TWI639988B - 移動機器人地圖創建系統和方法 - Google Patents

Abstract

本發明揭露一種移動機器人地圖創建系統和方法，其包含移動機器人以及顯示裝置。移動機器人包含：機器人本體；驅動單元，驅動機器人本體在空間內移動；影像擷取單元，擷取空間內的影像；採樣單元，對空間內進行採樣以產生樣品；控制單元，控制驅動單元、影像擷取單元以及採樣單元作動；以及電源供應單元，提供電力至各個單元。顯示裝置顯示所接收的影像以及在影像上標示取得樣品的空間內的位置處，並根據驅動單元的複數個驅動指令同步顯示移動機器人在空間內的行走軌跡。

Description

移動機器人地圖創建系統和方法

本發明是關於一種地圖創建系統和方法，特別是有關於一種移動機器人地圖創建系統和方法。

台灣正面臨核電廠除役階段，然而，核電廠的核能組件內部管路因為製程管線配置密集、結構變性異性大，加上管線無法進入檢查及檢查需搭設施工架與拆除保溫材等因素，在管理及檢修維護上相對比較困難。因此，具有體積小、多自由度、重量輕、操作簡單、容易安裝換維修特點的機器人為目前核電廠除役所希冀。除了核電廠外，我國石化工業廠中，由於長年不斷運轉，且在無法隨時停機與定期檢修，多少都隱藏著管線鏽蝕破損、管線洩漏汙染或火災爆炸等危害風險，如能應用機器人在管線中進行危害檢測、重繪管路圖，可大大降低危害風險。

美國是目前世界上有最多核能電廠進行除役之國家，已除役或正進行除役之核能電廠約有30座。核電廠內部管線配置密集、結構變性異性大，加上管線無法進入檢查及檢查需搭設施工架與拆除保溫材等因素，在管理及檢修維護上相對困難，因此，應用多功能性的機器人於管路內進行地圖繪製、劑量檢測、核種取樣作業為核電廠除役作業前所需。 且美國境內有長達420萬公里長的各式地下與地上輸送管線，管線資訊由美國運輸部的管線暨有毒物質安全署彙整處理，旨在提供美國州政府與工業界交流平台，對大眾提供透明資訊。

根據上述，我國與美國目前都面臨核電廠除役的議題，核電廠除役過程中，需要大量的管路機器人進行管路的探測、輻射偵檢與取樣，現有精密機械產業雖有設計機器人的經驗，但大多是用於製造業之中，少有琢磨在空間狹小與高複雜性之管路環境中。然而，核電廠核能組件內部管路屬於空間狹小與高複雜性的地形環境，當人員與大型機具無法深入探勘內部環境，如何將此環境內部重要的訊息傳遞給外部的工作人員，就變得相當重要，但現行的管路機器人無法準確地繪製出行走地圖。

有鑑於上述習知之問題，本發明之目的係提出一種移動機器人地圖創建系統和方法，其可以用以解決習知之缺失。

基於上述目的，本發明係提供一種移動機器人地圖創建系統，其包含移動機器人以及顯示裝置。移動機器人，其包含：機器人本體，可移動地位於空間內；驅動單元，連接機器人本體，驅動單元驅動機器人本體在空間內移動；影像擷取單元，設置於機器人本體上，影像擷取單元擷取空間內的影像；採樣單元，設置於機器人本體上，採樣單元對空間內進行採樣，以取得樣品；控制單元，設置於機器人本體上，並電性連接驅動單元、影像擷取單元以及採樣單元以控制其作動；以及電源供應單元，設置於機器人本體上，並電性連接驅動單元、影像擷取 單元、採樣單元以及控制單元，以提供其作動所需的電力。顯示裝置，連接移動機器人，顯示裝置顯示所接收的影像以及在影像上標示取得樣品的空間內的位置處，並根據驅動單元的複數個驅動指令同步顯示移動機器人在空間內的行走軌跡。

較佳地，機器人本體包含依序彼此連接的蛇頭模塊、蛇身模塊以及蛇尾模塊，蛇身模塊包含複數個關節單體，影像擷取單元以及採樣單元分別設置於蛇頭模塊以及蛇尾模塊上，驅動單元包含設置於蛇身模塊並與複數個關節單體交互串接的複數個馬達。

