CN109940620A - 一种智能探索机器人及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于智能控制的技术领域，公开了一种智能探索机器人，包括远程控制平台，该远程控制平台与机器人的处理器相连，该处理器与2D处理模块、3D处理模块、运动控制模块相连，2D处理模块用于对平坦地形进行激光扫描及处理，3D处理模块用于对机器人所处环境进行视觉拍摄及处理，运动控制模块用于控制机器人行进模式切换和对目标物采集，处理器用于接收激光信息、图像信息构建对应的地图信息，以及远程控制平台下发的目标区域、行进模式切换指令，对机器人进行行进路线规划以及行进模式切换，远程控制平台用于接收地图信息、图像信息以及用户设置的目标物，对目标区域的图像信息进行目标物识别和定位，根据识别结果向处理器下发进一步指令。

Description

一种智能探索机器人及其控制方法

技术领域

本发明涉及智能控制的技术领域，尤其涉及一种智能探索机器人及其控制方法。

背景技术

多功能探索机器人可以使用在户外场景中，例如道路的勘探或监测，在真实的环境下与人类互动，而且随着工业自动化的发展，此方面应用和需求越来越强烈，市场在逐步扩大。近年来，在国内工业机器人需求量激增，我国自主导航平台销售量持续增长。

同时，人们更加快捷方便的在网上进行购物，我国物流业便迎来了全面爆发。。

在物流、制造行业要确保物料、产品在短时间内送达到指定的站点，必须依赖于不知疲倦的仓储机器人。在过去，要完成这样的任务量，至少需要安排几名熟练的员工来协作完成，而靠人力作业无法保证生产效率，这就需要智慧物流的大规模应用，以应对暴增的物流需求，因此，智能仓储机器人的大规模应用，正掀起智慧物流的热潮。

但如今户外探索型机器人适用场景少，且绝大多数为一台机器人探索特定环境区域，使得其无法适用动态大场景。

发明内容

本发明提供了一种智能探索机器人及其控制方法，解决了现有探索机器人功能单一，仅能应对特定环境等问题。

本发明可通过以下技术方案实现：

一种智能探索机器人，包括远程控制平台，所述远程控制平台与机器人的处理器相连，所述处理器与2D处理模块、3D处理模块、运动控制模块相连，所述2D处理模块用于对平坦地形进行激光扫描，并对获取的激光信息进行处理，所述3D处理模块用于对机器人所处的环境进行视觉拍摄，并对获取的图像信息进行处理，所述运动控制模块用于控制机器人行进模式的切换和对目标物的采集，

所述处理器用于接收激光信息、图像信息构建对应的地图信息，以及远程控制平台下发的目标区域、行进模式切换指令，对机器人进行行进路线规划以及行进模式切换，所述远程控制平台用于接收地图信息、图像信息以及用户设置的目标物信息，对目标区域的图像信息进行目标物识别和定位，并根据识别结果向处理器下发进一步指令。

进一步，所述处理器用于接收激光信息构建简单地图信息，接收图像信息构建复杂地图信息，所述行进模式包括轮式行进和足式行进，所述轮式行进对应于简单地图信息，所述足式行进对应于复杂地图信息，用户根据图像信息通过远程控制平台向处理器下发行进模式切换指令。

进一步，所述简单地图信息设置2D地图，所述复杂地图信息设置为3D地图。

进一步，所述机器人包括底盘，所述底盘的底面设置四个差速驱动轮，顶面设置有机械臂，四角各设置一个机械腿，所述机械腿设置有十二个自由度，四个所述机械腿收起时，四个差速驱动轮着地，机器人采用轮式行进；四个所述机械腿展开时，四个机械腿着地，机器人采用足式行进；所述机械臂设置有四个自由度，包括设置在顶面的底座，所述底座能够转动，其上设置有大臂，所述大臂与小臂的一端相连，所述小臂的另一端与机械爪相连，所述机械爪用于目标物的抓取。

