CN112060109A - 一种室内拆弹机器人及其工作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种室内拆弹机器人及其工作方法，机器人包括支架组件、四组驱动组件、机械臂、机械剪刀、激光雷达、摄像头和控制单元；支架组件包括架体和防护板；防护板通过若干竖直设置的防护支撑杆固定在架体的上方；四组驱动组件呈矩形顶角分布；驱动组件包括驱动支架、驱动电机、车轮、减震弹簧、若干导杆和限位板；机械臂是由若干舵机和连杆交替连接构成的六自由度机械臂；机械剪刀安装在机械臂自由端的舵机上；激光雷达固定安装在架体上，与控制单元连接；摄像头固定在机械剪刀的侧面，与控制单元连接；控制单元固定在架体上，与驱动电机和机械臂的各舵机连接。本发明具有高效、安全等优点。

Description

一种室内拆弹机器人及其工作方法
技术领域
本发明属于机器人领域，涉及一种自动导引排爆机器人，尤其涉及一种室内拆弹机器人及其工作方法。
背景技术
在现代科学技术的发展中，电子化、信息化、网络化和智能化已成为发展的动向，激光SLAM技术崛起，成为目前最稳定的SLAM导航方式。近年来，一种在确定自身位置的同时构造环境模型的方法，常被用来解决机器人定位与建图的问题。这种被称为SLAM(Simultaneous Localization And Mapping)的方法，是移动机器人智能水平的最好体现，是否具备同步建图与定位的能力被普遍认为是机器人能否实现自主的关键前提条件。而视觉处理则是拆弹机器人拆弹的核心。机器视觉技术，是一门涉及人工智能、神经生物学、心理物理学、计算机科学、图像处理、模式识别等诸多领域的交叉学科。机器视觉主要用计算机来模拟人的视觉功能，从客观事物的图像中提取信息，进行处理并加以理解，最终用于实际检测、测量和控制。机器视觉技术最大的特点是速度快、信息量大、功能多。
发明内容
本发明提供一种室内拆弹机器人及其工作方法，以克服人工处理易失误、耗时长等现有技术的缺陷。
为实现上述目的，本发明提供一种室内拆弹机器人，具有这样的特征：包括支架组件、四组驱动组件、机械臂、机械剪刀、激光雷达、摄像头和控制单元；支架组件包括架体和防护板；架体具有底板，防护板呈框体状，防护板通过若干竖直设置的防护支撑杆固定在架体的上方；四组驱动组件呈矩形顶角分布；驱动组件包括驱动支架、驱动电机、车轮、减震弹簧、若干导杆和限位板；驱动支架位于架体的下方，驱动电机固定在驱动支架上，车轮安装在驱动电机的输出轴上，驱动电机带动车轮转动；减震弹簧穿过架体，设置在驱动支架和防护板之间，可以伸缩；限位板位于架体和防护板之间，导杆均穿过架体，下端与驱动支架固定，上端与限位板固定，导杆可相对于架体上下移动；支架组件在受震动时，可沿导杆、随减震弹簧的伸缩而上下浮动；机械臂是由若干舵机和连杆交替连接构成的六自由度机械臂，一端固定安装在架体上，且位于防护板内；机械剪刀安装在机械臂自由端的舵机上，舵机控制机械剪刀的剪切；激光雷达固定安装在架体上，与控制单元连接，构图导航；摄像头固定在机械剪刀的侧面，与控制单元连接，拍摄周围环境；控制单元固定在架体上，与驱动电机和机械臂的各舵机连接，控制机器人行走、机械臂的运动和机械剪刀的剪切。
进一步，本发明提供一种室内拆弹机器人，还可以具有这样的特征：其中，减震弹簧在驱动支架和防护板之间倾斜设置，与驱动支架和防护板可相对转动。
进一步，本发明提供一种室内拆弹机器人，还可以具有这样的特征：其中，减震弹簧还配有弹簧限位器，减震弹簧的上端通过弹簧限位器与防护板铰接，下端与驱动支架铰接。
