CN107175643A - 一种基于机器视觉的灾后救援机器人及其控制系统与方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于机器视觉的灾后救援机器人，所述机器人包括：机身；行走单元，包括两组分别设于机身两侧的行走组件，所述行走组件包括第一车轮、第二车轮和第三车轮，所述第一车轮、所述第二车轮与所述第三车轮分别独立驱动；所述第一车轮与所述第二车轮设在所述机身前端，所述第一车轮与所述第二车轮通过连杆连接，所述连杆与所述机身铰接，所述连杆与所述机身之间设有弹性件；所述第三车轮设在所述机身的后端；控制系统，与所述行走单元连接，所述控制系统控制所述行走单元的运动。本发明通过对行走单元的巧妙设计，使得机器人具有移动灵活、平稳快速移动以及转向方便的优点，还具有越障能力强的优点。

Description

一种基于机器视觉的灾后救援机器人及其控制系统与方法

技术领域

本发明涉及机器人领域，具体而言，涉及一种基于机器视觉的灾后救援机器人及其控制系统及其控制方法。

背景技术

近年来由于世界各地地质灾害频发，给人类的生产生活带来了巨大的破坏。灾害搜救工作的复杂性、危险性和紧迫性给救援工作带来了极大的困难。在救灾过程中，救援人员需要在较短的时间内及时地发现和解救幸存者，否则幸存者存活的几率就会下降。为此需要有一款能够在复杂而危险的环境中协助救援人员实时救援的机器人。

越障救援机器人是机器人发展的新兴领域，属于危险性作业的机器人。目前越障救援机器人主要有轮式、腿式和履带式结构。轮式救援机器人结构简易、重量轻、行走快，但在越障方面有一定的局限；腿式救援机器人能很好地适应复杂地形，但是行走速度慢且结构相对复杂；履带式援机器人对复杂地形具有很强的适应能力并且动载小，但其重量大、耗能多。上述各种越障救援机器人功能较为简单，在生命迹象探测和现场画面实时传输等方面存在严重不足。本申请的发明人研究发现现在的越障机器人难以兼顾越障方便、行走灵活以及能够对危险环境中有价值信息进行有效传送，使得机器人的运用价值降低。

发明内容

本发明提供了一种基于机器视觉的灾后救援机器人，旨在改善救援机器人不能兼顾越障与灵活快速移动的问题。

本发明还提供了一种机器人控制系统，旨在改善救援机器人不易实现传送实时有效的画面以及转向不便、移动不灵活的问题。

本发明是这样实现的：

一种基于机器视觉的灾后救援机器人，所述机器人包括：

机身；

行走单元，包括两组分别设于机身两侧的行走组件，所述行走组件包括第一车轮、第二车轮和第三车轮，所述第一车轮、所述第二车轮与所述第三车轮分别独立驱动；所述第一车轮与所述第二车轮设在所述机身前端，所述第一车轮与所述第二车轮通过连杆连接，所述连杆与所述机身铰接，所述连杆与所述机身之间设有弹性件；所述第三车轮设在所述机身的后端；

控制系统，与所述行走单元连接，所述控制系统控制所述行走单元的运动。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，所述机身朝向前端与后端分别伸出连接部。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，所述弹性件的一端连接至所述机身前端的连接部靠近第二车轮一侧，所述弹性件的另一端连接至所述连杆靠近所述第二车轮一端上。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，所述机器人还包括抓取单元，所述抓取单元包括机械手、机械臂和舵机组，所述机械臂与所述机械手连接，所述机械手通过所述舵机组能够实现多个自由度的活动。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，所述机械臂包括依次铰接的第一臂和第二臂，所述舵机组包括第一舵机、第二舵机、第三舵机和第四舵机；

所述第一舵机设在所述机身上，所述第一舵机驱动所述第一臂旋转；所述第一臂与所述第一舵机铰接，所述第二舵机驱动所述第一臂相对所述第一舵机旋转；

所述第三舵机设在所述第二臂与所述第一臂的连接处，所述第三舵机驱动所述第二臂相对所述第一臂旋转；所述第四舵机设在所述机械手与所述第二臂的连接处，所述第四舵机驱动所述机械手相对所述第二臂旋转。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，所述舵机组还包括第五舵机，所述第五舵机连接所述机械手与所述第四舵机，所述第五舵机驱动所述机械手相对所述第四舵机旋转；所述机械手包括若干个可展开或者收拢的机械爪，所述第五舵机驱动若干所述机械爪的展开或者收拢。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，所述控制系统包括生命探测模块和画面实时传输模块，所述生命探测模块用于探测行走过程周围环境是否有生命迹象；所述画面实时传输模块包括画面采集器，所述画面采集器设在所述机身顶部。