較佳地，顯示裝置以點陣圖顯示機器人本體從原點移動至終點過程中的每個移動點位，並且顯示裝置依據所有移動點位以產生機器人本體在空間內的行走軌跡，並以不同標示顯示先前的移動點位與當前的移動點位。

較佳地，機器人本體所在的空間包含管路，顯示裝置將影像擷取單元所擷取的複數個影像重組以形成管壁實際路徑圖，並且顯示裝置將預先儲存的管壁規劃路徑圖與管壁實際路徑圖進行比對並顯示比對結果。

較佳地，機器人本體更包含照明單元，設置於機器人本體上，並電性連接電源供應單元以接收電力，照明單元照明機器人本體所在的空間，以輔助移動機器人的作業。

較佳地，基於上述目的，本發明係提供一種移動機器人地圖創建方法，包含：驅動移動機器人以複數個動作模式在空間內移動；利用移動機器人擷取在空間內的所在位置處附近的影像；利用移動機器 人對當前在空間內的位置處的環境進行採樣，以取得樣品；利用顯示裝置顯示移動機器人所擷取的影像；在顯示裝置所顯示的影像上標示進行採樣的空間內的位置處；以及利用顯示裝置顯示移動機器人在空間內的行走軌跡。

較佳地，移動機器人包含依序彼此連接的蛇頭模塊、蛇身模塊以及蛇尾模塊，蛇身模塊包含複數個關節單體。

較佳地，移動機器人地圖創建方法更包含以點陣圖顯示移動機器人從原點移動至終點過程中的每個移動點位，依據所有移動點位產生移動機器人在空間內的行走軌跡，並以不同標示顯示先前的移動點位與當前的移動點位。

較佳地，移動機器人地圖創建方法更包含驅動移動機器人在管路內移動，利用顯示裝置將所擷取的複數個影像重組以形成管壁實際路徑圖，將預先儲存的管壁規劃路徑圖與管壁實際路徑圖進行比對，並顯示比對結果。

較佳地，移動機器人地圖創建方法更包含在移動機器人移動及/或擷取影像及/或進行採樣時，照明移動機器人所在的空間。

承上所述，本發明之移動機器人地圖創建系統和方法，其具有下列優勢：

1.移動機器人可以準確地依據顯示裝置的指令行進，以實現管線內部的探勘，不僅適用於核能電廠除役，亦可用於美國工業界管理各式輸送管線在核電廠的管路內或其他地方，以減少工作人員在危險環境探險偵測的危害，增加作業上的安全性，同時解決工作人員和現有 大型機器人無法在空間狹小與高複雜性的管路環境中移動進而創建地圖的問題。

2.介面簡單、定位準確、開發成本低與容易安裝等特點，有助於降低廠商生產營運上的成本，從而增進產品的市場競爭力與國際廠商投資生產的意願。

300‧‧‧地圖創建系統

10‧‧‧移動機器人

100‧‧‧機器人本體

1001‧‧‧蛇頭模塊

1002‧‧‧蛇身模塊

1022‧‧‧關節單體

1003‧‧‧蛇尾模塊

110‧‧‧驅動單元

111‧‧‧驅動指令

120‧‧‧影像擷取單元

121‧‧‧影像

130‧‧‧採樣單元

131‧‧‧樣品

140‧‧‧控制單元

150‧‧‧電源供應單元

20‧‧‧顯示裝置

210‧‧‧行走軌跡

601‧‧‧管路

800‧‧‧點陣圖

第1圖係根據本發明之移動機器人地圖創建系統之第一方塊圖。

第2圖係根據本發明之移動機器人地圖創建系統之示意圖。

第3圖係根據本發明之移動機器人地圖創建系統之移動機器人之第二方塊圖。

第4圖係根據本發明之移動機器人地圖創建系統之顯示裝置之顯示介面之示意圖。

第5圖係根據本發明之移動機器人地圖創建方法之步驟流程圖。

請參閱第1至3圖，其係分別為根據本發明之移動機器人地圖創建系統之第一方塊圖、示意圖和第二方塊圖。如第1圖所示，移動機器人地圖創建系統300包含移動機器人10以及顯示裝置20。其中，移動機器人10包含機器人本體100以及設置於機器人本體100上的驅動單元110、影像擷取單元120、採樣單元130、控制單元140以及電源供應單元150。

