基于無線控制的智能機器人及其控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于無線控制的智能機器人，包括具有行走機構的移動平臺，移動平臺上安裝有前置廣角攝像頭、后置廣角攝像頭、云臺熱成像儀、傳感器組和主控板，前置廣角攝像頭、后置廣角攝像頭、云臺熱成像儀和傳感器組分別電氣連接主控板，前置廣角攝像頭安裝于移動平臺前方正中位置，后置廣角攝像頭安裝于移動平臺后方正中位置，云臺熱成像儀通過轉臺可轉動安裝于移動平臺上，傳感器組至少包括有溫度傳感器、濕度傳感器、有害氣體傳感器、紅外傳感器、超聲波測距儀，移動平臺正前方還安裝有至少一套機械臂，機械臂前方安裝可夾取物品的機械抓手或鏟斗，機械臂上安裝有跟隨攝像頭，跟隨攝像頭采用可移動攝像頭，安裝于機械抓手或鏟斗后方。
【專利說明】
基于無線控制的智能機器人及其控制方法
技術領域
[0001]本發(fā)明涉及智能探測機器人技術領域，特別是一種基于無線控制的智能機器人及其控制方法。
【背景技術】
[0002]每年頻繁發(fā)生的自然災害和人為災害，極大地威脅到人類的生命和財產安全。當災害發(fā)生時，建筑物大面積倒塌，大量人員傷亡，如何第一時間實施快速高效的救援工作，盡可能地解救受困的幸存人員便成為最緊要的任務。災難發(fā)生后的現場是一個未知的、復雜的并具有潛在二次傷害的危險環(huán)境，嚴重阻礙了搜救工作快速高效的開展。事故發(fā)生后，由于事故現場環(huán)境是未知的，原有的救援方式難以在第一時間展開救援工作。而且在救援工作中，救援人員的自身安全也時刻面臨著挑戰(zhàn)。此外，限于目前智能控制研究的發(fā)展及應用水平，現有搜救機器人不足以全自主地完成探測搜救工作。機器人人機交互技術，將人的智慧與搜救機器人的自主能力相結合，使得人參與到機器人的控制以及決策中，輔助搜救機器人實現快速高效地完成救援作業(yè)。
[0003]隨著人類活動領域的不斷擴展以及危險作業(yè)需求的快速增長，用于未知環(huán)境和危險區(qū)域的搜救機器人引起了廣泛關注。因此，如何實現危險區(qū)域搜救機器人快速準確地完成作業(yè)以及搜救機器人與操作人員之間自然友好交流等技術，成為機器人研究領域的熱點問題。在搜救機器人關鍵技術研究中，作為機器人適應性和高效性的先決條件，對機器人模型建立、控制技術、人機交互技術的研究尤為重要。

【發(fā)明內容】

[0004]本發(fā)明的目的是為了解決上述現有技術的缺陷，提供一種基于無線控制的智能機器人進行遠程定位搜救。
[0005]本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是:基于無線控制的智能機器人，包括具有行走機構的移動平臺，所述移動平臺上安裝有前置廣角攝像頭、后置廣角攝像頭、云臺熱成像儀、傳感器組和主控板，所述前置廣角攝像頭、后置廣角攝像頭、云臺熱成像儀和傳感器組分別電氣連接所述主控板，所述前置廣角攝像頭安裝于所述移動平臺前方正中位置，用于監(jiān)控機器人前方環(huán)境，作為機器人前行的眼睛;所述后置廣角攝像頭安裝于所述移動平臺后方正中位置，用于監(jiān)控機器人后方環(huán)境，作用為機器人倒行可視;所述云臺熱成像儀通過轉臺可轉動安裝于所述移動平臺上，可以根據需要做出適當的轉動，以便于熱成像儀能對準探測對象;所述傳感器組至少包括有溫度傳感器、濕度傳感器、有害氣體傳感器、紅外傳感器、超聲波測距儀，所述移動平臺正前方還安裝有至少一套機械臂，所述機械臂前方安裝可夾取物品的機械抓手或鏟斗，所述機械臂上安裝有跟隨攝像頭，所述跟隨攝像頭采用可移動攝像頭，安裝于所述機械抓手或鏟斗后方，其作用為監(jiān)控機械抓手或鏟斗前方情況，輔助機械抓手或鏟斗完成夾取物品的任務，而且還可以完成對前置廣角攝像頭和后置廣角攝像頭的監(jiān)控死角區(qū)域的監(jiān)控工作。該移動平臺的行走機構采用履帶式或輪式或履帶式和輪式相結合，所述主控板電氣連接并控制所述移動平臺自動行走或遙控行走或停止。