一种机器人控制系统，所述控制系统包括主控制模块、驱动模块、超声波模块、生命探测模块、画面实时传输模块以及输出接口模块，所述主控制模块分别与所述驱动模块、所述超声波模块、所述生命探测模块、所述画面实时传输模块连接；所述主控制模块通过所述输出接口模块控制被控制对象。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，所述画面实时传输模块包括画面采集模块和信息传送模块，所述画面采集模块与所述主控制模块连接，所述画面采集模块通过所述信息传送模块向监控装置传输实时画面。

一种机器人的控制方法，包括以下步骤：

S1，控制系统控制机器人行走；

S2，机器人在行走过程中遇到障碍时，控制系统的超声波模块检测障碍高度；

S3，控制系统根据超声波模块的检测结果判断是否越障。

本发明的有益效果是：本发明通过上述设计得到的具有两组行走组件的机器人，行走组件包括分别独立驱动的第一车轮、第二车轮和第三车轮，使用时，车轮结构的行走组件具有移动灵活以及在平地平稳快速移动的优点，各个车轮独立驱动能够使机器人灵活转向。进一步的通过将第一车轮、第二车轮采用连杆连接，还将连杆与机身通过弹性件连接，使得越障时，第一车轮能够别其他车轮推动进行攀爬，而第二车轮、第三车轮能够在第一车轮的拉动下进行攀爬，具有较强的越障能力。弹性件通过弹力作用使得连杆在完成攀爬后复位，机器人恢复平稳移动。本发明通过对行走单元的巧妙设计，使得机器人具有移动灵活、平稳快速移动以及转向方便的优点，还具有越障能力强的优点。使得机器人能够在救援过程发挥更好的作用，为后续实时提供有效信息建立良好基础。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1是本发明实施例，基于机器视觉的灾后救援机器人在第一视角下的结构示意图；

图2是本发明实施例，基于机器视觉的灾后救援机器人在第二视角下的结构示意图；

图3是图1所示的基于机器视觉的灾后救援机器人的抓取单元的立体图；

图4是本发明实施例，机器人控制系统的模块示意图；

图5是是本发明实施例，机器人控制方法的流程图；

图标：机身1；连接部11；控制系统；画面采集器；行走单元3；连杆31；第一车轮32；第二车轮33；第三车轮34；弹性件35；驱动电机36；抓取单元4；机械臂41；舵机组42；机械手43；第一臂411；第二臂412；第一舵机421；第二舵机422；第三舵机423；第四舵机424；第五舵机425；转盘426；机械爪431；齿轮4311。

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“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，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备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”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

实施例1：

参照图1和图2所示，所述机器人包括机身、行走单元3和控制系统2，所述行走单元3设在所述机身上，所述控制系统2与行走单元3连接，所述控制系统2控制所述行走单元3。优选的，所述机器人还包括抓取单元4，通过抓取单元4可以清理一些障碍物，能够实现对一些需要清除障碍物的处理工作，更好的进行救援。

参照图1和图2所示，行走单元3：

行走单元3包括两组分别设于机身两侧的行走组件，使得所述机身两侧对称设置，移动更平稳。所述行走组件包括第一车轮32、第二车轮33和第三车轮34，所述第一车轮32、所述第二车轮33与所述第三车轮34分别独立驱动。车轮结构的行走组件具有移动灵活以及在平地平稳快速移动的优点，各个车轮独立驱动能够使机器人灵活转向。优选的，各个车轮分别连接驱动电机36，实现独立驱动的功能，具有结构简单、控制方便的优点。控制系统2分别与驱动电机36连接来控制各个车轮的运动。

进一步，所述第一车轮32与所述第二车轮33设在所述机身前端，所述第一车轮32与所述第二车轮33通过连杆31连接，所述连杆31与所述机身铰接，所述连杆31与所述机身之间设有弹性件35。所述第三车轮34设在所述机身的后端。使得越障时，第一车轮32能够别其他车轮推动进行攀爬，而第二车轮33、第三车轮34能够在第一车轮32的拉动下进行攀爬，具有较强的越障能力。弹性件35通过弹力作用使得连杆31在完成攀爬后复位，机器人恢复平稳移动。

优选的，所述机身朝向前端与后端分别伸出连接部11，所述连杆31连接在所述机身前端的连接部11，所述第三车轮34连接在所述机身后端的连接部11。通过设置连接部11，增加了行走单元3的设置空间，也适当的增加了机身的高度便于画面采集装置的设置。

参照图2所示，其中，弹性件35是一个复位弹性件35，用于对连杆31产生弹力进行复位。弹性件35可以采用伸缩弹簧，将弹性件35的一端连接机身，其另一端连接在连杆31上。当然弹性件35也可以采用扭簧结构，将弹性件35设在连杆31与机身的铰接处。更优选的，所述弹性件35的一端连接至所述机身前端的连接部11靠近第二车轮33一侧，所述弹性件35的另一端连接至所述连杆31靠近所述第二车轮33一端上。采用这种结构设置弹性件35，具有复位速度快的优点，越障过程弹性件35的阻力适中的优点。

