專利名稱：一種滅火機(jī)器人系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及利用機(jī)器人技術(shù)實(shí)現(xiàn)日常環(huán)境的自動(dòng)滅火。
背景技術(shù)：
機(jī)器人技術(shù)被認(rèn)為是20世紀(jì)人類最偉大的發(fā)明技術(shù)之一。經(jīng)過近40余年的發(fā)展， 機(jī)器人技術(shù)日漸成熟，其中工業(yè)機(jī)器人已經(jīng)廣泛應(yīng)用于汽車制造行業(yè)、機(jī)械加工行業(yè)、電子 電氣行業(yè)、橡膠及塑料工業(yè)、食品工業(yè)、木材與家具制造業(yè)等領(lǐng)域中，而各種用途的特種機(jī) 器人也進(jìn)入快速發(fā)展模式，在軍事、城市防爆、家政等幾個(gè)領(lǐng)域特種機(jī)器人開始發(fā)揮重要作用。機(jī)器人的成長大致可以分為三個(gè)階段第一階段為簡單個(gè)體機(jī)器人，第二階段為 群體勞動(dòng)機(jī)器人，第三階段為類似人類的智能機(jī)器人，它的未來發(fā)展方向是有知覺、有思 維、能與人對話。計(jì)算機(jī)技術(shù)和人工智能技術(shù)的快速發(fā)展給機(jī)器人技術(shù)帶來了巨大的拓展 空間?，F(xiàn)代智能機(jī)器人已經(jīng)具備了存儲(chǔ)知識(shí)，對外界的感知和自我決策的能力?，F(xiàn)代智能 機(jī)器人一般由三大部分組成運(yùn)動(dòng)部分、智能部分和感覺部分。運(yùn)動(dòng)部分主要依靠行走機(jī) 構(gòu)、機(jī)械手、手爪等機(jī)械機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)；智能部分主要通過計(jì)算機(jī)對存儲(chǔ)信息和外界信號(hào)的處理 實(shí)現(xiàn)認(rèn)知能力、學(xué)習(xí)能力、思維能力和決策能力；感覺部分主要依靠攝像頭、麥克風(fēng)、紅外傳 感器等裝置實(shí)現(xiàn)外界信號(hào)的采集。由于機(jī)器人具有在危險(xiǎn)條件下工作的優(yōu)點(diǎn)，因此在防火和防爆方面具有具大的應(yīng) 用前景。現(xiàn)在滅火機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)爆炸物拆除、轉(zhuǎn)移和深入火場近距離撲滅火源的功能。但 現(xiàn)在滅火機(jī)器人在應(yīng)用上還不夠普及，個(gè)人認(rèn)為這主要是因?yàn)楝F(xiàn)在滅火機(jī)器人的設(shè)計(jì)思路 上存在以下2個(gè)問題(1)過分注重改進(jìn)機(jī)器人的智能化而忽視機(jī)器人和周圍環(huán)境的配合。 科學(xué)技術(shù)的發(fā)展是循序漸進(jìn)的，機(jī)器人的智能化也是要逐步前進(jìn)的，機(jī)器人智能也很難的 迅速提高到可以處理各種復(fù)雜環(huán)境的地步。但是機(jī)器人發(fā)揮功能不但跟機(jī)器人的智能水平 有關(guān)也和工作環(huán)境有關(guān)，科學(xué)合理改造機(jī)器人的工作環(huán)境可以使得在現(xiàn)有機(jī)器人技術(shù)下最 大程度發(fā)揮機(jī)器人的工作能力。(2)過分注重單個(gè)超強(qiáng)能力機(jī)器人的開發(fā)而忽略功能實(shí)用 機(jī)器人的推廣。從實(shí)用角度看，現(xiàn)在不僅缺乏能夠處理極端條件下的高智能機(jī)器人，更需要 在日常環(huán)境下能發(fā)揮作用的普通功能型機(jī)器人。改變設(shè)計(jì)思路，合理平衡機(jī)器人智能和使 用環(huán)境，利用現(xiàn)在的機(jī)器人技術(shù)完全可以設(shè)計(jì)出承擔(dān)日常環(huán)境下滅火任務(wù)的機(jī)器人系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種利用增加地面導(dǎo)向線和位置標(biāo)的環(huán)境改造方法以及遠(yuǎn)程監(jiān)控技 術(shù)實(shí)現(xiàn)日常環(huán)境下滅火功能的機(jī)器人系統(tǒng)。