[0006]作為一種優(yōu)選方案，還包括有數個移動控制終端裝置，每一所述移動控制終端裝置設有顯示模塊及信號接發(fā)模塊，所述主控板上連接安裝有無線電信號接發(fā)器，所述信號接發(fā)模塊和所述無線電信號接發(fā)器通過無線通信網絡互相接發(fā)數據。其中，所述無線電信號接發(fā)器和所述信號接發(fā)模塊采用ZigBee無線通信網絡互相接發(fā)數據，ZigBee網絡具有低功耗、低成本、低速率、支持大量節(jié)點、支持多種網絡拓撲、低復雜度、快速、可靠、安全等特點;所述移動控制終端裝置采用手機，方便而且比較普及，省去額外購買一批移動控制終端裝置的費用。
[0007]作為一種優(yōu)選方案，所述移動平臺上還安裝有自動燈光裝置，在夜里或者黑暗的地方進行搜救，燈光是必不可少的;所述自動燈光裝置主要由比較器、光敏電阻和發(fā)光二極管LED組成，所述比較器采用LM324四運放電路，具有電源電壓范圍寬，靜態(tài)功耗小，可單電源使用，價格低廉等優(yōu)點。
[0008]作為一種優(yōu)選方案，所述移動平臺上還安裝有聲光報警裝置。
[0009]作為一種優(yōu)選方案，所述機械臂包括動臂、動臂油缸、斗桿、斗桿油缸和連桿機構，所述動臂采用整體式彎動臂，所述動臂一端鉸接于所述移動平臺上，另一端與所述斗桿鉸接，所述斗桿的另一端連接所述機械抓手或鏟斗，所述連桿機構一端安裝于所述斗桿上，所述連桿機構另一端連接所述機械抓手或鏟斗，使之成為一個具有3個自由度的機械結構;所述動臂油缸的數量為兩個，分別安裝于所述動臂的兩側，這樣的雙動臂在結構上起到加強筋的作用，所述動臂油缸安裝于所述移動平臺上，所述動臂油缸的活塞桿連接所述動臂，所述斗桿油缸安裝于所述動臂上，所述斗桿油缸的活塞桿連接所述斗桿。
[0010]本發(fā)明還公開一種利用該基于無線控制的智能機器人進行迅速集合搜救的方法:先設定一臺移動控制終端裝置為主控機，調整基于無線控制的智能機器人行走的方向與路徑，其他搜救人員分別持有一臺其他的移動控制終端裝置在安全區(qū)域進行分散搜救;然后對基于無線控制的智能機器人下達自動行走指令，基于無線控制的智能機器人自動行走期間，所述云臺熱成像儀不停旋轉對四周進行生命體征以及其他危險物品的探測，并將所述溫度傳感器、濕度傳感器、有害氣體傳感器、跟隨攝像頭、前置廣角攝像頭和后置廣角攝像頭采集到的信息實時傳輸給主控機，當超聲波測距儀探測到前方5m方向有障礙物時，基于無線控制的智能機器人轉為遙控行走模式，等待主控機下達清除障礙物的指令或者指定新的路徑自動行走；當云臺熱成像儀探測到生命體征以及其他危險物品時，基于無線控制的智能機器人轉為遙控行走模式，聲光報警器報警，并將當前所述溫度傳感器、濕度傳感器、有害氣體傳感器、跟隨攝像頭、前置廣角攝像頭和后置廣角攝像頭采集到的信息實時以廣播形式傳輸給附近30m內所有的移動控制終端裝置以及主控機，迅速糾集附近的搜救人員對遇險人員或危險物品進行搶救處理，提高搜救效率。