在控制移動機器人10的使用端，顯示裝置20可例如為個人電腦或手機等，其可以經由其內安裝的LabVIEW控制程式傳輸控制命令以控制移動機器人10。移動機器人10的控制單元140可以例如採用微型Arduino pro mini微控制器開發板，其可以電性連接移動機器人10的驅動單元110、影像擷取單元120以及採樣單元130，以在接收到來自顯示裝置20的傳輸控制命令時，直接控制驅動單元110、影像擷取單元120以及採樣單元130作動，並間接控制機器人本體100作動，其作動方式如下詳細說明。

機器人本體100可以機械地連接驅動單元110，以透過驅動單元110的驅動而在一空間內移動，例如在核電廠的核能組件的內部管路內移動，但不以此為限。為了實現在管路等狹小空間內自由移動，如第2圖所示，機器人本體100可以包含依序彼此連接的蛇頭模塊1001、蛇身模塊1002以及蛇尾模塊1003，其中蛇身模塊1002包含複數個關節單體1022，蛇身模塊1002上所設置的驅動單元110可以包含一個或複數個馬達，其可以與複數個關節單體1022交互串接。舉例來說，使用十顆AI伺服馬達相互串連，以將五個關節單體1022設計成左右與上下各300度的兩個自由度的轉向運動，整個機器人本體100的蛇身模塊1002具有十個自由度，每個關節單體1022是由兩顆AI伺服馬達與兩個U型的塑膠框架交叉垂直連接組合而成。

舉例來說，在移動機器人10的馬達選用上，可以例如採用型號為DYNAMIXEL AX-12A AI智慧直流伺服馬達，此馬達在通訊協議上使用半雙工非同步串口通訊，連接上採菊鍊串連架構連接，可讓 機器蛇端減少複雜的馬達電路配線，以增加蛇型的機器人本體100運動時的可活動性，在扭矩與旋轉角度範圍上提供15.3kg．cm的扭矩及0°~300°的旋轉角度，使蛇型的機器人本體100於管路內部運動時，在動力上具有更佳的表現。如第3圖所示，在顯示裝置20的人機介面進行動作的操控，利用顯示裝置20以TTL序列傳輸方式進行驅動單元110的馬達的旋轉角度與轉速的控制，來完成機器人本體100的運動模式上的控制。

實際上，若機器人本體100的蛇尾模塊1003是採用塑膠其他不具防滑效果的材料製成而導致無法進行移動時，可以考慮選用磨擦力較強的止滑墊黏貼於機器人本體100的底部來提高行進的磨擦力，例如黏貼於機器人本體100的左右兩側來避免轉彎時與管壁發生碰撞，並於底部裝設平衡支柱以提高平衡性與磨擦力。其中，支架與樣本保存盒均可以採用例如3D建模軟體設計，材料上採用PLA熱塑性塑料透過3D列印機反覆進行堆疊作業來印製成立體物件。

影像擷取單元120可以設置於機器人本體100的蛇頭模塊1001。在機器人本體100移動或靜止的狀態下，影像擷取單元120可以在其有效影像擷取範圍內擷取移動機器人10所在的空間內的影像121。例如，影像擷取單元120可以為視訊攝影機或其他具有擷取影像功能的器材，例如採用具有最大視頻解析度1920 x 1080像素、最大照片拍攝解析度800萬畫素的視訊攝影機。進一步，顯示裝置20可以將影像擷取單元120所擷取的複數個影像121重組以形成管壁實際路徑圖，並且顯示裝置20將預先儲存的管壁規劃路徑圖與管壁實際路徑圖進行比對，並顯示比 對結果，例如顯示輸送液體或氣體後的殘留物或鏽蝕在在使用過的管壁上，或管壁破裂狀態等。