进一步，还包括与处理器相连的传感器模块，所述传感器模块用于获取机器人所处的环境信息，所述远程控制平台通过处理器接收环境信息，并结合过往的环境信息进行环境状态分析，形成可视化变化曲线。

进一步，所述2D处理模块包括A1激光雷达，所述3D处理模块包括RGB-D 深度摄像头，所述传感器模块包括温湿度传感器、红外辐射传感器、生命探测仪、气体成分检测传感器，所述远程控制平台包括搭载ROS***的PC机，通过局域网或者WIFI模块与处理器通讯。

一种基于上文所述的智能探索机器人的控制方法，包括以下步骤：

步骤一、根据机器人上的3D处理模块检测的图形信息，用户判断机器人所处的地形是否平坦，并通过远程控制平台向处理器下发对应的行进模式指令；

步骤二、机器人的处理器根据接收的行进模式指令，通过运动控制模块控制机器人采用轮式行进还是足式行进；

步骤三、机器人通过2D处理模块检测的激光信息或者3D处理模块检测的图像信息构建地图信息，并根据远程控制平台下发的目标区域指令，进行行进路线规划，同时将地图信息、图像信息实时上传至远程控制平台；

步骤四、到达目标区域，远程控制平台根据用户设定的目标物进行目标物的识别和定位，若发现目标物及其位置，则通过处理器控制机械臂进行目标物的采集，否则进行下一个目标区域指令给处理器；

步骤五、重复步骤一至四，直至所有目标区域的探索。

进一步，若机器人所处的地形平坦，则通过远程控制平台向处理器下发轮式行进指令，处理器通过运动控制模块控制四个机械腿收起，通过2D处理模块对机器人所处的地形进行激光扫描，并根据获取的激光信息构建简单地图信息；若机器人所处的地形复杂，则通过远程控制平台向处理器下发足式行进指令，处理器通过运动控制模块控制四个机械腿展开，通过3D处理模块对机器人所处的地形进行视觉拍摄，并根据获取的图像信息构建复杂地图信息，同时2D处理模块停止工作。

进一步，所述地图信息通过SLAM算法进行构建。

进一步，所述简单地图信息对应室内环境，所述复杂地图信息对应野外环境。

本发明有益的技术效果在于：

本发明通过2D处理模块和3D处理模块能够获取平坦地形的激光信息或者复杂地形的图像信息及其对应整个环境的图像信息，进而构建对应的地图信息，同时用户根据其检测的图像信息，实现机器人的轮式行进和足式行进的切换，然后根据构建的地图信息和用户设置的目标区域，自主规划行进路径和避障，另外，还可以对目标区域进行目标物的识别和定位，方便机械臂采集目标物，从而实现对人类无法到达的极端环境进行勘测和研究取样，特别地对于灾难过后的地区，可以深入险境，传输受困人员的数据与位置，为解救生命提供更可靠的保障，同时本发明的机器人可以兼顾室内和野外环境的探索，以应对实际情况的多变需求，而机器人的处理器和远程控制平台均采用嵌入式***设计，从而使机器人的各个功能能够无缝衔接。

附图说明

图1为本发明的总体框架示意图；

图2为本发明的机器人构建的简单地图信息示意图；

图3为本发明的机器人采用足式行进的示意图；

图4为本发明的机器人采用轮式行进的示意图；

图5为本发明的目标物的识别和定位的实例示意图。

具体实施方式

下面结合附图及较佳实施例详细说明本发明的具体实施方式。

如图1所示，本发明提供了一种智能探索机器人，包括远程控制平台，该远程控制平台通过局域网或者WIFI模块与机器人的处理器相连，该处理器与 2D处理模块、3D处理模块、传感器模块、运动控制模块相连，该2D处理模块用于对平坦地形进行激光扫描，并对获取的激光信息进行处理，该3D处理模块用于对机器人所处的环境进行视觉拍摄，并对获取的图像信息进行处理，该运动控制模块用于控制机器人行进模式的切换和对目标物的采集及标记，该传感器模块用于获取机器人所处的环境信息，该处理器用于接收激光信息、图像信息利用相关的SLAM算法构建对应的地图信息，以及远程控制平台下发的目标区域、行进模式切换指令，对机器人进行行进路线规划以及行进模式切换，所述远程控制平台用于接收地图信息、图像信息以及用户设置的目标物信息，对目标区域的图像信息进行目标物识别和定位，并根据识别结果向处理器下发进一步指令，同时接收环境信息，并结合过往的环境信息进行环境状态分析，形成可视化变化曲线，以供用户参考，并及时做出有效分析。