[0011]本發(fā)明相對于現有技術具有如下的有益效果:本發(fā)明的搜救機器人移動平臺上配備有云臺攝像機、熱成像儀、前后廣角攝像頭，移動機械臂前端小臂上安裝有攝像頭。通過以上視頻釆集設備，救援人員可以獲知當前的作業(yè)環(huán)境以及目標物信息，從而準確地操作移動平臺及移動機械手；在濃煙、多灰塵等視線不良條件下，熱成像儀所采集溫度圖像信息，將輔助救援人員進行相應的遙操作。
[0012]此外，熱成像儀更可以被利用來在復雜的事故現場搜索幸存的受困人員。系統平臺上同時配備有環(huán)境參數信息監(jiān)測系統，可實時采集回傳事故現場溫度及CH4，C0，H2S等多種氣體信息。搜救機器人兼具有本身狀態(tài)參數信息監(jiān)測的能力。
[0013]遙操作人員通過獲取到的搜救機器人本體的狀態(tài)信息，對機器人救援作業(yè)進行準確的介入和操作。同時，通過本體狀態(tài)信息的采集，機器人本身也可以采取相應的行為保證自身的安全性。本體狀態(tài)信息主要包括通過三維姿態(tài)傳感器所獲取的相對于水平地面機器人本體的航向角、橫滾角以及俯仰角，通過編碼器所獲取的移動機械臂當前的姿態(tài)，以及通過絕對式編碼器所獲取的前端擺臂當前的角度及速度，在這些信息的基礎上加以控制防止其側翻或是傾覆，以確保機器人本體的安全性。此外本體信息還包含有機器人內部多點的溫度、當前機器人電池電量、電源系統工作情況、通信質量等信息。
[0014]通過使用該基于無線控制的智能機器人可以進行迅速集合搜救方案，實現快速高效地完成救援作業(yè)。
【附圖說明】
[0015]圖1為本發(fā)明的結構簡單示意圖；
[0016]圖2為本發(fā)明的機械臂結構示意圖；
[0017]圖3為本發(fā)明的超聲波測距儀超聲波發(fā)送電路圖；
[0018]圖4為本發(fā)明的超聲波測距儀超聲波接收電路圖。
【具體實施方式】
[0019]為了使本發(fā)明的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發(fā)明基于無線控制的智能機器人進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0020]如圖1所示，基于無線控制的智能機器人，包括具有行走機構的移動平臺1，所述移動平臺I上安裝有前置廣角攝像頭4、后置廣角攝像頭5、云臺熱成像儀6、傳感器組7和主控板8，所述前置廣角攝像頭4、后置廣角攝像頭5、云臺熱成像儀6和傳感器組7分別電氣連接所述主控板8()，所述前置廣角攝像頭4安裝于所述移動平臺I前方正中位置，用于監(jiān)控機器人前方環(huán)境，作為機器人前行的眼睛;所述后置廣角攝像頭5安裝于所述移動平臺I后方正中位置，用于監(jiān)控機器人后方環(huán)境，作用為機器人倒行可視;所述云臺熱成像儀6通過轉臺可轉動安裝于所述移動平臺I上，可以根據需要做出適當的轉動，以便于熱成像儀能對準探測對象；所述傳感器組7至少包括有溫度傳感器、濕度傳感器、有害氣體傳感器、紅外傳感器、超聲波測距儀，但不局限于此5種傳感器。傳感器組7在主控板8的控制下工作，傳感器組7采集到的信息由主控板8進行數據處理，主控板8再反饋到機器人的行走系統以及操作人員手持移動控制終端裝置。所述移動平臺I正前方還安裝有至少一套機械臂2，所述機械臂2前方安裝可夾取物品的機械抓手或鏟斗，所述機械臂2上安裝有跟隨攝像頭3，所述跟隨攝像頭3采用可移動攝像頭，安裝于所述機械抓手或鏟斗后方，其作用為監(jiān)控機械抓手或鏟斗前方情況，輔助機械抓手或鏟斗完成夾取物品的任務，而且還可以完成對前置廣角攝像頭4和后置廣角攝像頭5的監(jiān)控死角區(qū)域的監(jiān)控工作。該移動平臺I的行走機構采用履帶式或輪式或履帶式和輪式相結合，所述主控板8電氣連接并控制所述移動平臺I自動行走或遙控行走或停止。
