸缩速度与长度，通过控制各个伸缩足的伸长量，使机器人的重心力矩发生变化，重心力矩就会驱动机器人围绕其支点作翻滚运动。

本发明还提供一种基于球形变胞机器人的环境信息监测系统(简称系统，参见图5-8)，包括自组网通信模块、环境信息采集组件、上位机、定位模块和多个变胞机器人；通过人工安装或无人机抛洒方式将多个变胞机器人布置在待检测区域的各个位置，每个变胞机器人上均安装有自组网通信模块、定位模块和环境信息采集组件，环境信息采集组件的检测端位于变胞机器人的球形壳体表面，能够检测环境信息；机器人上可以再安装一个微控制器B，微控制器B主要负责信息采集；环境信息采集组件包括温度传感器、湿度传感器和气体传感器等，可全方位采集各种环境信息，并借助自组网通信模块将采集的环境信息打包发送至上位机，实现实时通信。

该系统的环境信息监测通过自组网通信技术实现，根据实际要求对每个自组网通信模块的网络ID和信道以及地址进行更改，给每个自组网通信模块特定的标号，操作的时候不需要复杂的网络协议，通过配置相同的信道和网络ID，自组网通信模块通电之后，就可以与其余自组网通信模块进行自动组网，只需要上位机发送数据包(包括待控制变胞机器人的通讯地址和指令数据)，自组网通信模块中自带的算法就会分配好跳传路径，上位机的数据就会传输到相应的变胞机器人处，此时每个变胞机器人相当于拓扑网络的节点，故称为节点机器人；由于各个节点机器人之间组成的拓扑网络可能发生改变(比如某个节点出现故障)和节点与节点之间通讯距离有限的影响，如图6所示，当上位机的通讯模块与某个自组网通信模块之间的物理距离超过该自组网通信模块与上位机之间的最远传输距离时，整个系统就会利用MESH网格实现多级路由的跳跃传输方式来完成通信，也就是该自组网通信模块作为信息源将采集的信息传输至邻近的节点机器人，通过邻近的节点机器人将信息传输至上位机，因此采用跳跃传输方式可以极大的增加通信模块的传输距离，上位机同时能够从信息源的位置获得有效信息传输路径，由于各个自组网通信模块内提前烧写好了程序，简化了组网设计过程中的复杂操作，降低了使用难度。

上位机的数据处理系统基于Labview技术实现，具备高智能化的各种类型环境信息实时监控、处理技术，具有多路数据采集功能，对应环境信息采集组件，可采集气体、温湿度、图像等各种环境信息，生成可视化的波形数据并配有应急报警装置；各个节点机器人在上位机生成拓扑网络结构，基于自组网通信技术，拓扑结构的形状根据节点机器人的位置和距离实时变化，节点机器人监测到环境数据后发送至上位机以及周围各个节点机器人。当环境信息指标出现异常时待监测区域内的报警装置启动，同时上位机中保留了历史采集数据、时间等相关指标，便于查看检验。

本发明的基于球形变胞机器人的环境信息监测系统包括主动趋向性监测、被动动态监测以及被动休眠唤醒监测三种模式；

主动趋向性监测模式包括用户指定点信息监测与突发环境趋向性监测这两种任务；当执行用户指定点信息监测任务时，上位机向各个变胞机器人发布指令，令其运动到指定点位置；上位机针对用户指令与待监测区域的地图对变胞机器人的运动路径进行智能规划出预定路径，变胞机器人布置在待监测区域内后通过定位模块自动定位，对预定路径进行修正；变胞机器人调用半滚动运动程序，使变胞机器人的伸缩足作主动运动，向指定点处靠近；待运动速度达到一定值后所有伸缩足不再伸缩，变胞机器人以球形姿态，按照惯性滚动运动；当需要转向调整时，机器人调用转向运动程序，实现变胞机器人的转向；上述过程为变胞机器人主动靠近指定点位置，当变胞机器人到达指定区域后环境信息监测组件开始工作，并按照预先规划好的路径不间断采集信息并将变胞机器人的位置信息以及采集的环境信息传回上位机，上位机对数据进行分析处理后绘制出待监测区域的环境信息图谱。

如图7所示，突发环境趋向性监测任务具体为：当变胞机器人A采集的环境信息出现异常时，上位机将向以变胞机器人A为中心，半径为500m范围内的所有变胞机器人发送指令，令其他变胞机器人向变胞机器人A靠近，聚集到突发环境区域内，对突发环境区域内进行重点且全面监测。

被动动态监测模式主要依靠变胞机器人的球形结构，实现变胞机器人在外力(如刮风)作用下的全向平滑滚动运动；当有外力驱动时，变胞机器人伸缩足全部收缩至球形壳体内部，使变胞机器人自由滚动至指定位置，减少了驱动变胞机器人的能量消耗。当变胞机器人实际运动路径大幅偏离预定路径时(如地表风力较大、地面坡度较陡、步进电机出现异常等)，偏离路径的变胞机器人与半径为500m范围内的变胞机器人进行自组网通信，然后这个范围内的变胞机器人又会紧接着与附近的变胞机器人进行自组网通信，并将偏离路径的变胞机器人的地址一同打包发送至上位机。上位机根据每个变胞机器人中自组织通信模块的地址，当某些变胞机器人超出监控范围后，便会给其他变胞机器人发送指令，令其他变胞机器人根据标号检索超出范围的变胞机器人，并将指令传输至超出范围的变胞机器人，控制该变胞机器人进行变胞运动，使变胞机器人的伸缩足伸出触地，完成紧急制动，等待后续处置，如回收处理或初始化处理等。

被动休眠唤醒监测模式适用于多个变胞机器人在同一区域内作业，也就是变胞机器人的集群作业；如图8所示，变胞机器人随机抛洒至待监测区域中，变胞机器人采取休眠与工作状态轮流的方式进行间歇性作业，上位机通过定时的方式控制不同变胞机器人的工作时间，也就是在同一时刻点，一部分变胞机器人工作，另一部分变胞机器人处于休眠状态，在保证监测工作的同时减少变胞机器人的能量损耗。

微控制器A和微控制器B均采用STM32系列单片机；气体传感器采用MQ系列，湿度传感器采用数字式湿度传感模块，温度传感器采用DS系列数字温度传感器；自组网通信模块采用DL-LN32P无线自组网通信模块，单跳传输距离为500m，多跳传输距离为7500m。

本发明未述及之处适用于现有技术。