该处理器用于接收激光信息利用gmapping等算法构建简单地图信息，可以为2D地图，如图2所示，主要用于室内环境的探索，接收图像信息利用RGB-D SLAM等算法构建复杂地图信息，可以为3D地图，主要用于野外环境的探索，而行进模式包括轮式行进和足式行进，轮式行进对应于简单地图信息，足式行进对应于复杂地图信息，用户根据图像信息通过远程控制平台向处理器下发行进模式切换指令，该运动控制模块包括基于STM32运动控制电路板以及四块I/O接口拓展芯片，用以对足式行进和轮式行进进行不同的驱动控制，从而实现机器人的多模式的工作方式，节约了生产成本，扩大机器人的应用范围，以符合用户的实际需要。

该机器人包括底盘，在底盘的底面设置四个差速驱动轮，顶面设置有机械臂，四角各设置一个机械腿，该机械腿设置有十二个自由度，当四个机械腿收起时，四个差速驱动轮着地，机器人可采用轮式行进即通过差速驱动轮行进，如图3所示；当四个机械腿展开时，四个机械腿着地，将四个差速驱动轮撑起不着地，机器人可采用足式行进即通过机械腿行进，如图4所示；同时每个机械腿都有十二个自由度可以进行多个方向的调整，从而方便机器人更好地规划行进路线，更快捷地到达目标区域，该机械臂设置有四个自由度，包括设置在顶面的底座，该底座能够转动，其上设置有大臂，该大臂与小臂的一端相连，小臂的另一端与机械爪相连，该机械爪通过水平开合机构实现对目标物的抓取。

该2D处理模块包括A1激光雷达，该A1激光雷达通过数据线与单片机相连，该单片机用于A1激光雷达检测得到的激光数据的转换，便于传输至处理器。该3D处理模块包括RGB-D深度摄像头和图像数据缓存器，该RGB-D深度摄像头设置在机器人的底盘顶端，方便对行进方向的前方拍摄，该图像数据缓存器通过数据线与RGB-D深度摄像头相连，用于将RGB-D深度摄像头和RPI 夜视摄像头所采集到的RGB三通道图像转换成多个二维数组并保存等待发送指令或图形学操作预处理指令。该传感器模块包括气体成分检测传感器如二氧化碳传感器、一氧化碳传感器等、红外线辐射传感器、生命探测仪和温湿度传感器，实现对机器人所处环境的温湿度、空气成分、红外辐射强度的检测。

该远程控制平台均包括搭载ROS***的PC机，其与处理器进行的通讯及数据传输包括已探索过环境的地图信息，已探索过环境的图像信息，已探索过环境的空气成分，红外辐射强度等信息，此外还包括用户发出的下一步具体行动指令，如根据反馈的图像信息，用户判断机器人所处地形是否平坦，进而通过远程控制平台发送轮式行进还是足式行进指令，又如设置目标物、目标区域等等。还具体遥控功能，在自主导航功能出现故障而无法正常使用时，可以通过远程遥控机器人继续工作，即可启动手动控制节点，通过PC机键盘上QWEASDZXC键作为方向键，配合RGB-D深度摄像头实时传回的图像信息与已建好的地图信息，控制机器人继续工作。