[0021]其中，超聲波測距儀負責水平方向距離并以數值反饋，超聲波測距儀系統硬件主要包括超生波功率放大、信號放大與整形、溫度檢測、CAN通信、報警與顯示、BDM接口等模塊，超聲波測距主要通過超聲波發(fā)送電路和超聲波接收電路實現，超聲波發(fā)送電路包括超聲頻率信號的產生、放大及能量轉換。超聲波頻率信號產生可采用軟件發(fā)生法和硬件發(fā)生法，前者利用軟件產生大于20kHz的超聲波頻率信號，通過控制器輸出腳輸出至放大電路，經功率放大后推動換能器產生超聲波，這種方法的特點是充分利用軟件編程，靈活性好，但需要設計一個驅動電流為10mA以上的驅動電路;后者通常利用555等電路產生超聲頻率信號，并直接驅動換能器產生超聲波，這種方法的特點是無需驅動電路，但缺乏靈活性。換能器分為電氣方式與機械方式兩種，電氣方式有壓電型、電動型、磁致伸縮型等;機械方式有液哨和氣流旋笛等。如圖3所示，本設計采用DG128的TMERO定時器編程產生40kHz方波信號，經X端口輸出至Q601對信號放大，再送變壓器實現阻抗匹配與升壓，并驅動換能器UCM40T發(fā)出40kHZ脈沖超聲波。超聲波頻率的產生、停止均通過對IlMERO定時器編程完成。超聲波碰到障礙物反射回來，引起接收換能器產生壓電效應，由于換能器僅輸出mV級電壓信號，必需進行放大，加之環(huán)境中各種頻率信號的干擾，也必須對信號進行濾波處理。如圖4所示，本設計接收頭采用與發(fā)射頭配對的UCM40R，放大電路由兩片精密運算放大器0P37和R、C網絡構成。0P37是高速寬帶運算放大器，其轉換速率達17V/ys，增益帶寬為63MHz，設計中采用汽車電源12V供電?；夭ㄐ盘柦?P37 二級放大后加至111567。111567是帶有鎖定環(huán)的音頻譯碼集成電路，內部壓控振蕩器中心頻率f= I/RC，調節(jié)R、C的值使之鎖定發(fā)射頻率，當LM567輸入信號大于25mV時，其輸出端第8引腳將產生下降沿跳變信號[2]，利用這個跳變信號向DG128外部中斷引腳發(fā)出中斷請求。
[0022]作為一種優(yōu)選方案，還包括有數個移動控制終端裝置，每一所述移動控制終端裝置設有顯示模塊及信號接發(fā)模塊，所述主控板上連接安裝有無線電信號接發(fā)器，所述信號接發(fā)模塊和所述無線電信號接發(fā)器通過無線通信網絡互相接發(fā)數據。其中，所述無線電信號接發(fā)器和所述信號接發(fā)模塊采用ZigBee無線通信網絡互相接發(fā)數據，ZigBee網絡具有低功耗、低成本、低速率、支持大量節(jié)點、支持多種網絡拓撲、低復雜度、快速、可靠、安全等特點;所述移動控制終端裝置采用手機，方便而且比較普及，省去額外購買一批移動控制終端裝置的費用，先讓手機讀取主控板8信息，通過點播方式發(fā)送到協調器，協調器通過手機安卓串口調試助手打印出來。安卓串口調試助手對終端采集的控制，協調器通過廣播的方式進行串口透傳，最終實現了手機無線資料采集、發(fā)送、控制的人機交互功能。
[0023]作為一種優(yōu)選方案，所述移動平臺I上還安裝有自動燈光裝置9，在夜里或者黑暗的地方進行搜救，燈光是必不可少的；所述自動燈光裝置9主要由比較器、光敏電阻和發(fā)光二極管LED電氣連接組成，隨著周圍環(huán)境的光照強度的增加，光敏電阻的阻值下降，經比較器對比后確定所述發(fā)光二極管LED的亮滅，所述比較器采用LM324四運放電路，具有電源電壓范圍寬，靜態(tài)功耗小，可單電源使用，價格低廉等優(yōu)點。
