CN106903669A - 一种轮式抢险救援机器人、控制系统及方法 - Google Patents

一种轮式抢险救援机器人、控制系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种轮式抢险救援机器人的控制系统，所述处理器，用于接收所述驱动装置、视频传输装置、自动避障装置、生命探测装置、距离测量装置以及气体检测装置采集的数据，再通过无线传输的传输的方式把所述采集的数据上传到上位计算机，并通过无线传输的方式对系统进行远程操作控制。本发明力学性能优越，结构简单但实现了相应的功能，耗材少，减震器仅由弹簧、固定片、螺栓构成，创新性强，大大减少的自作成本；应用相对来说比较广，配以多传感系统实现自主避障、路径规划、视频传输等功能，使之更智能化，再加上机械臂机构的应用，大大提高了工作效率。

Description

一种轮式抢险救援机器人、控制系统及方法
技术领域
本发明涉及机器人技术领域，具体地说，特别涉及一种轮式抢险救援机器人、控制系统及方法。
背景技术
目前，在各种自然灾害和重大事故现场，机器可以电动力驱动机械臂，轮式机器运行速度更快可以加快速的到达灾害现场。可以在坍塌废墟实现剪切、破碎、切割、扩张、抓取等作业，并可以进行生命探测等。实施快速救援，最大效率地抢救人民生命财产。
现在的抢险救灾轮式机器人存在智能化程度低、自适应能力差、应用领域局限、开发制作成本高、机械机构复杂、工作效率低等缺陷。
发明内容
为了解决现有技术的问题，本发明实施例提供了一种轮式抢险救援机器人、控制系统及方法。所述技术方案如下：
一方面，提供了一种轮式抢险救援机器人，包括：
移动机构，采用四轮驱动、齿轮传动增大移动转速的方式；所述移动机构包括四个橡胶轮；所述四个轮橡胶轮中间设置有承载钢板；
轮驱动机构，设置于每个橡胶轮处，包括减速电机、圆柱齿轮轴承以及圆柱齿轮阶梯轴，所述减速电机的伸出轴与圆柱齿轮轴套连接，橡胶轮与圆柱齿轮阶梯轴连接且轴末端套3个轴承起支撑和约束导向轴的旋转作用；
机械臂机构，包括6自由度机械手、机械爪配件以及机械臂底座；所述机械臂底座固定在承载钢板上；所述机械臂机构通过信号线连接控制装置。
所述承载钢板的中间设置有凹槽；所述凹槽内设置所述控制装置，并通过焊接连接。
每个轮驱动机构均设置一个减震机构；所述减震机构由3根螺栓套住3根弹簧链接承载钢板和减震板构成。
所述减速电机通过电机支撑架固定在减震板上；
所述凹槽底部设置有3个不同种类的烟雾传感器；
所述承载钢板的前端装有照明灯、超声波传感器以及红外传感器。
另一方面，提供了一种轮式抢险救援机器人的控制系统，包括：处理器；所述处理器连接有驱动装置、视频传输装置、自动避障装置、生命探测装置、距离测量装置、气体检测装置；
所述处理器，用于接收所述驱动装置、视频传输装置、自动避障装置、生命探测装置、距离测量装置以及气体检测装置采集的数据，再通过无线传输的传输的方式把所述采集的数据上传到上位计算机，并通过无线传输的方式对系统进行远程操作控制；
可选地，所述驱动装置，包括至少两个直流电机驱动模块；
所述视频传输装置，包括照明灯、索尼摄像头、图传一体显示器以及无线图传发射机；
所述自动避障装置包括至少2个红外避障传感器以及至少2个红外传感器；
所述生命探测装置，包括人体红外传感；
所述距离测量装置，包括超声波传感器；
所述气体检测装置，包括MQ2、MQ5、MQ7系列烟雾传感器。
另一方面，提供了一种轮式抢险救援机器人的控制方法，包括：
在处理器内搭载嵌入式系统；
利用所述嵌入式系统各个功能建立单一的线程，进行多线程工作；
进入任务调度系统，根据所述多线程创建多个任务。
可选地，所述处理器采用STM32芯片；所述嵌入式系统为ucos系统。
可选地，所述多线程工作包括：