本发明还提供了一种基于上文所述的智能探索机器人的控制方法，包括以下步骤：

步骤一、根据机器人的3D处理模块检测的图形信息，用户判断机器人所处的地形是否平坦，并通过远程控制平台向处理器下发对应的行进模式指令；

步骤二、机器人的处理器根据接收的行进模式指令，通过运动控制模块控制机器人采用轮式行进还是足式行进；

步骤三、机器人通过2D处理模块检测的激光信息或者3D处理模块检测的图像信息构建地图信息，并根据远程控制平台下发的目标区域指令，进行行进路线规划，同时将地图信息、图像信息实时上传至远程控制平台；

若通过反馈的图像信息用户判断机器人所处的地形平坦，则通过远程控制平台向处理器下发轮式行进指令，处理器通过运动控制模块控制四个机械腿收起，机器人通过四个差速驱动轮行进，通过2D处理模块的A1激光雷达对机器人所处的地形进行激光扫描，并根据获取的激光信息通过SLAM算法如gmapping算法等构建半径五米内的简单地图信息，等待用户的目标区域指令，接收到指令后自动规划路径自主导航前往目标区域；若通过反馈的图像信息用户判断机器人所处的地形不平坦，则通过远程控制平台向处理器下发足式行进指令，处理器通过运动控制模块控制四个机械腿展开，机器人通过四个机械腿行进，通过3D处理模块的RGB-D摄像头对机器人所处的地形进行视觉拍摄，检测循环并重新定位，然后根据获取的图像信息通过SLAM算法如RGB-D SLAM算法构建复杂地图信息，而此时2D处理模块停止工作，等待用户的目标区域指令，接收到指令后自动规划路径自主导航前往目标区域。

步骤四、到达目标区域，远程控制平台根据用户设定的目标物进行目标物的识别和定位，若发现目标物及其位置，则通过处理器控制机械臂进行目标物的采集，否则进行下一个目标区域指令给处理器；

到达目标区域后，机器人会将其五米半径内的地图和修正后的地图及其图像信息一并回传，同时回传的还有传感器模块的检测数据，远程控制平台接收到传感器模块的检测数据后，会结合之前回传的检测数据与当前的检测数据比较分析，得到环境变量变化情况形成可视化曲线。远程控制平台接收到图像信息后，直接展示给用户，并在后台利用如目前广泛使用YOLO系列的算法进行目标物的识别与定位，如图5所示，若有，则通过远程控制平台向处理器下发采集指令，控制机械臂进行目标物的采集和标定，否则，通过远程控制平台向处理器下发向下一个目标区域行进指令。当然，用户还可以通过调用不同程序来对当前图像进行其他处理。

步骤五、重复步骤一至四，直至所有目标区域的探索。

本发明通过2D处理模块和3D处理模块能够获取平坦地形的激光信息或者复杂地形的图像信息及其对应整个环境的图像信息，利用SLAM算法构建对应的地图信息，同时用户根据其检测的图像信息，实现机器人的轮式行进和足式行进的切换，然后根据构建的地图信息和用户设置的目标区域，自主规划行进路径和避障，另外，还可以对目标区域进行目标物的识别和定位，方便机械臂采集和标记目标物，从而实现机器人的多模式的工作方式，可对人类无法到达的极端环境进行勘测和研究取样，特别地对于灾难过后的地区，可以深入险境，传输受困人员的数据与位置，为解救生命提供更可靠的保障，同时本发明的机器人可以兼顾室内和野外环境的探索，以应对实际情况的多变需求，而机器人的处理器和远程控制平台均采用嵌入式***设计，从而使机器人的各个功能能够无缝衔接。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，因此，本发明的保护范围由所附权利要求书限定。

Claims (10)

1.一种智能探索机器人，其特征在于：包括远程控制平台，所述远程控制平台与机器人的处理器相连，所述处理器与2D处理模块、3D处理模块、运动控制模块相连，所述2D处理模块用于对平坦地形进行激光扫描，并对获取的激光信息进行处理，所述3D处理模块用于对机器人所处的环境进行视觉拍摄，并对获取的图像信息进行处理，所述运动控制模块用于控制机器人行进模式的切换和对目标物的采集，

