專利名稱：基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的礦井搜索探測多機器人系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及礦井及井下事故現(xiàn)場的搜索探測領(lǐng)域，更具體地說是一種以移動 機器人為節(jié)點，采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進行多機器人協(xié)調(diào)控制的礦井搜索探 測多機器人系統(tǒng)。
技術(shù)背景目前國內(nèi)外礦井事故搜救工作還是以人工搜救為主，只有美國和日本研制 了單體井下救援機器人的原型，但上述機器人結(jié)構(gòu)上的抗傾覆能力和越障能力非常差。公開號為CN1931653A的《一種適用于煤礦礦井搜索探測的履帶式多 關(guān)節(jié)鉸接機器人》專利公開了一種不易傾覆，而且具有較好的越障能力且可以 非常容易地穿越狹小長縫的蛇形履帶式多關(guān)節(jié)機器人，但該專利沒有公開井下 搜救中多點傳感和遠距離通訊這兩大關(guān)鍵問題，不能解決現(xiàn)場環(huán)境信息和被困 人員信息的快速傳遞問題。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為一種全新的信息獲取與處理技 術(shù)，其特有的多節(jié)點協(xié)作與動態(tài)拓撲控制技術(shù)、無線多跳通訊技術(shù)將為井下多 機器人協(xié)作采集信息和遠距離通訊提供了很好的解決方案，為多機器人系統(tǒng)完 成礦井搜索探測任務(wù)提供了有力支持。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明目的是提供一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的礦井搜索探測多機器人系 統(tǒng)，以克服現(xiàn)有技術(shù)不能解決現(xiàn)場環(huán)境信息和被困人員信息的快速傳遞問題。 它由以下裝置組成多關(guān)節(jié)體機器人，它具有蛇形細長結(jié)構(gòu)并采用履帶行走方式，能夠滿足礦 井井下復(fù)雜障礙對機器人地形附著能力和較小的體積的要求；多關(guān)節(jié)體機器人 具有搭載倉，可攜帶多個小型偵查機器人；多關(guān)節(jié)體機器人具有信息感知系統(tǒng)， 通過攜帶的多種傳感器能夠確定受困礦工的位置、檢測出有害氣體的種類、有害氣體的含量和環(huán)境溫度，確定是否存在明火以及明火的位置；小型偵査機器人，通過沿途的被釋放，成為有害氣體的種類、有害氣體的含量和環(huán)境溫度的監(jiān)控節(jié)點和無線網(wǎng)絡(luò)的信息傳遞節(jié)點，實現(xiàn)多點信息采集和 遠距離通訊；遠程操控終端，設(shè)置在地面上，與多關(guān)節(jié)體探測機器人和多個小型偵査機 器人組成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，搭建起操作者和機器人間的通訊鏈路；在此鏈路基 礎(chǔ)上，采用遙操作模式進行人機交互，救援人員在遠端通過人機接口可以實時 操控機器人各部分的運動，并獲取現(xiàn)場環(huán)境信息和被困人員信息。本發(fā)明解決了礦井井下復(fù)雜環(huán)境中環(huán)境監(jiān)測、人員搜索定位和遠程通信等 問題，本發(fā)明通過多機協(xié)作有效穿越障礙，到達危險和災(zāi)害現(xiàn)場，采集(氣、 火、水等)多種信息；該系統(tǒng)還通過沿途釋放的小型機器人做為監(jiān)控、通訊節(jié) 點構(gòu)成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，接收和傳遞操作者的指令并將現(xiàn)場信息發(fā)送給操作者， 輔助生產(chǎn)和救護人員進行緊急決策或?qū)嵤┛焖?、有效的救助。本發(fā)明的優(yōu)點是 能實現(xiàn)動態(tài)自組織、通訊可靠性高和環(huán)境感知能力強，能夠在井下復(fù)雜地形中 運動并配置多機器人節(jié)點，搭建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，通過遙操作模式進行人機交 互，實現(xiàn)井下信息獲取和多機器人控制。克服了現(xiàn)有技術(shù)不能解決現(xiàn)場環(huán)境信 息和被困人員信息的快速傳遞問題。