主要內(nèi)容包括(1)在地表面合理設(shè)置地面導(dǎo)向線和位置標(biāo)識(shí)。通過地面的導(dǎo)向線和位置標(biāo)識(shí)可 以將二維的環(huán)境地圖簡化為一維的位置坐標(biāo)，這樣不但可以降低工作環(huán)境對機(jī)器人智能水 平的要求，減少機(jī)器人出現(xiàn)路線錯(cuò)誤的機(jī)會(huì)，同時(shí)依靠導(dǎo)向線和位置標(biāo)識(shí)還可以大大提高 機(jī)器人的移動(dòng)速度和位置判斷。如同交通標(biāo)志一般，如果建立統(tǒng)一導(dǎo)向線和位置標(biāo)識(shí)標(biāo)準(zhǔn)，則大大增加滅火機(jī)器人的通用性，在機(jī)器人更換工作環(huán)境時(shí)只需更換控制電腦中的環(huán)境地 圖。(2)建立機(jī)器人遠(yuǎn)程通信和人工控制系統(tǒng)?，F(xiàn)在監(jiān)控系統(tǒng)和火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)已經(jīng)成 為大型商場和辦公場所必備安全設(shè)備，只需將監(jiān)控系統(tǒng)、火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)與機(jī)器人無線攝像 頭、無線通信系統(tǒng)相結(jié)合就能實(shí)現(xiàn)滅火機(jī)器人的自動(dòng)滅火和人工遠(yuǎn)程控制。自動(dòng)滅火即火 災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)將發(fā)生火災(zāi)的地點(diǎn)通過無線通信告知機(jī)器人，則機(jī)器人能夠自動(dòng)到達(dá)出事地點(diǎn) 并撲滅火災(zāi)。監(jiān)控系統(tǒng)切換到機(jī)器人無線攝像頭可以實(shí)時(shí)監(jiān)控滅火情況，一旦出現(xiàn)復(fù)雜情 況還可以將機(jī)器人控制模式切換到人工控制模式。這無疑增加了機(jī)器人控制的靈活性，也 有利于火災(zāi)救援隊(duì)到達(dá)后與滅火機(jī)器人的聯(lián)合工作。這種內(nèi)外結(jié)合、人工結(jié)合的模式可以 大大提高消防滅火靈活性、保障消防人員安全和對火災(zāi)的提前控制。同時(shí)日常的監(jiān)控人員 在經(jīng)過一定的人機(jī)結(jié)合培訓(xùn)后也能擔(dān)負(fù)其早期火災(zāi)的撲滅工作，這從火災(zāi)撲救上看將是有 重大發(fā)展前景和意義重大的。(3)滅火功能型機(jī)器人。為了與地面導(dǎo)向線、標(biāo)識(shí)系統(tǒng)和遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)相配合，本 設(shè)計(jì)中的機(jī)器人包含地面標(biāo)識(shí)感應(yīng)探頭陣列、溫度感知系統(tǒng)、動(dòng)力控制系統(tǒng)、滅火劑儲(chǔ)存罐 和切換系統(tǒng)、無線攝像頭和無線通信模塊、主控系統(tǒng)、滅火劑噴頭和其控制系統(tǒng)。與目前現(xiàn)有的滅火機(jī)器人系統(tǒng)相比本機(jī)器人系統(tǒng)有以下幾個(gè)特點(diǎn)(1)對于機(jī)器人的推廣應(yīng)用，本發(fā)明轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)思路，合理設(shè)計(jì)降低了環(huán)境的復(fù)雜 度，進(jìn)而降低對機(jī)器人的智能要求，而導(dǎo)航系統(tǒng)的簡化也可以減少故障概率。這對機(jī)器人的 普及有重要意義。(2)地面導(dǎo)航系統(tǒng)的建立大大提高了機(jī)器人運(yùn)行速度，同時(shí)環(huán)境地圖的設(shè)置可以 提高機(jī)器人的通用性。(3)自動(dòng)控制模式和遠(yuǎn)程人工控制模式的靈活切換模式既保證了機(jī)器人的獨(dú)立性 又能夠應(yīng)對復(fù)雜環(huán)境和緊急事態(tài)。靈活的控制模式和導(dǎo)航系統(tǒng)可以保證機(jī)器人系統(tǒng)適用范 圍更廣，可以在大型商場、辦公場所和倉庫等大多數(shù)日常環(huán)境下使用。