CN103659817B - 一种机器人救援系统及实现该救援系统的方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种机器人救援系统，包括侦查机器人、搭桥机器人、控制机械手机器人、上位机和RFID矩阵场地；所述侦查机器人、搭桥机器人和机械手机器人分别包括摄像头、传感器模块、主控芯片和无线通信模块；所述侦查机器人还包括履带式车架、位于机器人顶部的运载平台以及用于驱动履带的直流电机。此外，本发明提供一种实现机器人救援系统的方法，包括以下步骤：A、建立具有一定长度和宽度的RFID矩阵场地。本发明一种机器人救援系统易于控制，具有可行实用性；操作简单、性能稳定、援救效率高，为多机器人援救装置的机械结构提供了一种适应性强、可组合搭建和协调工作的设计思维，对多机器人援救领域的发展有良好的促进作用。

Description

一种机器人救援系统及实现该救援系统的方法

技术领域

本发明涉及机器人控制领域，特别是涉及一种机器人救援系统及实现该救援系统的方法。

背景技术

随着机器人应用范围也不断扩张，市场对机器人的需求也不断扩大，在苛刻场合中的作业，越来越多的时利用机器人完成。单个机器人在信息的获取、处理和控制方面的能力都是有限的，对于比较复杂的作业任务和苛刻作业作环境，单机器人不能满足要求。由多个机器人组成的多机器人系统通过整体、协作来完成单机器人无法或难以完成的作业，特别是人无法进入或者存在重大安全隐患的事故现场中，多机器人进行援救的应用显得尤为重要。

发明内容

本发明的目的是提供一种机器人救援系统及实现该救援系统的方法，使其易于控制、实用性强、操作简单、性能稳定、援救效率高，从而克服现有技术的不足。

为解决上述技术问题，本发明一种机器人救援系统，包括侦查机器人、搭桥机器人、机械手机器人、上位机和RFID矩阵场地；

所述侦查机器人、搭桥机器人和机械手机器人分别包括摄像头、传感器模块、主控芯片和无线通信模块，所述无线通信模块、摄像头、传感器模块与主控芯片连接，所述摄像头、传感器模块通过无线通信模块与所述上位机通信连接；

所述侦查机器人还包括位于车身两侧的履带构成的履带式车架、位于所述侦查机器人车架顶部的运载平台以及安装在车架上用于驱动履带的直流电机；

所述搭桥机器人还包括位于车身两侧的履带构成的履带式车架、位于所述搭桥机器人车架上部的升降斜面板和安装在车架上的升降步进电机，所述升降步进电机通过合页调节升降斜面板与地面的距离；

所述机械手机器人还包括位于车身两侧的履带构成的履带式车架、安装在车架上的电机以及位于机器人车架前部的五自由度机械手；

所述上位机通过无线通信模块分别与所述侦查机器人、所述搭桥机器人和所述机械手机器人控制连接；

所述RFID矩阵场采用RFID射频卡铺设而成，所述RFID射频卡中的所有数据储存于所述侦查机器人、所述搭桥机器人、所述机械手机器人和上位机中，所述侦查机器人、所述搭桥机器人和所述机械手机器人通过RFID射频卡对应的数据，寻找相应的救援目标坐标和机器人移动位置的坐标。

进一步的，所述侦查机器人，用于搜寻和运送援救目标，救援目标时，与搭桥机器人靠近，所述搭桥机器人，其一侧与侦查机器人靠近，其升降斜面板的一侧与侦查机器人的运载平台靠近，另一侧接近救援目标，协助机械手机器人将需救援目标装载至侦查机器人的运载平台上；

所述机械手机器人，靠近搭桥机器人，通过五自由度机械手，利用搭桥机器人的升降斜面板，将救援目标装载到侦查机器人的运载平台上，完成对救援目标的救援。

所述传感器模块包括指南针传感器、超声波传感器、核辐射探测器、温湿度传感器、光强传感器和陀螺仪，所述指南针传感器、超声波传感器、核辐射探测器、温湿度传感器、光强传感器和陀螺仪分别与主控芯片连接。

所述摄像头采用网络无线摄像头。

所述侦查机器人、所述搭桥机器人和所述机械手机器人的设置数量分别为两个以上，救援目标时，两个以上所述侦查机器人并排靠近，两个以上所述搭桥机器人并排靠近后一侧与侦查机器人靠近，另一侧与救援目标靠近，两个以上所述机械手机器人并排靠近后与救援目标靠近。