圖1是本發(fā)明多關(guān)節(jié)體機器人1的結(jié)構(gòu)示意圖，圖2是本發(fā)明的系統(tǒng)構(gòu)成 示意圖，圖3是多關(guān)節(jié)體機器人1的電路結(jié)構(gòu)示意圖，圖4是小型偵查機器人2 的電路結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式
具體實施方式
一下面結(jié)合圖1和圖2具體說明本實施方式。本實施方式 由以下裝置組成:多關(guān)節(jié)體機器人1,它具有蛇形細長結(jié)構(gòu)并采用履帶行走方式， 能夠滿足礦井井下復(fù)雜障礙對機器人地形附著能力和較小的體積的要求；多關(guān)節(jié)體機器人1具有搭載倉，可攜帶多個小型偵査機器人2;多關(guān)節(jié)體機器人1具有信息感知系統(tǒng)，通過攜帶的多種傳感器能夠確定受困礦工的位置、檢測出 有害氣體的種類、有害氣體的含量和環(huán)境溫度，確定是否存在明火以及明火的位置；小型偵査機器人2，小型兩輪偵査機器人具有結(jié)構(gòu)簡單、便于搭載的特點，通過沿途的被釋放，成為有害氣體的種類、有害氣體的含量和環(huán)境溫度的監(jiān)控節(jié)點和無線網(wǎng)絡(luò)的信息傳遞節(jié)點，實現(xiàn)多點信息采集和遠距離通訊；給每個小 型偵査機器人2安裝不同的傳感元件，可以動態(tài)監(jiān)控整個巷道內(nèi)的各種氣體、 溫度變化情況。遠程操控終端3，設(shè)置在地面上，與多關(guān)節(jié)體探測機器人1和多個小型偵查 機器人2組成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，搭建起操作者和機器人間的通訊鏈路。在此鏈 路基礎(chǔ)上，采用遙操作模式進行人機交互，救援人員在遠端通過友好的人機接 口 (PDA、 Monitor和控制按鈕)就可以實時操控機器人各部分的運動，并獲取 現(xiàn)場環(huán)境信息和被困人員信息；如圖1所示，本實施方式的多關(guān)節(jié)體機器人1由七個關(guān)節(jié)體組成，分別是 頭部單元1-1、尾部單元1-2、兩個鉸驅(qū)動單元1-3、搭載單元1-4、電源單元1-5 和控制傳感單元1-6，關(guān)節(jié)體之間通過鉸鏈連接，可以適應(yīng)非常復(fù)雜的地形條件。 每個關(guān)節(jié)體上都裝有自己的電動機、減速器、驅(qū)動器作為運動系統(tǒng)。頭部單元 1-1的前端面上和尾部單元1-2后端面上分別裝有可折疊柔性臂1-8，可折疊柔 性臂1-8的伸出端上安裝有攝像頭l-9，如此設(shè)置可通過折疊柔性適應(yīng)狹小通道; 鉸驅(qū)動單元1-3內(nèi)有主動鉸鏈的驅(qū)動機構(gòu)；控制傳感單元1-6內(nèi)設(shè)置有無線通信 模塊1-6-1、處理器模塊1-6-2、運動模塊1-6-3、傳感器模塊1-6-4等；如圖3 所示。處理器模塊采用飛利浦公司生產(chǎn)的ARM7芯片，型號是LPC2294，其集 成6路PWM輸出、2個32位計數(shù)器等外設(shè)便于進行對運動模塊的控制，4個 CAN控制器可方便組建CAN總線網(wǎng)絡(luò)，完成運動部件驅(qū)動、傳感器采集、數(shù) 據(jù)處理、通訊等功能?？紤]系統(tǒng)的經(jīng)濟性和可靠性，以Nordic公司的無線通訊 芯片nRF401為核心設(shè)計了無線通訊模塊。nRF401工作在433MHz國際通用的 ISM頻段，釆用FSK調(diào)制解調(diào)技術(shù)，數(shù)據(jù)傳輸率最高可達20Kbps，具有無需曼 徹斯特編碼、誤碼率低、體積小，所需外圍元件少，可以采用PCB天線等特點， 非常符合本系統(tǒng)小型化的要求。電源單元1-5攜帶較大的鋰聚合物電池，為各 模塊供電;搭載單元1-4具有可開閉艙門的搭載倉，裝有多個小型偵査機器人2。 小型兩輪偵查機器人帶有傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊等，具有結(jié) 構(gòu)簡單、便于搭載的特點，通過沿途釋放作為偵查節(jié)點，與主機器人一起構(gòu)建 成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，可以實現(xiàn)多點信息采集和遠距離通訊功能。