[0024]作為一種優(yōu)選方案，所述移動平臺I上還安裝有聲光報警裝置10。
[0025]作為一種優(yōu)選方案，如圖2所示，所述機械臂2包括動臂21、動臂油缸22、斗桿23、斗桿油缸24和連桿機構25，所述動臂采用整體式彎動臂，所述動臂21 —端鉸接于所述移動平臺I上，另一端與所述斗桿23鉸接，所述斗桿23的另一端連接所述機械抓手或鏟斗26，所述連桿機構25—端安裝于所述斗桿23上，所述連桿機構25另一端連接所述機械抓手或鏟斗26，使之成為一個具有3個自由度的機械結構;所述動臂油缸22的數量為兩個，分別安裝于所述動臂21的兩側，這樣的雙動臂在結構上起到加強筋的作用，所述動臂油缸22安裝于所述移動平臺I上，所述動臂油缸22的活塞桿連接所述動臂21并驅動所述動臂21擺動，所述斗桿油缸24安裝于所述動臂21上，所述斗桿油缸24的活塞桿連接所述斗桿23并驅動所述斗桿23擺動。
[0026]本發(fā)明還公開一種利用該基于無線控制的智能機器人進行迅速集合搜救的方法:先設定一臺移動控制終端裝置為主控機，調整基于無線控制的智能機器人行走的方向與路徑，其他搜救人員分別持有一臺其他的移動控制終端裝置在安全區(qū)域進行分散搜救;然后對基于無線控制的智能機器人下達自動行走指令，基于無線控制的智能機器人自動行走期間，所述云臺熱成像儀不停旋轉對四周進行生命體征以及其他危險物品的探測，并將所述溫度傳感器、濕度傳感器、有害氣體傳感器、跟隨攝像頭、前置廣角攝像頭和后置廣角攝像頭采集到的信息實時傳輸給主控機，當超聲波測距儀探測到前方5m方向有障礙物時，基于無線控制的智能機器人轉為遙控行走模式，等待主控機下達清除障礙物的指令或者指定新的路徑自動行走；當云臺熱成像儀探測到生命體征以及其他危險物品時，基于無線控制的智能機器人轉為遙控行走模式，聲光報警器報警，并將當前所述溫度傳感器、濕度傳感器、有害氣體傳感器、跟隨攝像頭、前置廣角攝像頭和后置廣角攝像頭采集到的信息實時以廣播形式傳輸給附近30m內所有的移動控制終端裝置以及主控機，迅速糾集附近的搜救人員對遇險人員或危險物品進行搶救處理，提高搜救效率。
[0027]以上所述，僅為本發(fā)明專利優(yōu)選的實施例，但本發(fā)明專利的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發(fā)明專利所公開的范圍內，根據本發(fā)明專利的技術方案及其發(fā)明專利構思加以等同替換或改變，都屬于本發(fā)明專利的保護范圍。
【主權項】
1.基于無線控制的智能機器人，包括具有行走機構的移動平臺，其特征在于，所述移動平臺上安裝有前置廣角攝像頭、后置廣角攝像頭、云臺熱成像儀、傳感器組和主控板，所述前置廣角攝像頭、后置廣角攝像頭、云臺熱成像儀和傳感器組分別電氣連接所述主控板，所述前置廣角攝像頭安裝于所述移動平臺前方正中位置，所述后置廣角攝像頭安裝于所述移動平臺后方正中位置，所述云臺熱成像儀通過轉臺可轉動安裝于所述所述移動平臺上，所述傳感器組至少包括有溫度傳感器、濕度傳感器、有害氣體傳感器、紅外傳感器、超聲波測距儀，所述移動平臺正前方還安裝有至少一套機械臂，所述機械臂前方安裝可夾取物品的機械抓手或鏟斗，所述機械臂上安裝有跟隨攝像頭，所述跟隨攝像頭采用可移動攝像頭，安裝于所述機械抓手或?產斗后方。2.