抓取单元4：

参照图1至图3所示，所述抓取单元4包括机械手43、机械臂41和机械臂41，所述机械臂41与所述机械手43连接，所述控制系统2控制机械臂41，所述机械手43通过所述机械臂41能够实现多个自由度的活动。

参照图3所示，优选的，所述机械臂41包括依次铰接的第一臂411和第二臂412，所述机械臂41包括第一舵机421、第二舵机422、第三舵机423和第四舵机424。所述第一舵机421设在所述机身上，所述第一舵机421驱动所述第一臂411旋转；所述第一臂411与所述第一舵机421铰接，所述第二舵机422驱动所述第一臂411相对所述第一舵机421旋转；所述第三舵机423设在所述第二臂412与所述第一臂411的连接处，所述第三舵机423驱动所述第二臂412相对所述第一臂411旋转；所述第四舵机424设在所述机械手43与所述第二臂412的连接处，所述第四舵机424驱动所述机械手43相对所述第二臂412旋转。

更优选的，所述第一舵机421通过转盘426与第一臂411连接，第一舵机421驱动第一臂411随转盘426一起360度旋转；所述第二舵机422通过旋转轴与第一臂411铰接，第二舵机422驱动第一臂411绕铰接处旋转；第三舵机423通过旋转轴与第二臂412铰接，第三舵机423驱动第二臂412绕铰接处旋转；第四舵机424通过旋转轴与第二臂412的另一端铰接，第四舵机424带动机械手43相对第二臂412绕铰接处旋转。

参照图3所示，优选的，所述机械臂41还包括第五舵机425，所述第五舵机425连接所述机械手43与所述第四舵机424，机械手43固定在第五舵机425上。所述第五舵机425驱动所述机械手43相对所述第四舵机424旋转，所述第五舵机425伸出旋转轴与第四舵机424连接，第五舵机425带动机械手43相对第四舵机424旋转。

参照图3所示，优选的，所述机械手43包括若干个可展开或者收拢的机械爪431，所述第五舵机425驱动若干所述机械爪431的展开或者收拢。更优选的，所述机械手43包括两个机械爪431，所述两个机械爪431齿轮4311啮合，第五舵机425伸出旋转轴驱动其中一个机械爪431的齿轮4311旋转，两个机械爪431通过齿轮4311的啮合实现展开或者收拢。

控制系统2：

所述机身的顶面设有控制箱，用于收纳控制系统2的全部模块或者部分模块。所述控制系统2包括生命探测模块和画面实时传输模块，所述生命探测模块用于探测行走过程周围环境是否有生命迹象，生命探测模块可以采用人体红外传感结构；所述画面实时传输模块包括画面采集器21，所述画面采集器21设在所述机身顶部。通过生命探测模块与画面实时传输模块，为救援提供有效、实时信息，使得救援机器人真正起到应有的价值。

实施例2：

参照图4所示，一种机器人控制系统用于实施例1中机器人的控制系统。所述控制系统包括主控制模块、驱动模块、超声波模块、生命探测模块、画面实时传输模块以及输出接口模块，所述主控制模块分别与所述驱动模块、所述超声波模块、所述生命探测模块、所述画面实时传输模块连接；所述主控制模块通过所述输出接口模块控制被控制对象。

优选的，所述超声波模块用于距离测试，非接触式测量，越障时，首先通过超声波模块进行测量，判断障碍物的高度，方便机器人合理选择行走方式。所述生命探测模块采用红外传感探测器，红外传感探测器设在机身外侧壁上。具有灵敏度高、可靠性强、能够低压工作的优点。

优选的，输出接口模块分别与驱动电机、舵机组连接，所述驱动模块通过输出接口模块控制驱动电机与舵机组。更优选的，所述驱动模块包括多个子模块，每个子模块控制两个驱动电机，子模块可以分别控制驱动电机的转速和转向，具有抗干扰能力强的优点，具有过电压和过电流保护的特点，提高救援机器人的控制稳定性。

优选的，所述画面实时传输模块包括画面采集模块和信息传送模块，所述画面采集模块与所述主控制模块连接，所述画面采集模块通过所述信息传送模块向监控装置传输实时画面。

更优选的，所述画面采集模块采用微型摄像机，信息传送模块包括发射机和接收机，所述发射机与微型摄像机连接。监控装置为远程控制电脑设备等，监控装置包括显示器等结构，所述接收机与监控装置连接。画面采集模块实时录像并将录像信息传送给监控装置，监控装置将实时录像显示，便于救援人员利用救援机器人传送的信息及时实施有效、快速的救援。