多關(guān)節(jié)體機器人1的運動系統(tǒng)采用MAXON公司的EC系列無刷電機和相 應(yīng)速比的減速器，可以避免有刷電機的換向火花，有利于井下防爆。運動控制 方面，選用成熟的商用電機驅(qū)動器ACK-055-06，與主控處理器采用CAN總線 通訊。小型偵査機器人2的運動機構(gòu)采用MAXON公司的EC系列無刷電機和 相應(yīng)速比的減速器。 -本發(fā)明的工作過程如下操作者通過遠程操控終端3在用戶層下達搜救任 務(wù)，并且通過友好的人機接口 (PDA、 Monitor、控制按鈕)給多機系統(tǒng)發(fā)送運 動和操作指令。多關(guān)節(jié)體機器人1通過無線收發(fā)模塊接收到指令后通過控制執(zhí) 行層控制自身多關(guān)節(jié)體的運動，靈活地躲避障礙；每行進一段距離，多關(guān)節(jié)體 機器人1將艙門放下釋放一個小型偵査機器人2作為節(jié)點。各小型偵査機器人2 和多關(guān)節(jié)體機器人1組成節(jié)點可移動的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)， 一方面和遠程操控終 端3的無線收發(fā)模塊相連接，將可靠的通訊范圍一步步擴大，另一方面通過各 小型偵查機器人2和多關(guān)節(jié)體機器人1攜帶的多種傳感器，將可探測的環(huán)境范 圍進一步擴大，實現(xiàn)了一個動態(tài)的主動移動無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。這種多通訊傳感 節(jié)點多跳組網(wǎng)的方式有利于網(wǎng)絡(luò)的擴展，尤其適用于井下彎曲巷道中的通訊和 環(huán)境感知。多關(guān)節(jié)體機器人1和多個小型偵查機器人2按接收到的指令做出相 應(yīng)運動和感知動作，感知到的信息經(jīng)由多關(guān)節(jié)體機器人1進行數(shù)據(jù)處理后通過 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)送回遠程操控終端3。救援人員就可以實時地明確井下的環(huán)境 信息和被困人員信息，便于救援隊有針對性地采取防護措施，對可行目標實施 有效救援。
具體實施方式
二下面結(jié)合圖1具體說明本實施方式。本實施方式與實施 方式一的不同之處是攝像頭1-9是CCD紅外攝像頭，便于在黑暗中識別環(huán)境， 搜索被困人員。
具體實施方式
三本實施方式與實施方式一的不同之處是頭部單元1-1 和尾部單元1-2上安裝有紅外射線(IR)距離傳感器從而確定前方障礙的距離 和高度等，從而為路徑規(guī)劃提供有效信息。
具體實施方式
四本實施方式與實施方式一的不同之處是頭部單元l-l、 尾部單元l-2、兩個鉸驅(qū)動單元l-3、搭載單元l-4、電源單元1-5和控制傳感單元1-6上都設(shè)置有高精度傾角傳感器SCA61T從而確定每個關(guān)節(jié)體的自身姿態(tài)， 從而決定是否需要擺動或回轉(zhuǎn)來適應(yīng)地形，主動鉸上的力傳感器和位置傳感電 位計可以幫助機器人確定自身傾斜的角度，決定能否繼續(xù)爬坡或避免側(cè)傾。
具體實施方式
五本實施方式與實施方式一的不同之處是多關(guān)節(jié)體機器 人1和小型偵査機器人2攜帶的傳感器分別探測乙烯(C2H4)、乙烷(C2H6)、 乙炔(C2H2)、甲烷(CH4)、 一氧化碳(CO)、氧氣(02)、氫氣(H2)的含 量、現(xiàn)場的溫度、濕度和風(fēng)速。為了減小體積、方便集成，上述傳感器選用MEMS 工藝的化學(xué)觸煤傳感器。這種傳感器具有體積小、集成度高、穩(wěn)定性好、響應(yīng) 快等特點，適合井下探測需要。
權(quán)利要求