此外，本发明还提供一种实现机器人救援系统的方法，包括以下步骤：

A、建立长度和宽度分别为（m,n）的RFID矩阵场地,其中，m,n为任意数值；

B、将RFID矩阵数据储存在各个机器人的主控芯片和上位机中；

C、侦查机器人、搭桥机器人和机械手机器人读取在RFID矩阵场地中位置的RFID射频卡数据，确定自己在RFID矩阵场地中的坐标，并将坐标发送给上位机；

D、侦查机器人、搭桥机器人和机械手机器人接收上位机发送的救援目标在RFID矩阵场地中位置的坐标；

E、侦查机器人、搭桥机器人和机械手机器人按照自己的坐标和援救目标的坐标，计算出各个机器人自身坐标与救援目标的方向角度，并根据该角度向援救目标移动。

F、侦查机器人、搭桥机器人和机械手机器人到达援救目标后，上位机控制各个机器人对援救目标进行援救。

在所述步骤E中，所述侦查机器人、搭桥机器人和机械手机器人在RFID矩阵场地中的位置坐标为（a,b），援救目标在RFID矩阵场地中的坐标（i,j），则机器人位置坐标与援救目标的夹角为                                                ，所述指南针传感器的值与RFID矩阵场地的参考边的夹角得到机器人的方向角β，得到机器人需要偏转的角度δ为： δ=90°-θ-β，机器人根据偏转的角度δ向援救目标移动。

在所述步骤F中，所述上位机控制侦查机器人组成运载平台；

所述上位机控制搭桥机器人组成支撑斜面；

所述上位机控制机械手机器人位于支撑斜面的一侧，控制其抓取援救目标。

采用以上设计后，本发明与现有技术比较有以下有益效果：

本发明采用了射频技术、无线通信技术和自动化控制技术，使用上位机通过无线通信模块遥控各个机器人协作完成援救任务，易于控制，具有可行实用性；操作简单、性能稳定、援救效率高，为多机器人援救装置的机械结构提供了一种适应性强、可组合搭建和协调工作的设计思维，对多机器人援救领域的发展有良好的促进作用。各个机器人的协作性好，执行任务的单个机器人体积或结构上可以进行精简，对事故地形和空间分布的场地适应性和通过性更有优势。采用各个机器人进行援救任务在实施过程可以有更多的援救选择方案，更具灵活性。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

上述仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明，以下结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

图1是本发明机器人救援系统的结构组成示意图。

图2是本发明实现机器人救援系统的方法流程图。

具体实施方式

请参阅图1所示，本发明一种机器人救援系统，包括侦查机器人10、搭桥机器人20、控制机械手机器人30、上位机和RFID矩阵场地50。

侦查机器人10、搭桥机器人20和机械手机器人30分别包括摄像头、传感器模块、主控芯片和无线通信模块，无线通信模块、摄像头、传感器模块与主控芯片连接，摄像头、传感器模块通过无线通信模块与上位机通信连接。

其中，传感器模块包括指南针传感器、超声波传感器、核辐射探测器、温湿度传感器、光强传感器和陀螺仪等。指南针传感器用于调整机器人运动方向；超声波传感器，用于机器人避开障碍物；核辐射探测器、温湿度传感器和陀螺仪等传感器用于实时采集现场环境信息，指南针传感器、超声波传感器、核辐射探测器、温湿度传感器、光强传感器和陀螺仪分别与主控芯片连接。

摄像头采用网络无线摄像头，摄像头用于采集RFID矩阵场地的环境信息，并通过WiFi网络把视频内容传输到上位机。

RFID矩阵场地，采用RFID射频卡铺设而成，射频卡间距固定，因此，RFID射频卡在RFID矩阵场地平面中的分布通过处理可以建立成一个平面上的坐标点，其可用于机器人运动场地。

上位机根据接收到的机器人采集的传感器数据、RFID数据和摄像头采集的环境信息，然后通过无线通信模块遥控各个机器人协作完成援救任务。

侦察机器人10顶铺放顶板作为运载平面台101，侦察机器人10以履带式车架为底座，底座上方设置金属框架，金属框架壁上安装有超声波传感器102，其用于避开障碍物，侦察机器人使用减速直流电机驱动。侦察机器人10在救援任务中对援救目标40搜寻并运送。

搭桥机器人20设置有升降斜面板，搭桥机器人20以履带式车架为底座，升降斜面板201由合页202和升降步进电机203分别与车架前端和后端连接。升降步进电机203通过旋转使升降斜板201以合页202为轴心上下升降从而调节升降斜面板与底面的距离。搭桥机器人20在援救任务中起桥梁搭载作用，方便将对援救目标40装载至侦察机器人10的运载平面台101上，搭桥机器人20的升降斜面板201宽度与侦察机器人10长度相当。

机械手机器人30设置有五自由度机械手301，机械手机器人30以履带式车架为底座，五自由度机械手301位于机器人前部。机械手机器人10在援救任务中对援救目标40搬移和抓取。三种机器人在实施援救过程有独立而又协作关系。