进一步，本发明提供一种室内拆弹机器人，还可以具有这样的特征：其中，机械臂包括五个舵机和四个连杆，五个舵机与四个连杆交替连接，连杆两侧的舵机中，分别为驱动连杆运动的舵机和跟随连杆运动的舵机，连杆与驱动其运动的舵机的输出轴同轴连接，舵机驱动其运动，另一舵机与连杆的端部固定，随其运动。
进一步，本发明提供一种室内拆弹机器人，还可以具有这样的特征：其中，控制单元包括第一控制器和第二控制器；激光雷达与第一控制器连接，摄像头与第二控制器连接；第二控制器与驱动电机和机械臂的各舵机连接；第一控制器与第二控制器通信连接。
进一步，本发明提供一种室内拆弹机器人，还可以具有这样的特征：其中，第一控制器为树莓派芯片，第二控制器为STM32芯片。
进一步，本发明提供一种室内拆弹机器人，还可以具有这样的特征：还包括电源，固定在架体上，为控制单元、驱动电机和机械臂的各舵机供电。
进一步，本发明提供一种室内拆弹机器人，还可以具有这样的特征：其中，架体呈盘体状，底板的周围还具有侧壁。
进一步，本发明提供一种室内拆弹机器人，还可以具有这样的特征：其中，驱动组件中，限位板呈L形，导杆的数量为三个，在限位板的三个顶角分布。
本发明提供该室内拆弹机器人的工作方法，具有这样的特征：拆弹机器人接收人工指令进入爆炸区域，在此过程中控制单元对激光雷达与摄像头反馈的数据进行处理，对环境进行扫描进而构图，从而由控制单元控制驱动电机转速，规避障碍物，高效到达目的地；到达指定地点后，摄像头对爆炸物数据进行读取，并传回数据到控制单元，控制单元将摄像头所读数据与所存储的爆炸物进行对照，若吻合，则控制单元将消息传递至机械臂与机械剪刀，舵机控制连杆转动使机械臂靠近爆炸物，机械剪刀剪断引爆线；若不吻合，控制单元将数据传回人工端口，由人工进行远程操作。
本发明的有益效果在于：本发明提供一种室内拆弹机器人及其工作方法，拆弹机器人接受指令驶向指定地点，在此过程中控制芯片对各种传感器实时反馈的数据进行计算处理，得到周围环境的情况，从而调整驱动电机转速，规避各种障碍物，高效安全的到达指定地点。到达指定地点后，高清摄像头对爆炸物进行数据读取，并传回数据到树莓派芯片，树莓派芯片将高清摄像头所读数据记性分析，确定爆炸物引线，则树莓派芯片对STM32发出指令将反馈消息传递至舵机与机械剪刀，机械臂运动，将机械剪刀移动至爆炸物引线旁，舵机控制舵机机械剪刀将爆炸物引线剪断。若无法正确识别爆炸物引线则移交人工处理，将视屏信号转移至拆弹人员，由拆弹人员对机器人下达拆弹指令，从而达到效率高，更安全的目的。
本发明的拆弹机器人在原有的拆弹机器人功能上做出了改进和创新，对于传统拆弹机器人全程需要人工操控这一缺点，本发明改为了由激光雷达构图导航自动行进至爆炸物，同时结合机器人视觉技术实现安全高效拆弹：运用激光雷达进行构图导航，改善了机器人在复杂环境行进时摄像头有死角，人工操控不易的缺点，运用机器人视觉系统作为拆弹“眼睛”，确保拆弹的准确性。同时多舵机的设计也消除了引线出现在死角的隐患。同时本发明摒弃了拆弹机器人工行进方式，而是采用激光雷达SLAM算法构建室内地图，自主规划路径及避障的方式实现导航和导引：激光雷达收集数据准确，适用于多种环境，通过激光雷达实时收集信息，很好实现了规避障碍的目的，使本发明能够应付因歹徒人为导致复杂的环境，从而实现本发明在能够运用于反恐或防暴的目的。
附图说明
图1是室内拆弹机器人的结构示意图。
图2是室内拆弹机器人的另一角度的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图来说明本发明的具体实施方式。