(4)本機(jī)器人的滅火系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)多種類滅火劑的切換可以適應(yīng)各種火災(zāi)的滅火。(5)本機(jī)器人系統(tǒng)與火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)相結(jié)合可以高效完成無人值守情況下火災(zāi)的撲 滅任務(wù)，并且根據(jù)情況可以減少水噴淋系統(tǒng)或者泡沫系統(tǒng)滅火，只需安裝感煙或感溫火災(zāi) 報(bào)警系統(tǒng)，可以降低消防成本。


圖1為本發(fā)明中建筑物導(dǎo)向線和位置標(biāo)識(shí)示意圖，其中1為機(jī)器人待命區(qū)，2為導(dǎo) 向線，3為普通危險(xiǎn)物，4為嚴(yán)重危險(xiǎn)物，5為重要危險(xiǎn)物。圖2為本發(fā)明防火機(jī)器人結(jié)構(gòu)示意圖，其中1為無線攝像頭，2為滅火劑噴頭，3為 主控電路系統(tǒng)，4為滅火劑存儲(chǔ)罐，5為光電探頭陣列位置，6為溫度傳感器，7為距離傳感 器，8為光電探頭陣列，9為導(dǎo)向線。圖3為本發(fā)明機(jī)器人系統(tǒng)工作流程圖
具體實(shí)施例方式本機(jī)器人不是越障型機(jī)器人所以對地面的有一定要求，并且需要遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)配
4合，因此首先要求工作環(huán)境地面盡量平整，不能出現(xiàn)30度以上坡度；其次工作場地要有監(jiān) 控系統(tǒng)和火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)。從現(xiàn)代城市的日常工作環(huán)境看，這兩條要求是極易滿足的，這也表 示本發(fā)明有很廣的適用范圍。本發(fā)明的詳細(xì)實(shí)施方式進(jìn)一步詳述如下第一步實(shí)現(xiàn)工作環(huán)境的改造。如附圖1所示，在工作環(huán)境的地面上畫上規(guī)劃好 的導(dǎo)向線和位置標(biāo)識(shí)符。這種導(dǎo)向線一般可以采用白線或者黑線，在機(jī)器競賽領(lǐng)域這種標(biāo) 識(shí)線的設(shè)置和識(shí)別技術(shù)是相當(dāng)成熟的。如果考慮美觀性可以采用其他顏色或者形式的導(dǎo)向 線。環(huán)境位置標(biāo)識(shí)的設(shè)計(jì)和火災(zāi)危險(xiǎn)性評估相結(jié)合，將不同火災(zāi)危險(xiǎn)等級區(qū)域匹配上不同 的位置標(biāo)識(shí)符。第二步建立環(huán)境導(dǎo)航地圖。在實(shí)現(xiàn)環(huán)境改造后，將建筑地圖和導(dǎo)向線和位置標(biāo)識(shí) 相融合可以得到機(jī)器人導(dǎo)航地圖，將此導(dǎo)航地圖輸入機(jī)器人存儲(chǔ)模塊，這地圖將是機(jī)器人 自動(dòng)控制模式下主要的運(yùn)動(dòng)控制參考。此導(dǎo)航地圖有極好的可拓展性，比如建筑物內(nèi)可燃 物品位置信息和重要設(shè)備位置信息等特征加入地圖可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人對環(huán)境危險(xiǎn)度的自動(dòng) 評級，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人智能監(jiān)控。在統(tǒng)一環(huán)境標(biāo)識(shí)條件下，機(jī)器人更換工作環(huán)境只需將導(dǎo)航地圖 更換即可。第三步建立機(jī)器人系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)、火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的無線聯(lián)系。將機(jī)器人無線攝 像頭加入工作場所監(jiān)控系統(tǒng)，在需要監(jiān)視機(jī)器人操作時(shí)只需切換監(jiān)控畫面即可。