无线通信模块采用TI公司CC2530 ZigBee无线模块，每个机器人上安装的无线模块为路由，上位机连接的无线模块为协调器。机器人上的主控制芯片采用赛普拉斯（Cypress）公司的CY8C3866AXI芯片。每个机器人上主控制芯片与CC2530通过串口通信进行数据传输，然后通过ZigBee组网与上位机进行数据发送或接收。

上位机采用电脑与ZigBee协调器相连接来实现，协调器负责上位机与机器人之间的数据或指令的收发，并通过串口线与电脑通信。上位机软件采用VC++ 6.0开发环境，使用MFC类库设计上位机。

具体的讲，当各个机器人在场地中执行任务时，各个机器人与上位机通过无线通信模块组成无线网络，并把各个机器人读取到的传感器数据、RFID数据及摄像头监控数据传输到上位机，上位机根据机器人传输来的数据和视频数据，通过无线网络控制机器人完成援救任务。上位机通过无线通信模块控制各个机器人在RFID矩阵场地50中执行援救任务。即控制侦察机器人10组成运载平面台101，搭桥机器人20搭建升降斜面板201，然后控制机械手机器人30的五自由度机械手301借助升降斜面板201的支撑作用把援救目标40搬到运载平面台101，最后侦察机器人10运送援救目标40离开危险区域。

此外，请参阅图2所示，本发明提供一种实现机器人救援系统的方法包括以下步骤：

步骤S10，设置长宽为m，n的RFID矩阵场地，用于铺设RFID矩阵场地的射频卡，其卡号数据各不相同。预先人工按顺序读取RFID矩阵场地中所有RFID射频卡卡号数据。然后将卡号数据存储于机器人主控制芯片和上位机中，处理并构建矩阵地图。

RFID矩阵场地50采用的RFID射频卡铺设而成，在RFID矩阵场地50中，RFID射频卡内嵌在塑料板中以6cm的间距矩阵式排列。每一张卡号数据由21位数字字符串组成。先是由人工按顺序把RFID矩阵场地中RFID射频卡数据读取，取出21位数字字符中的后5位的字符作卡号数据，五位字符数字各不相同。将卡号数据存储在机器人的控制芯片，由于RFID射频卡是间隔6 cm距离的矩阵式铺设的，所以可以在上位机使用卡号坐标建立矩阵地图。

步骤S20,各个机器人在RFID矩阵场地运动过程中读取所在位置卡号，通过处理得到机器人所在地图中的坐标，然后将坐标通过无线通信模块发送给上位机。

机器人读取RFID射频卡数据后与预先存放在机器人主控芯片的全部卡号进行对比，找到所在位置的数据坐标即为机器人所在RFID矩阵场地的所在位置的坐标。并通过ZigBee无线网络发送给上位机，上位机地图界面设置成栅格地图，每一格对应一个卡号数据，因此，可用不同的颜色标记出各个机器人所在位置。

步骤S30,获得援救目标坐标后，上位机向各个机器人发送援救目标的坐标（i,j）。

当有机器人发现援救目标并把援救目标的坐标发送给上位机或者已知援救目标位置的坐标，上位机通过无线网络把援救目标的坐标发送给各个机器人。

步骤S40,各个机器人根据自身坐标（a,b）和收到的援救目标（i,j）计算出方位角度，并向援救目标汇集。

各个机器人收到援救目标坐标后，根据自身当前坐标（a,b）与援救目标坐标（i,j）计算出援救目标的方向夹角θ。通过当前目标与救援目标计算出夹角θ的计算公式为：

  

然后上位机通过指南针传感器的值与RFID矩阵场地的参考边的夹角得到机器人的方向角β，计算出机器人需要偏转的角度δ为：

δ=90^o-θ-β

最后机器人结合指南针传感器校准偏转δ度，指南针的角度精度为1度。机器人偏转到位后，向援救目标方向前进。行进过程中机器人每读到一个RFID射频卡，进行一次方向矫正，逐步向援救目标靠近。同时机器人在行进过程中利用超声波传感器避开障碍物，向援救目标汇集。

机器人移动过程中，每读到RFID射频卡号都发送到上位机，然后上位机软件在地图界面中使用不同的颜色对机器人进行对应标记，机器人运动经过的点连接成线，因此可以在上位机地图界面看到各个机器人向援救目标汇集的轨迹。

步骤S50,通过借助摄像头监控及上位机地图机器人方位显示，通过上位机无线遥控机器人完成援救任务。

通过上位机地图及摄像头传送回来的视频显示内容，机器人靠近援救目标后，通过上位机设置遥控模式控制机器人，当系统进入遥控模式，机器人暂停自主运动模式，等待上位机控制命令。

首先根据援救目标的形状分布遥控搭桥机器人斜板相向停靠在援救目标的较长侧面，升降步进电机使升降斜面板下降至斜面板低端与地面接触，2个搭桥机器人组成一个面积较大的支撑斜面。