如图1和2所示，本发明提供一种室内拆弹机器人，包括支架组件1、四组驱动组件2、机械臂3、机械剪刀4、激光雷达5、摄像头6和控制单元。
支架组件1包括架体11和防护板12。
架体11具有底板。具体的，架体11呈盘体状，底板的周围还具有侧壁，以进一步保护其内侧的部件。
防护板12呈框体状，防护板12通过若干竖直设置的防护支撑杆13固定在架体11的上方。
四组驱动组件2呈矩形顶角分布。
驱动组件2包括驱动支架21、驱动电机22、车轮23、减震弹簧24、若干导杆25和限位板26。
驱动支架21位于架体11的下方。驱动电机22固定在驱动支架21上。车轮23安装在驱动电机22的输出轴上。驱动电机22带动车轮23转动。车轮23为橡胶轮胎，可以减震保持稳定。
减震弹簧24穿过架体11，设置在驱动支架21和防护板12之间，可以伸缩。
限位板26位于架体11和防护板12之间。导杆25均穿过架体11，下端与驱动支架21固定，上端与限位板26固定，导杆25可相对于架体11上下移动。具体的，限位板26呈L形，导杆25的数量为三个，在限位板26的三个顶角分布。
支架组件1在受震动时，可沿导杆25、随减震弹簧24的伸缩而上下浮动，从而实现机器人主体的减震。
其中，减震弹簧24在驱动支架21和防护板12之间倾斜设置，从而更好地实现缓冲和减震，减震弹簧24与驱动支架21和防护板12可相对转动。
具体的，减震弹簧24还配有弹簧限位器241。减震弹簧24的上端通过弹簧限位器241与防护板12铰接，弹簧限位器241用于调节减震弹簧24的松紧，下端与驱动支架21铰接。
机械臂3是由若干舵机31和连杆32交替连接构成的六自由度机械臂3，一端固定安装在架体11上，且位于防护板12内。
本实施例中，机械臂3包括五个舵机31和四个连杆32，五个舵机31与四个连杆32交替连接。连杆32两侧的舵机31中，分别为驱动连杆32运动的舵机31和跟随连杆32运动的舵机31：连杆32与驱动其运动的舵机31的输出轴同轴连接，舵机31驱动其运动；另一舵机31与连杆32的端部固定，随其运动，即跟随连杆32运动的舵机31。
机械剪刀4安装在机械臂3自由端的舵机31上，舵机31控制机械剪刀4的剪切。
激光雷达5固定安装在架体11上，与控制单元连接，构图导航。
摄像头6固定在机械剪刀4的侧面，与控制单元连接，拍摄周围环境。本实施例中，摄像头6为高清摄像头。
控制单元固定在架体11上，与驱动电机22和机械臂3的各舵机31连接，控制机器人行走、机械臂3的运动和机械剪刀4的剪切。
其中，控制单元包括第一控制器71和第二控制器72。激光雷达5与第一控制器71连接，摄像头6与第二控制器72连接。第二控制器72与驱动电机22和机械臂3的各舵机31连接。第一控制器71与第二控制器72通信连接。具体的，第一控制器71为树莓派芯片，第二控制器72为STM32芯片。
机器人还包括电源，固定在架体11上，为控制单元、驱动电机22和机械臂3的各舵机31供电。
该室内拆弹机器人的工作方法：
拆弹机器人接收人工指令进入爆炸区域，在此过程中STM32芯片与树莓派芯片对各激光雷达5与高清摄像头6反馈的数据进行处理，对环境进行扫描进而构图，从而由STM32芯片控制驱动电机22转速，规避障碍物，高效到达目的地。
到达指定地点后，高清摄像头6对爆炸物数据进行读取，并传回数据到树莓派芯片，树莓派芯片将高清摄像头6所读数据与所存储的爆炸物进行对照，若吻合，则树莓派芯片对STM32芯片发出指令将消息传递至机械臂3与机械剪刀4，舵机31控制连杆32转动使机械臂3靠近爆炸物，机械剪刀4剪断引爆线。若不吻合，树莓派芯片将数据传回人工端口，由人工进行远程操作。