在發(fā)生火 災(zāi)情況下，火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)將火災(zāi)發(fā)生的位置坐標(biāo)傳輸給機(jī)器人，滅火機(jī)器人既可實(shí)現(xiàn)自動(dòng) 到達(dá)火災(zāi)區(qū)域，通過溫度傳感器定位火源，選擇匹配滅火劑滅火。第四步建造滅火機(jī)器人物理實(shí)體。如圖2所示，本機(jī)器人可以分為運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、智 能控制系統(tǒng)、環(huán)境感知系統(tǒng)、無線通訊系統(tǒng)和滅火系統(tǒng)五大系統(tǒng)。機(jī)器人運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)采用直流 電機(jī)驅(qū)動(dòng)輪式行進(jìn)模式，這種模式具有運(yùn)動(dòng)速度快、穩(wěn)定和成本低的優(yōu)點(diǎn)，在導(dǎo)向線和位置 標(biāo)識(shí)的輔助下，機(jī)器人完全可以達(dá)到任務(wù)要求。如果需要提高機(jī)器人運(yùn)動(dòng)精度還可以在運(yùn) 動(dòng)系統(tǒng)基礎(chǔ)上增加陀螺儀和碼盤。環(huán)境感知系統(tǒng)包括導(dǎo)向線識(shí)別探頭陣列、距離傳感器、溫 度傳感器和無線攝像頭。導(dǎo)向線識(shí)別探頭的工作原理是通過對地面反光度的不同來卻分導(dǎo) 向線和地面，這種陣列模塊根據(jù)導(dǎo)向線的不同可以選擇不同的識(shí)別原理。距離傳感器和溫 度傳感器選擇紅外類，即價(jià)格合適，穩(wěn)定性也不錯(cuò)。無線攝像頭在于遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián)系時(shí)可 以充當(dāng)監(jiān)控?cái)z像頭的作用。如果智能控制系統(tǒng)中加入圖像識(shí)別技術(shù)，可以擴(kuò)大攝像頭使用 范圍，增加機(jī)器人智能性。無線通信系統(tǒng)用來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人與遠(yuǎn)程監(jiān)控室聯(lián)絡(luò)，根據(jù)無線通信 模塊的差異可以選擇不同的通信模式。滅火系統(tǒng)又分為滅火劑儲(chǔ)存裝置和噴頭控制模塊。 不同種滅火劑存儲(chǔ)在不同的高壓罐內(nèi)，通過電磁閥實(shí)現(xiàn)不同滅火劑的切換。噴頭是一個(gè)可 調(diào)節(jié)角度的裝置，在火源高度距離不同時(shí)，根據(jù)溫度傳感器傳回的信息確定噴頭角度。智能 控制系統(tǒng)是整個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)的控制中樞，各種外界信息均需要傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)進(jìn)行分析， 然后根據(jù)情況下達(dá)行動(dòng)指令來實(shí)現(xiàn)各種動(dòng)作。智能控制系統(tǒng)采用PC主機(jī)或者ARM主控板 就可以滿足運(yùn)算和控制需要。第五步建立機(jī)器人系統(tǒng)工作流程。機(jī)器人系統(tǒng)的建立和工作環(huán)境的改造，僅是系 統(tǒng)完整的第一步，合理的工作流程設(shè)計(jì)才能最大發(fā)揮滅火機(jī)器人系統(tǒng)的功能。如圖3所示， 機(jī)器人系統(tǒng)工作時(shí)將充分調(diào)動(dòng)各方面的資源優(yōu)勢和發(fā)揮機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)無人工值守和 復(fù)雜條件下火災(zāi)撲滅任務(wù)。
權(quán)利要求