线程一：人体检测，不断检测周围的人体反应；
线程二：处理器通过传感器检测周围环境；
线程三：处理器通过串口一向控制端发送周围环境的信息，供人判断是否进入救援；
线程四：处理器控制驱动器驱动电机，让机器移动。
线程五：互斥信号量管理。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
本发明在重新加以改造原有的机械结构的基础上集成了多传感系统、图传系统、机械臂机构运作等创新点，移动平台设计具有良好的重量承载性，力学性能优越，结构简单但实现了相应的功能，耗材少，减震器仅由弹簧、固定片、螺栓构成，创新性强，大大减少的自作成本；整个系统轻巧，能通过窄小房间和过道，在现代社会可用于下水道类似的宰小环境的检测和检修，所以应用相对来说比较广，配以多传感系统实现自主避障、路径规划、视频传输等功能，使之更智能化，再加上机械臂机构的应用，大大提高了工作效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例一的一种轮式抢险救援机器人的移动机构示意图；
图2是本发明实施例一的一种轮式抢险救援机器人的轮驱动机构示意图；
图3是本发明实施例一的一种轮式抢险救援机器人的机械臂机构示意图；
图4是本发明实施例二的一种轮式抢险救援机器人的控制系统示意图；
图5是本发明实施例三的一种轮式抢险救援机器人的控制方法流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
实施例一
本发明提供了一种轮式抢险救援机器人，包括：
参见图1，移动机构10，采用四轮驱动、齿轮传动增大移动转速的方式；所述移动机构包括四个橡胶轮11；所述四个轮橡胶轮11中间设置有承载钢板12；
参见图2，轮驱动机构20，设置于每个橡胶轮11处，包括减速电机、圆柱齿轮轴承21以及圆柱齿轮阶梯轴22，所述减速电机的伸出轴与圆柱齿轮轴套连接，橡胶轮11与圆柱齿轮阶梯轴22连接且轴末端套3个轴承起支撑和约束导向轴的旋转作用；
参见图3，机械臂机构30，包括6自由度机械手31、机械爪配件32以及机械臂底座33；所述机械臂底座33固定在承载钢板上；所述机械臂机构30通过信号线连接控制装置。
具体地，本实施例中，1边轮驱动机构具体构成链接分析，是24V直流减速电机伸出轴与齿数为17、模数为2的圆柱齿轮轴套连接(电机靠电机支撑架固定在减震板上)，8寸橡胶轮与齿数为34、模数为2的圆柱齿轮阶梯轴连接且轴末端套3个轴承起支撑和约束导向轴的旋转作用(2个轴承靠轴承支座固定在减震板上，另一个固定在承载钢板上)，这时两个齿轮啮合传动，通过传动比公式Z1/Z2＝n1/n2,可得从动轮是主动轮转速的两倍，固增大了系统转速。
可选地，参见图1，所述承载钢板12的中间设置有凹槽121；所述凹槽内设置所述控制装置，并通过焊接连接。
可选地，参见图2，每个轮驱动机构20均设置一个减震机构40；所述减震机构40由3根螺栓42套住3根弹簧41链接承载钢板12和减震板43构成。
具体地，减震机构40减轻了车体振动保证平稳运行，结构简单，耗材少，方便装配且易拆卸再组装。
可选地，所述减速电机通过电机支撑架固定在减震板43上。
可选地，所述凹槽底部设置有3个不同种类的烟雾传感器。起采集检测危险环境气体信息并传输到上位机分析并作出相应评判反应。
具体地，3个不同种类的烟雾传感器，分别有MQ-2烟雾气敏传感器模块用来检测甲烷、液化气可燃气体，MQ-5液化气天然气城市煤气传感器模块，MQ-7一氧化碳传感器模块，当传感器所处环境中存在可燃气体时，传感器的电导率随空气中可燃气体浓度的增加而增大，使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号。