Claims (10)

1.一种室内拆弹机器人，其特征在于：
包括支架组件、四组驱动组件、机械臂、机械剪刀、激光雷达、摄像头和控制单元；
支架组件包括架体和防护板；
架体具有底板，防护板呈框体状，防护板通过若干竖直设置的防护支撑杆固定在架体的上方；
四组驱动组件呈矩形顶角分布；
驱动组件包括驱动支架、驱动电机、车轮、减震弹簧、若干导杆和限位板；
驱动支架位于架体的下方，驱动电机固定在驱动支架上，车轮安装在驱动电机的输出轴上，驱动电机带动车轮转动；
减震弹簧穿过架体，设置在驱动支架和防护板之间，可以伸缩；
限位板位于架体和防护板之间，导杆均穿过架体，下端与驱动支架固定，上端与限位板固定，导杆可相对于架体上下移动；
支架组件在受震动时，可沿导杆、随减震弹簧的伸缩而上下浮动；
所述机械臂是由若干舵机和连杆交替连接构成的六自由度机械臂，一端固定安装在架体上，且位于防护板内；
所述机械剪刀安装在机械臂自由端的舵机上，舵机控制机械剪刀的剪切；
所述激光雷达固定安装在架体上，与控制单元连接，构图导航；
所述摄像头固定在机械剪刀的侧面，与控制单元连接，拍摄周围环境；
所述控制单元固定在架体上，与驱动电机和机械臂的各舵机连接，控制机器人行走、机械臂的运动和机械剪刀的剪切。
2.根据权利要求1所述的室内拆弹机器人，其特征在于：
其中，所述减震弹簧在驱动支架和防护板之间倾斜设置，与驱动支架和防护板可相对转动。
3.根据权利要求2所述的室内拆弹机器人，其特征在于：
其中，所述减震弹簧还配有弹簧限位器，减震弹簧的上端通过弹簧限位器与防护板铰接，下端与驱动支架铰接。
4.根据权利要求1所述的室内拆弹机器人，其特征在于：
其中，所述机械臂包括五个舵机和四个连杆，五个舵机与四个连杆交替连接，连杆两侧的舵机中，分别为驱动连杆运动的舵机和跟随连杆运动的舵机，连杆与驱动其运动的舵机的输出轴同轴连接，舵机驱动其运动，另一舵机与连杆的端部固定，随其运动。
5.根据权利要求1所述的室内拆弹机器人，其特征在于：
其中，所述控制单元包括第一控制器和第二控制器；
所述激光雷达与第一控制器连接，摄像头与第二控制器连接；
第二控制器与驱动电机和机械臂的各舵机连接；
第一控制器与第二控制器通信连接。
6.根据权利要求5所述的室内拆弹机器人，其特征在于：
其中，所述第一控制器为树莓派芯片，所述第二控制器为STM32芯片。
7.根据权利要求1所述的室内拆弹机器人，其特征在于：
还包括电源，固定在所述架体上，为控制单元、驱动电机和机械臂的各舵机供电。
8.根据权利要求1所述的室内拆弹机器人，其特征在于：
其中，所述架体呈盘体状，底板的周围还具有侧壁。
9.根据权利要求1所述的室内拆弹机器人，其特征在于：
其中，所述驱动组件中，限位板呈L形，导杆的数量为三个，在限位板的三个顶角分布。
10.如权利要求1所述的室内拆弹机器人的工作方法，其特征在于：
拆弹机器人接收人工指令进入爆炸区域，在此过程中控制单元对激光雷达与摄像头反馈的数据进行处理，对环境进行扫描进而构图，从而由控制单元控制驱动电机转速，规避障碍物，高效到达目的地；
到达指定地点后，摄像头对爆炸物数据进行读取，并传回数据到控制单元，控制单元将摄像头所读数据与所存储的爆炸物进行对照，若吻合，则控制单元将消息传递至机械臂与机械剪刀，舵机控制连杆转动使机械臂靠近爆炸物，机械剪刀剪断引爆线；若不吻合，控制单元将数据传回人工端口，由人工进行远程操作。
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