一種新型滅火機(jī)器人系統(tǒng)，其特征在于改變設(shè)計(jì)思路，在最大發(fā)揮現(xiàn)有機(jī)器人技術(shù)的前提下，對機(jī)器人工作環(huán)境進(jìn)行改造，建立機(jī)器人導(dǎo)航地圖。通過在工作地面添加導(dǎo)向線和位置標(biāo)識(shí)可以提高機(jī)器人定位速度和運(yùn)行穩(wěn)定性，同時(shí)有利于降低機(jī)器人在定位技術(shù)上的成本。位置標(biāo)識(shí)可以用來區(qū)分不同防火等級的物品。導(dǎo)航地圖可以形成規(guī)范，如此可以增加機(jī)器人的可替代性，也可以為以后其他功能性機(jī)器人服務(wù)生活建立示范標(biāo)準(zhǔn)，比如以后家政服務(wù)機(jī)器人也可以采用這一套機(jī)器人導(dǎo)航地圖。機(jī)器人導(dǎo)航地圖模式建立也可以大大拓展現(xiàn)有機(jī)器人應(yīng)用的范圍，可以在日常生活的絕大多數(shù)場所放置本發(fā)明的機(jī)器人滅火系統(tǒng)。
2.一種新型滅火機(jī)器人系統(tǒng)，其特征在于建立機(jī)器人與火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)相聯(lián)系的自動(dòng) 滅火模式?；馂?zāi)報(bào)警系統(tǒng)在發(fā)生火災(zāi)后將火災(zāi)位置信息發(fā)送至機(jī)器人，機(jī)器人在收到火災(zāi) 位置信息后，自動(dòng)到達(dá)火點(diǎn)，選擇與導(dǎo)航地圖中物體信息匹配的滅火劑自動(dòng)滅火。這樣不但 可以適當(dāng)減少水噴淋等滅火系統(tǒng)以機(jī)器人滅火來替代，同時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)無人情況下的系統(tǒng) 自動(dòng)滅火。
3.一種新型滅火機(jī)器人系統(tǒng)，其特征在于建立機(jī)器人與攝像頭監(jiān)控系統(tǒng)遠(yuǎn)程聯(lián)系。 通過無線攝像頭和無線通訊模塊將滅火機(jī)器人與辦公場所、倉庫、商場等地的監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián) 系起來。實(shí)現(xiàn)監(jiān)控機(jī)器人工作狀態(tài)，必要時(shí)可以人工控制滅火機(jī)器人工作，甚至采取滅火機(jī) 器人與消防隊(duì)聯(lián)合工作滅火模式。這將大大提高消防的靈活性，保障消防隊(duì)員安全。
全文摘要
一種改變滅火機(jī)器人應(yīng)用思路的機(jī)器人系統(tǒng)其特點(diǎn)在于在最大利用現(xiàn)在成熟機(jī)器人技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過對機(jī)器人工作環(huán)境的合理改造，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人最大效率的利用。在工作環(huán)境中增加導(dǎo)向線和位置標(biāo)識(shí)，實(shí)現(xiàn)二維工作地圖的簡化，建立機(jī)器人工作導(dǎo)航地圖，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人高效率的移動(dòng)和定位；而建立機(jī)器人和火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)與圖像監(jiān)控系統(tǒng)的聯(lián)系可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)滅火與人工遠(yuǎn)程控制，提高機(jī)器人應(yīng)用靈活性。本發(fā)明中這些創(chuàng)新的機(jī)器人工作方式推廣了功能性滅火機(jī)器人的應(yīng)用范圍，降低了機(jī)器人應(yīng)用成本，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性機(jī)器人應(yīng)用。如果本文中機(jī)器人工作導(dǎo)航地圖模式和人工聯(lián)動(dòng)模式得到國家級規(guī)范認(rèn)可，將極有可能通過本發(fā)明機(jī)器人的大面積應(yīng)用改變未來消防模式。
文檔編號(hào)G01C21/34GK101884830SQ20101019006
公開日2010年11月17日 申請日期2010年5月28日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月28日
發(fā)明者安江濤, 張和平, 蔣勇, 邱榕 申請人:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)