根據權利要求1所述的基于無線控制的智能機器人，其特征在于:還包括有數個移動控制終端裝置，每一所述移動控制終端裝置設有顯示模塊及信號接發(fā)模塊，所述主控板上連接安裝有無線電信號接發(fā)器，所述信號接發(fā)模塊和所述無線電信號接發(fā)器通過無線通信網絡互相接發(fā)數據。3.根據權利要求2所述的基于無線控制的智能機器人，其特征在于:所述無線電信號接發(fā)器和所述信號接發(fā)模塊采用ZigBee無線通信網絡互相接發(fā)數據。4.根據權利要求2所述的基于無線控制的智能機器人，其特征在于:所述移動控制終端裝置采用手機。5.根據權利要求1所述的基于無線控制的智能機器人，其特征在于:所述移動平臺上還安裝有自動燈光裝置，所述自動燈光裝置由比較器、光敏電阻和發(fā)光二極管LED組成，所述比較器采用LM3 24四運放電路。6.根據權利要求1所述的基于無線控制的智能機器人，其特征在于:所述移動平臺上還安裝有聲光報警裝置。7.根據權利要求1所述的基于無線控制的智能機器人，其特征在于:所述機械臂包括動臂、動臂油缸、斗桿、斗桿油缸和連桿機構，所述動臂采用整體式彎動臂，所述動臂一端鉸接于所述移動平臺上，另一端與所述斗桿鉸接，所述斗桿的另一端連接所述機械抓手或鏟斗，所述連桿機構一端安裝于所述斗桿上，所述連桿機構另一端連接所述機械抓手或鏟斗，所述動臂油缸的數量為兩個，分別安裝于所述動臂的兩側，所述動臂油缸安裝于所述移動平臺上，所述動臂油缸的活塞桿連接所述動臂，所述斗桿油缸安裝于所述動臂上，所述斗桿油缸的活塞桿連接所述斗桿。8.根據權利要求1所述的基于無線控制的智能機器人，其特征在于:所述移動平臺的行走機構采用履帶式或輪式或履帶式與輪式相結合，所述主控板電氣連接并控制所述移動平臺自動行走或遙控行走或停止。9.一種迅速集合搜救的方法，其特征在于使用權利要求1-8任一所述的基于無線控制的智能機器人對危險區(qū)域進行探測，先設定一臺移動控制終端裝置為主控機，調整基于無線控制的智能機器人行走的方向與路徑，其他搜救人員分別持有一臺其他的移動控制終端裝置在安全區(qū)域進行分散搜救;然后對基于無線控制的智能機器人下達自動行走指令，基于無線控制的智能機器人自動行走期間，所述云臺熱成像儀不停旋轉對四周進行生命體征以及其他危險物品的探測，并將所述溫度傳感器、濕度傳感器、有害氣體傳感器、跟隨攝像頭、前置廣角攝像頭和后置廣角攝像頭采集到的信息實時傳輸給主控機，當超聲波測距儀探測到前方5m方向有障礙物時，基于無線控制的智能機器人轉為遙控行走模式，等待主控機下達清除障礙物的指令或者指定新的路徑自動行走;當云臺熱成像儀探測到生命體征以及其他危險物品時，基于無線控制的智能機器人轉為遙控行走模式，聲光報警器報警，并將當前所述溫度傳感器、濕度傳感器、有害氣體傳感器、跟隨攝像頭、前置廣角攝像頭和后置廣角攝像頭采集到的信息實時以廣播形式傳輸給附近30m內所有的移動控制終端裝置以及主控機，迅速糾集附近的搜救人員對遇險人員或危險物品進行搶救處理。
【文檔編號】B25J11/00GK106078808SQ201610663041
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年8月12日 公開號201610663041.8, CN 106078808 A, CN 106078808A, CN 201610663041, CN-A-106078808, CN106078808 A, CN106078808A, CN201610663041, CN201610663041.8
【發(fā)明人】李杰浩, 林志杰, 王文升, 徐偉, 楊勇
【申請人】廣東技術師范學院