由於考量機器蛇之平衡與空間規劃，採樣單元130可以設置於機器人本體100的蛇尾模塊1003。在機器人本體100靜止的狀態下，採樣單元130可以對空間內例如對管壁進行採樣，以透過分析殘留於管壁上的物質作為樣品131，以輕易得知管內是否有危害人體健康的毒氣、易燃氣體、汙染物或鏽蝕等。採樣單元130的型態可以為刷頭，其可例如連接扭力與速度為2.0kg(4.8v)、0.11s(4.8v)以及旋轉角度為0°~180°度的MG90S伺服馬達或其他驅動元件，以控制刷頭以120度或其他角度刷取管內底部，藉以達成採樣樣本的作業。在控制方式上，控制MG90S伺服馬達或其他驅動元件帶動採樣單元130作動可以例如藉由移動機器人10本身的控制單元140的自動控制實現，或者由使用者透過額外的顯示裝置20進行遠端控制或藉由顯示裝置20的自動控制實現。

應理解的是，在採樣單元130進行管壁採樣的同時，顯示裝置20可以顯示採樣單元130進行採樣的條件，例如採樣單元130的數量、型態、採樣次數和採樣位置等，上述所有採樣條件可以依管路長度和寬度大小、管路的延伸方向、液體或氣體輸送狀態等需求做適當調整。實際上，可以設計快拆式設計的樣本保存盒，以防護採樣單元130所刷取的樣本遭受汙染，並且可以透過卡榫設計快速地替換採樣單元130的採樣刷頭。

本實施例可選的，移動機器人10可以更包含照明單元，例如LED燈，其可以設置於機器人本體100上，例如與影像擷取單元120皆 設置於蛇頭模塊1001上。機器人本體100在管內移動時視線通常是昏暗的，顯示裝置20難以清楚顯示管內的狀態，此時照明單元可以發揮照明的功效，以輔助移動機器人10的作業，特別是使影像擷取單元120能擷取清晰影像、使用者可透過顯示裝置20的影像121決定進行採樣的位置處。實際上，機器人本體100上可以安裝燈座以方便任意更換具適合所在空間的亮度的照明單元，以避免所在空間過暗或過亮，燈座數量可以為複數個，即可同時裝設多個不同亮度的照明單元，控制單元140可以連接照明單元，以根據機器人本體100所在空間的亮度自動開啟或關閉具不同亮度的照明單元。

電源供應單元150可以包含交流-直流轉換器例如電子式變壓器，其可以用以將來自外部的交流電轉換成直流電，例如110V的交流電轉換成12V的直流電後，將其供應給與其電性連接的驅動單元110的AI伺服馬達(用以驅動機器人本體100的蛇身模塊1002)以及照明單元，影像擷取單元120則可以採用電壓5V。另外，顯示裝置20的USB-TTL轉換器可以電性連接機器人本體100的電源供應單元150，並且機器人本體100的電源供應單元150可以電性連接機器人本體100所包含的其他單元，從而電源供應單元150可以接收來自顯示裝置20(例如電腦)經由USB-TTL轉換器(例如FTDI FT232R轉換器)供應5V的電力，並將此電力提供給機器人本體100所包含的其他單元如控制單元140以及用於驅動採樣單元130的MG908馬達。另外，影像擷取單元120亦可從顯示裝置20接收5V的電力。應理解，以上所需電力大小可以視各單元的型號不同而改變。

顯示裝置20可以連接移動機器人10以進行遠端控制，並且在移動機器人10作動的過程中，顯示裝置20可以即時接收和顯示移動機器人10所包含的各單元的指令和數據等資訊，例如顯示裝置20可以透過顯示螢幕顯示影像擷取單元120所擷取的一空間(例如管路)內的影像121以及在顯示螢幕中的影像121上標示進行採樣的空間內的位置處，並根據驅動單元110的複數個驅動指令111同步顯示機器人本體100在空間內的行走軌跡210。

請參閱第4圖，其係根據本發明之移動機器人地圖創建系統之顯示裝置之顯示介面之示意圖。如上所述，顯示裝置20內可以安裝LabVIEW控制程式，其顯示介面可以如第4圖所示具有複數個動作模式的控制選項，顯示裝置20可以利用LabVIEW控制程式對移動機器人10下達各種控制指令以控制移動機器人10以複數個動作模式(例如前進、伸直、後退、作轉、右轉以及採集等)移動，從而進行如上述各種作業，例如指示移動機器人10的控制單元140控制機器人本體100移動以及控制採樣單元130進行採樣的控制命令等。