1. 基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的礦井搜索探測多機器人系統(tǒng)，其特征在于它由以下裝置組成多關(guān)節(jié)體機器人(1)，它具有蛇形細長結(jié)構(gòu)并采用履帶行走方式，能夠滿足礦井井下復(fù)雜障礙對機器人地形附著能力和較小的體積的要求；多關(guān)節(jié)體機器人(1)具有搭載倉，可攜帶多個小型偵查機器人(2)；多關(guān)節(jié)體機器人(1)具有信息感知系統(tǒng)，通過攜帶的多種傳感器能夠確定受困礦工的位置、檢測出有害氣體的種類、有害氣體的含量和環(huán)境溫度，確定是否存在明火以及明火的位置；小型偵查機器人(2)，通過沿途的被釋放，成為有害氣體的種類、有害氣體的含量和環(huán)境溫度的監(jiān)控節(jié)點和無線網(wǎng)絡(luò)的信息傳遞節(jié)點，實現(xiàn)多點信息采集和遠距離通訊；遠程操控終端(3)，設(shè)置在地面上，與多關(guān)節(jié)體探測機器人(1)和多個小型偵查機器人(2)組成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，搭建起操作者和機器人間的通訊鏈路；在此鏈路基礎(chǔ)上，采用遙操作模式進行人機交互，救援人員在遠端通過人機接口可以實時操控機器人各部分的運動，并獲取現(xiàn)場環(huán)境信息和被困人員信息。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的礦井搜索探測多機器人系 統(tǒng)，其特征在于多關(guān)節(jié)體機器人(l)由七個關(guān)節(jié)體組成，分別是頭部單元(l-l)、 尾部單元(l-2)、兩個鉸驅(qū)動單元(l-3)、搭載單元(l-4)、電源單元(l-5)和控制傳 感單元(l-6),關(guān)節(jié)體之間通過鉸鏈連接，頭部單元(l-l)的前端面上和尾部單元 (1-2)后端面上分別裝有可折疊柔性臂(1-8)，可折疊柔性斷l(xiāng)-8)的伸出端上安裝 有攝像頭(l-9)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的礦井搜索探測多機器人系 統(tǒng)，其特征在于攝像頭(1-9)是CCD紅外攝像頭。
4、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的礦井搜索探測多機器人系 統(tǒng)，其特征在于頭部單元(l-l)和尾部單元(l-2)上安裝有紅外射線距離傳感器。
5、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的礦并搜索探測多機器人系 統(tǒng)，其特征在于頭部單元(l-l)、尾部單元(l-2)、兩個鉸驅(qū)動單元(l-3)、搭載單 元(l-4)、電源單元(l-5)和控制傳感單元(l-6)上都設(shè)置有高精度傾角傳感器從而確定每個關(guān)節(jié)體的自身姿態(tài)。
6、根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的礦井搜索探測多機器人系 統(tǒng)，其特征在于多關(guān)節(jié)體機器人1和小型偵查機器人(2)攜帶的傳感器分別探測 乙烯、乙烷、乙炔、甲垸、 一氧化碳、氧氣、氫氣的含量、現(xiàn)場的溫度、濕度 和風(fēng)速。
全文摘要
基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的礦井搜索探測多機器人系統(tǒng)，本發(fā)明涉及礦井及井下事故現(xiàn)場的搜索探測領(lǐng)域，它克服了現(xiàn)有技術(shù)不能解決現(xiàn)場環(huán)境信息和被困人員信息的快速傳遞問題。它由以下裝置組成多關(guān)節(jié)體機器人，它具有蛇形細長結(jié)構(gòu)并采用履帶行走方式，具有搭載倉，可攜帶多個小型偵查機器人，攜帶的多種傳感器能夠確定受困礦工的位置、檢測出有害氣體的種類、有害氣體的含量和環(huán)境溫度；小型偵查機器人，通過沿途的被釋放，實現(xiàn)多點信息采集和遠距離通訊；遠程操控終端，設(shè)置在地面上，與多關(guān)節(jié)體探測機器人和多個小型偵查機器人組成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，搭建起操作者和機器人間的通訊鏈路；救援人員在遠端實時操控機器人各部分的運動，并獲取現(xiàn)場環(huán)境信息和被困人員信息。
文檔編號B25J13/00GK101265813SQ20081006449
公開日2008年9月17日 申請日期2008年5月14日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月14日
發(fā)明者劉剛峰, 劉玉斌, 樊繼壯, 杰 趙, 閆繼宏, 高永生 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)