其次侦察机器人侧面与搭桥机器人前部的斜板高处相靠，一个搭桥机器人的前部有一个侦察机器人停靠，2个侦察机器人组成一个运载平面。

然后机械手机器人停靠在援救目标相对于搭桥机器人升降斜面板低端的另一侧，再根据控制指令把援救目标抓取并往升降斜面板向上推，直到把援救目标移动到侦察机器人的运载平台。

最后遥控2个侦察机器人以相同的方向同步把援救目标运送离开危险区域，撤离所有机器人，援救任务完成。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，本领域技术人员利用上述揭示的技术内容做出些许简单修改、等同变化或修饰，均落在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种机器人救援系统，其特征在于包括侦查机器人、搭桥机器人、机械手机器人、上位机和RFID矩阵场地；

所述侦查机器人、搭桥机器人和机械手机器人分别包括摄像头、传感器模块、主控芯片和无线通信模块，所述无线通信模块、摄像头、传感器模块与主控芯片连接，所述摄像头、传感器模块通过无线通信模块与所述上位机通信连接；

所述侦查机器人还包括位于车身两侧的履带构成的履带式车架、位于所述侦查机器人车架顶部的运载平台以及安装在车架上用于驱动履带的直流电机；

所述搭桥机器人还包括位于车身两侧的履带构成的履带式车架、位于所述搭桥机器人车架上部的升降斜面板和安装在车架上的升降步进电机，所述升降步进电机通过合页调节升降斜面板与地面的距离；

所述机械手机器人还包括位于车身两侧的履带构成的履带式车架、安装在车架上的电机以及位于机器人车架前部的五自由度机械手；

所述上位机通过无线通信模块分别与所述侦查机器人、所述搭桥机器人和所述机械手机器人控制连接；

所述RFID矩阵场采用RFID射频卡铺设而成，所述RFID射频卡中的所有数据储存于所述侦查机器人、所述搭桥机器人、所述机械手机器人和上位机中，所述侦查机器人、所述搭桥机器人和所述机械手机器人通过RFID射频卡对应的数据，寻找相应的救援目标坐标和机器人移动位置的坐标。

2.根据权利要求1所述的一种机器人救援系统，其特征在于：

所述侦查机器人，用于搜寻和运送救援目标，救援目标时，与搭桥机器人靠近，所述搭桥机器人，其一侧与侦查机器人靠近，其升降斜面板的一侧与侦查机器人的运载平台靠近，另一侧接近救援目标，协助机械手机器人将需救援目标装载至侦查机器人的运载平台上；

所述机械手机器人，靠近搭桥机器人，通过五自由度机械手，利用搭桥机器人的升降斜面板，将救援目标装载到侦查机器人的运载平台上，完成对救援目标的救援。

3.根据权利要求1所述的一种机器人救援系统，其特征在于：

所述传感器模块包括指南针传感器、超声波传感器、核辐射探测器、温湿度传感器、光强传感器和陀螺仪，所述指南针传感器、超声波传感器、核辐射探测器、温湿度传感器、光强传感器和陀螺仪分别与主控芯片连接。

4.根据权利要求1所述的一种机器人救援系统，其特征在于：

所述摄像头采用网络无线摄像头。

5.根据权利要求1所述的一种机器人救援系统，其特征在于：

所述侦查机器人、所述搭桥机器人和所述机械手机器人的设置数量分别为两个以上，救援目标时，两个以上所述侦查机器人并排靠近，两个以上所述搭桥机器人并排靠近后一侧与侦查机器人靠近，另一侧与救援目标靠近，两个以上所述机械手机器人并排靠近后与救援目标靠近。

6.一种实现机器人救援系统的方法，其特征在于包括以下步骤：

A、建立长度和宽度分别为m,n的RFID矩阵场地,其中，m,n为任意数值；

B、将RFID矩阵数据储存在各个机器人的主控芯片和上位机中；

C、侦查机器人、搭桥机器人和机械手机器人读取在RFID矩阵场地中位置的RFID射频卡数据，确定自己在RFID矩阵场地中的坐标，并将坐标发送给上位机；

D、侦查机器人、搭桥机器人和机械手机器人接收上位机发送的救援目标在RFID矩阵场地中位置的坐标；

E、侦查机器人、搭桥机器人和机械手机器人按照自己的坐标和救援目标的坐标，计算出各个机器人自身坐标与救援目标的方向角度，并根据该角度向救援目标移动；

F、侦查机器人、搭桥机器人和机械手机器人到达救援目标后，上位机控制各个机器人对救援目标进行援救。

7.根据权利要求6所述一种实现机器人救援系统的方法，其特征在于：

在所述步骤F中，所述上位机控制侦查机器人组成运载平台；

所述上位机控制搭桥机器人组成支撑斜面；

所述上位机控制机械手机器人位于支撑斜面的一侧，控制其抓取救援目标。