實施上，利用顯示裝置20根據移動機器人10的作動創建地圖的方式具體說明如下：以移動機器人10出發地為原點，控制移動機器人10開始往終點移動。在移動機器人10行進的過程中，顯示裝置20可以隨移動機器人10的移動同步以點陣圖800顯示和紀錄機器人本體100從原點移動至終點過程中的每一個移動點位，以及顯示和紀錄移動機器人10在移動過程中所產生的各種資訊例如採樣單元130的採樣點等，並且顯示裝置20可以依據所有移動點位以產生機器人本體100在空間內的行走 軌跡210，並以不同標示顯示先前的移動點位與當前的移動點位，例如透過點陣化地圖以藍點標示移動機器人10先前的移動點位，而以紅點標示移動機器人10當前移動點位(可以指出移動機器人10的影像擷取單元120擷取影像的位置處)，並可以綠點標示採集樣品131(見第1圖)的採樣點，在此僅舉例說明，不以此為限。

藉由上述，在完全不知管壁路徑圖的狀況下，可以藉由移動機器人10如前述回饋其移動資訊至電腦，點陣化地圖則同步顯示並記錄移動機器人10的移動和其所在的位置，以點陣化地圖的紀錄描繪移動機器人10行走軌跡以猜測管壁路徑，當移動機器人10要再次行進至未知管壁時，依據前次猜測的管壁路徑讓移動機器人10成功地行進。

相反地，在取得管壁路徑圖的狀況下，顯示裝置20可以同步顯示其預先儲存的管壁規劃路徑圖以及從移動機器人10的影像擷取單元120所接收的複數個影像121，以供使用者得知移動機器人10目前所在位置處，並可以根據管壁規劃路徑圖以操控顯示裝置20控制移動機器人10在影像擷取單元120所拍攝的空間內順利行進，而如上述紀錄的資訊可以提供下次在同一空間內移動時作為參考。

根據上述，透過顯示裝置20的控制程式顯示讓使用者更能得知移動機器人10在行進的狀況和所處的環境，並透過控制程式上的各動作模式的控制選項操控移動機器人10，而不同於以往僅能控制移動機器人10的移動且未得知移動機器人10的移動狀況，避免移動機器人10被損毀，並讓移動機器人10於管壁內的移動更為精準及增加操作上的方便性，再者，根據前次點陣化地圖的紀錄猜測未知管壁的路徑，讓移動機 器人10能順利地在未知的管壁行進，同時進行採樣，以實現管線內部的探勘。

請參閱第5圖，其係根據本發明之移動機器人地圖創建方法之步驟流程圖。如第5圖所示，移動機器人地圖創建方法包含以下步驟S1~S6：步驟S1：驅動移動機器人以複數個動作模式在空間內移動，其中移動機器人可以包含依序彼此連接的蛇頭模塊、蛇身模塊以及蛇尾模塊，蛇身模塊可以包含複數個關節單體；步驟S2：利用移動機器人擷取在空間內的所在位置處附近的影像；步驟S3：利用移動機器人對當前在空間內的位置處的環境進行採樣，以取得樣品；步驟S4：利用顯示裝置顯示移動機器人所擷取的影像；步驟S5：在顯示裝置所顯示的影像上標示進行採樣的空間內的位置處；以及步驟S6：利用顯示裝置顯示移動機器人在空間內的行走軌跡。本實施例可選的，可以不同標示顯示先前的移動點位與當前的移動點位，並以點陣圖顯示移動機器人從原點移動至終點過程中的每個移動點位，依據所有移動點位產生移動機器人在空間內的行走軌跡。

本實施例可選的，移動機器人地圖創建方法更包含驅動移動機器人在管路內移動，利用顯示裝置將所擷取的複數個影像重組以形 成管壁實際路徑圖，將預先儲存的管壁規劃路徑圖與管壁實際路徑圖進行比對，並顯示比對結果。