可选地，所述承载钢板的前端装有照明灯、超声波传感器以及红外传感器。车体前端装有照明灯、超声波传感器、红外传感器，分别起到夜里照明、测距、自主避障、生命探测功能；机械臂的尾端装有摄像头，起到采集灾难环境图像信息视频传输回终端，以便工作人员远程操控机械臂；整个系统通过材料力学知识分析，这个架构承载最大重量为15KG，也就是在这个承载重量下工作移动平台能平稳运行，不产生形变。
具体地，超声波传感器，通过超声波发射器向某一方向发射超声波,在发射时刻的同时开始计时,超声波在空气中传播时碰到障碍物就立即返回来,超声波接收器收到反射波就立即停止计时，这样的原理测距；红外传感器，实现机器人功能的多样性，测距、自主避障、生命探测等。
实施例二
本发明提供了一种轮式抢险救援机器人的控制系统，参见图4，包括：处理器100；所述处理器100连接有驱动装置200、视频传输装置300、自动避障装置400、生命探测装置500、距离测量装置600、气体检测装置700；
所述处理器100，用于接收所述驱动装置、视频传输装置、自动避障装置、生命探测装置、距离测量装置以及气体检测装置采集的数据，再通过无线传输的传输的方式把所述采集的数据上传到上位计算机，并通过无线传输的方式对系统进行远程操作控制。
具体地，系统以STM32F407ZGT6单片机为控制核心，系统采用实时操作的工作方式，基于UcosII实时操作系统，大大提高了系统的响应速度。系统24V直流电压供电，通过转压模块分别转成3.3V供处理器、再由继电器转7V驱动机械臂、12V驱动照明灯、5V驱动图传；无线传输采用zigbee。
操作人员远程操控机器人轮式移动平台运动转向和搭载在轮式移动平台上的机械臂，通过嵌套在机械臂末端的摄像头采集图像信息视频传输回远程控制端的显示屏观察控制，在黑暗环境时打开照明灯保证图传系统正常工作；搭载在机器人上多传感系统采集工作周围环境数据打包通过zigbee无线传输回上位计算机终端，采样分析数据并显示，操作人员通过此动态评判灾难环境。
可选地，所述驱动装置200，包括至少两个直流电机驱动模块。
具体地，驱动装置由两个AQMD2410NS直流电机驱动模块组成；
可选地，所述视频传输装置300，包括照明灯、摄像头、图传一体显示器以及无线图传发射机。
具体地，本实施例中，采用索尼摄像头、5.8G图传一体显示器、5.8G无线图传发射机。
可选地，所述自动避障400装置包括至少2个红外避障传感器以及至少2个红外传感器。
具体地，本实施例中，采用夏普红外传感器。
可选地，所述生命探测装置500，包括人体红外传感。
具体地，
可选地，所述距离测量装置600，包括超声波传感器。
可选地，所述气体检测装置700，包括MQ2、MQ5、MQ7系列烟雾传感器。
实施例三
另一方面，提供了一种轮式抢险救援机器人的控制方法，参见图5，包括：
S100：在处理器内搭载嵌入式系统；
S200：利用所述嵌入式系统各个功能建立单一的线程，进行多线程工作；
S300：进入任务调度系统，根据所述多线程创建多个任务。
具体地，本发明实施例一中提供的抢险救援机器人控制系统利用STM32芯片搭载UCOS系统之后，利用ucos系统把各个功能弄成单一的一个线程，多线程工作；进入任务调度系统，将stm32的CPU使用权交给ucos系统调度，并创建多个任务。各个任务代表各自的线程。并且由于在同一芯片上，各个线程之间的数据也会建立起交流。
可选地，所述处理器采用STM32芯片；所述嵌入式系统为ucos系统。
可选地，所述多线程工作包括：
线程一：人体检测，不断检测周围的人体反应；
线程二：处理器通过传感器检测周围环境；
线程三：处理器通过串口一向控制端发送周围环境的信息，供人判断是否进入救援；
线程四：处理器控制驱动器驱动电机，让机器移动；