所述处理器用于接收激光信息、图像信息构建对应的地图信息，以及远程控制平台下发的目标区域、行进模式切换指令，对机器人进行行进路线规划以及行进模式切换，所述远程控制平台用于接收地图信息、图像信息以及用户设置的目标物信息，对目标区域的图像信息进行目标物识别和定位，并根据识别结果向处理器下发进一步指令。

2.根据权利要求1所述的智能探索机器人，其特征在于：所述处理器用于接收激光信息构建简单地图信息，接收图像信息构建复杂地图信息，所述行进模式包括轮式行进和足式行进，所述轮式行进对应于简单地图信息，所述足式行进对应于复杂地图信息，用户根据图像信息通过远程控制平台向处理器下发行进模式切换指令。

3.根据权利要求2所述的智能探索机器人，其特征在于：所述简单地图信息设置2D地图，所述复杂地图信息设置为3D地图。

4.根据权利要求2所述的智能探索机器人，其特征在于：所述机器人包括底盘，所述底盘的底面设置四个差速驱动轮，顶面设置有机械臂，四角各设置一个机械腿，所述机械腿设置有十二个自由度，四个所述机械腿收起时，四个差速驱动轮着地，机器人采用轮式行进；四个所述机械腿展开时，四个机械腿着地，机器人采用足式行进；所述机械臂设置有四个自由度，包括设置在顶面的底座，所述底座能够转动，其上设置有大臂，所述大臂与小臂的一端相连，所述小臂的另一端与机械爪相连，所述机械爪用于目标物的抓取。

5.根据权利要求1所述的智能探索机器人，其特征在于：还包括与处理器相连的传感器模块，所述传感器模块用于获取机器人所处的环境信息，所述远程控制平台通过处理器接收环境信息，并结合过往的环境信息进行环境状态分析，形成可视化变化曲线。

6.根据权利要求5所述的智能探索机器人，其特征在于：所述2D处理模块包括A1激光雷达，所述3D处理模块包括RGB-D深度摄像头，所述传感器模块包括温湿度传感器、气体成分检测传感器、生命探测仪、红外辐射传感器，所述远程控制平台包括搭载ROS***的PC机，通过局域网或者WIFI模块与处理器通讯。

7.根据基于权利要求1所述的智能探索机器人的控制方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一、根据机器人上的3D处理模块检测的图形信息，用户判断机器人所处的地形是否平坦，并通过远程控制平台向处理器下发对应的行进模式指令；

步骤二、机器人的处理器根据接收的行进模式指令，通过运动控制模块控制机器人采用轮式行进还是足式行进；

步骤三、机器人的处理器通过2D处理模块检测的激光信息或者3D处理模块检测的图像信息构建地图信息，并根据远程控制平台下发的目标区域指令，进行行进路线规划，同时将地图信息、图像信息实时上传至远程控制平台；

步骤四、到达目标区域，远程控制平台根据用户设定的目标物进行目标物的识别和定位，若发现目标物及其位置，则通过处理器控制机械臂进行目标物的采集，否则进行下一个目标区域指令给处理器；

步骤五、重复步骤一至四，直至所有目标区域的探索。

8.根据权利要求7所述的智能探索机器人的控制方法，其特征在于：若机器人所处的地形平坦，则通过远程控制平台向处理器下发轮式行进指令，处理器通过运动控制模块控制四个机械腿收起，通过2D处理模块对机器人所处的地形进行激光扫描，并根据获取的激光信息构建简单地图信息；若机器人所处的地形复杂，则通过远程控制平台向处理器下发足式行进指令，处理器通过运动控制模块控制四个机械腿展开，通过3D处理模块对机器人所处的地形进行视觉拍摄，并根据获取的图像信息构建复杂地图信息，同时2D处理模块停止工作。

9.根据权利要求7所述的智能探索机器人的控制方法，其特征在于：所述地图信息通过SLAM算法进行构建。

10.根据权利要求8所述的智能探索机器人的控制方法，其特征在于：所述简单地图信息对应室内环境，所述复杂地图信息对应野外环境。