本實施例可選的，移動機器人地圖創建方法更包含在移動機器人移動及/或擷取影像及/或進行採樣時照明移動機器人所在的空間。

以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。任何未脫離本發明之精神與範疇，而對其進行之等效修改或變更，均應包含於後附之申請專利範圍中。

Claims (8)

1. 一種移動機器人地圖創建系統，包含：一移動機器人，其包含：一機器人本體，可移動地位於一空間內；一驅動單元，連接該機器人本體，該驅動單元驅動該機器人本體在該空間內移動；一影像擷取單元，設置於該機器人本體上，該影像擷取單元擷取該空間內的一影像；一採樣單元，設置於該機器人本體上，該採樣單元對該空間內進行採樣，以取得一樣品；一控制單元，設置於該機器人本體上，並電性連接該驅動單元、該影像擷取單元以及該採樣單元以控制其作動；以及一電源供應單元，設置於該機器人本體上，並電性連接該驅動單元、該影像擷取單元、該採樣單元以及該控制單元，以提供其作動所需的電力；以及一顯示裝置，連接該移動機器人，該顯示裝置顯示所接收的該影像以及在該影像上標示進行採樣的該空間內的位置處，並根據該驅動單元的複數個驅動指令同步顯示該移動機器人在該空間內的一行走軌跡，其中該顯示裝置以一點陣圖顯示該機器人本體從一原點移動至一終點過程中的每一個移動點位，並且該顯示裝置依據所有移動點位以產生該機器人本體在該空間內的該行走軌跡，並以不同標示顯示先前的移動點位與當前的移動點位。
2. 如申請專利範圍第1項所述之移動機器人地圖創建系統，其中該機器人本體包含依序彼此連接的一蛇頭模塊、一蛇身模塊以及一蛇尾模塊，該蛇身模塊包含複數個關節單體，該影像擷取單元以及該採樣單元分別設置於該蛇頭模塊以及該蛇尾模塊上，該驅動單元包含設置於該蛇身模塊並與該複數個關節單體交互串接的複數個馬達。
3. 如申請專利範圍第1項所述之移動機器人地圖創建系統，其中該機器人本體所在的該空間包含一管路，該顯示裝置將該影像擷取單元所擷取的複數個該影像重組以形成一管壁實際路徑圖，並且該顯示裝置將預先儲存的一管壁規劃路徑圖與該管壁實際路徑圖進行比對並顯示比對結果。
4. 如申請專利範圍第1項所述之移動機器人地圖創建系統，其中該機器人本體更包含一照明單元，設置於該機器人本體上，並電性連接該電源供應單元以接收電力，該照明單元照明該機器人本體所在的該空間，以輔助該移動機器人的作業。
5. 一種移動機器人地圖創建方法，包含：驅動一移動機器人以複數個動作模式在一空間內移動；利用該移動機器人擷取在該空間內的所在位置處附近的一影像；利用該移動機器人對當前在該空間內的位置處的環境進行採樣，以取得一樣品；利用一顯示裝置顯示該移動機器人所擷取的該影像；在該顯示裝置所顯示的該影像上標示進行採樣的該空間內的位 置處；以及利用該顯示裝置顯示該移動機器人在該空間內的一行走軌跡；其中該移動機器人地圖創建方法更包含以一點陣圖顯示該移動機器人從一原點移動至一終點過程中的每一個移動點位，依據所有移動點位產生該移動機器人在該空間內的該行走軌跡，並以不同標示顯示先前的移動點位與當前的移動點位。
6. 如申請專利範圍第5項所述之移動機器人地圖創建方法，其中該移動機器人包含依序彼此連接的一蛇頭模塊、一蛇身模塊以及一蛇尾模塊，該蛇身模塊包含複數個關節單體。
7. 如申請專利範圍第5項所述之移動機器人地圖創建方法，更包含驅動該移動機器人在一管路內移動，利用該顯示裝置將所擷取的複數個該影像重組以形成一管壁實際路徑圖，將預先儲存的一管壁規劃路徑圖與該管壁實際路徑圖進行比對，並顯示比對結果。
8. 如申請專利範圍第5項所述之移動機器人地圖創建方法，更包含在該移動機器人移動及/或擷取該影像及/或進行採樣時，照明該移動機器人所在的該空間。