实施例3：

参照图5所示，一种机器人的控制方法，用于实施例1与实施例2的控制方法。包括以下步骤：

S1，控制系统控制机器人行走；

S2，机器人在行走过程中遇到障碍时，控制系统的超声波模块检测障碍高度；

S3，控制系统根据超声波模块的检测结果判断是否越障。

在步骤1，控制系统控制机器人行走之前，控制系统初始化数据，使得控制系统根据需要进行控制行为。

在步骤3，超声波模块检测到障碍物的高度距离，当检测结果超过预先设定值，机器人转向避开障碍物行走；当检测结构未超过预先设定值，机器人开始越障。

优选的，在机器人行走过程中，画面采集模块实时采集周围环境的画面，通过信息传送模块向监控装置实时发送画面，使得监控装置能够通过画面采集模块与监控装置实时收到救援环境的信息，为救援过程提供有效的帮助。

优选的，在机器人行走过程中，生命探测模块实时探测周围环境是否有生命迹象，生命探测模块包括报警模块，用于在探测到生命迹象时发出警告。当探测到生命迹象时，启动报警，便于救援人员及时实施救援。

以上所述仅为本发明的优选实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (10)

1.一种基于机器视觉的灾后救援机器人，其特征在于，所述机器人包括：

机身；

行走单元，包括两组分别设于机身两侧的行走组件，所述行走组件包括第一车轮、第二车轮和第三车轮，所述第一车轮、所述第二车轮与所述第三车轮分别独立驱动；所述第一车轮与所述第二车轮设在所述机身前端，所述第一车轮与所述第二车轮通过连杆连接，所述连杆与所述机身铰接，所述连杆与所述机身之间设有弹性件；所述第三车轮设在所述机身的后端；

控制系统，与所述行走单元连接，所述控制系统控制所述行走单元的运动。

2.根据权利要求1所述的基于机器视觉的灾后救援机器人，其特征在于，所述机身朝向前端与后端分别伸出连接部。

3.根据权利要求2所述的基于机器视觉的灾后救援机器人，其特征在于，所述弹性件的一端连接至所述机身前端的连接部靠近第二车轮一侧，所述弹性件的另一端连接至所述连杆靠近所述第二车轮一端上。

4.根据权利要求1所述的基于机器视觉的灾后救援机器人，其特征在于，所述机器人还包括抓取单元，所述抓取单元包括机械手、机械臂和舵机组，所述机械臂与所述机械手连接，所述机械手通过所述舵机组能够实现多个自由度的活动。

5.根据权利要求4所述的基于机器视觉的灾后救援机器人，其特征在于，所述机械臂包括依次铰接的第一臂和第二臂，所述舵机组包括第一舵机、第二舵机、第三舵机和第四舵机；

所述第一舵机设在所述机身上，所述第一舵机驱动所述第一臂旋转；所述第一臂与所述第一舵机铰接，所述第二舵机驱动所述第一臂相对所述第一舵机旋转；

所述第三舵机设在所述第二臂与所述第一臂的连接处，所述第三舵机驱动所述第二臂相对所述第一臂旋转；所述第四舵机设在所述机械手与所述第二臂的连接处，所述第四舵机驱动所述机械手相对所述第二臂旋转。

6.根据权利要求5所述的基于机器视觉的灾后救援机器人，其特征在于，所述舵机组还包括第五舵机，所述第五舵机连接所述机械手与所述第四舵机，所述第五舵机驱动所述机械手相对所述第四舵机旋转；所述机械手包括若干个可展开或者收拢的机械爪，所述第五舵机驱动若干所述机械爪的展开或者收拢。

7.根据权利要求5所述的基于机器视觉的灾后救援机器人，其特征在于，所述控制系统包括生命探测模块和画面实时传输模块，所述生命探测模块用于探测行走过程周围环境是否有生命迹象；所述画面实时传输模块包括画面采集器，所述画面采集器设在所述机身顶部。

8.一种机器人控制系统，其特征在于，所述控制系统包括主控制模块、驱动模块、超声波模块、生命探测模块、画面实时传输模块以及输出接口模块，所述主控制模块分别与所述驱动模块、所述超声波模块、所述生命探测模块、所述画面实时传输模块连接；所述主控制模块通过所述输出接口模块控制被控制对象。

9.根据权利要求8所述的机器人控制系统，其特征在于，所述画面实时传输模块包括画面采集模块和信息传送模块，所述画面采集模块与所述主控制模块连接，所述画面采集模块通过所述信息传送模块向监控装置传输实时画面。

10.一种机器人的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，控制系统控制机器人行走；

S2，机器人在行走过程中遇到障碍时，控制系统的超声波模块检测障碍高度；

S3，控制系统根据超声波模块的检测结果判断是否越障。