线程五：互斥信号量管理。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
本发明在重新加以改造原有的机械结构的基础上集成了多传感系统、图传系统、机械臂机构运作等创新点，移动平台设计具有良好的重量承载性，力学性能优越，结构简单但实现了相应的功能，耗材少，减震器仅由弹簧、固定片、螺栓构成，创新性强，大大减少的自作成本；整个系统轻巧，能通过窄小房间和过道，在现代社会可用于下水道类似的宰小环境的检测和检修，所以应用相对来说比较广，配以多传感系统实现自主避障、路径规划、视频传输等功能，使之更智能化，再加上机械臂机构的应用，大大提高了工作效率。
以上仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种轮式抢险救援机器人，其特征在于，包括：
移动机构，采用四轮驱动、齿轮传动增大移动转速的方式；所述移动机构包括四个橡胶轮；所述四个轮橡胶轮中间设置有承载钢板；
轮驱动机构，设置于每个橡胶轮处，包括减速电机、圆柱齿轮轴承以及圆柱齿轮阶梯轴，所述减速电机的伸出轴与圆柱齿轮轴套连接，橡胶轮与圆柱齿轮阶梯轴连接且轴末端套3个轴承起支撑和约束导向轴的旋转作用；
机械臂机构，包括6自由度机械手、机械爪配件以及机械臂底座；所述机械臂底座固定在承载钢板上；所述机械臂机构通过信号线连接控制装置。
2.如权利要求1所述的轮式抢险救援机器人，其特征在于，所述承载钢板的中间设置有凹槽；所述凹槽内设置所述控制装置，并通过焊接连接。
3.如权利要求1所述的轮式抢险救援机器人，其特征在于，每个轮驱动机构均设置一个减震机构；所述减震机构由3根螺栓套住3根弹簧链接承载钢板和减震板构成。
4.如权利要求3所述的轮式抢险救援机器人，其特征在于，所述减速电机通过电机支撑架固定在减震板上；
所述凹槽底部设置有3个不同种类的烟雾传感器；
所述承载钢板的前端装有照明灯、超声波传感器以及红外传感器。
5.一种轮式抢险救援机器人的控制系统，其特征在于，包括：处理器；所述处理器连接有驱动装置、视频传输装置、自动避障装置、生命探测装置、距离测量装置、气体检测装置；
所述处理器，用于接收所述驱动装置、视频传输装置、自动避障装置、生命探测装置、距离测量装置以及气体检测装置采集的数据，再通过无线传输的传输的方式把所述采集的数据上传到上位计算机，并通过无线传输的方式对系统进行远程操作控制。
6.如权利要求5所述的轮式抢险救援机器人的控制系统，其特征在于，所述驱动装置，包括至少两个直流电机驱动模块；
所述视频传输装置，包括照明灯、摄像头、图传一体显示器以及无线图传发射机；
所述自动避障装置包括至少2个红外避障传感器以及至少2个红外传感器；
所述生命探测装置，包括人体红外传感；
所述距离测量装置，包括超声波传感器；
所述气体检测装置，包括MQ2、MQ5、MQ7系列烟雾传感器。
7.一种轮式抢险救援机器人的控制方法，其特征在于，包括：
在处理器内搭载嵌入式系统；
所述嵌入式系统根据各个功能建立单一的线程，进行多线程工作；
进入任务调度系统，根据所述多线程创建多个任务。
8.如权利要求7所述的轮式抢险救援机器人的控制方法，其特征在于，所述处理器采用STM32芯片；所述嵌入式系统为ucos系统。
9.如权利要求8所述的轮式抢险救援机器人的控制方法，其特征在于，所述多线程工作包括：
线程一：人体检测，不断检测周围的人体反应；
线程二：处理器通过传感器检测周围环境；
线程三：处理器通过串口一向控制端发送周围环境的信息，供人判断是否进入救援；
线程四：处理器控制驱动器驱动电机，让机器移动；
线程五：互斥信号量管理。
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